Alam semesta mengembang lebih cepat dari yang dapat dijelaskan oleh fisika — Bukti baru memperdalam 'krisis' kosmik

(Kredit: © Irfanbm03 | Dreamstime.com)

DURHAM, NC — Lingkungan kosmik kita mengungkap kebenaran yang tidak menyenangkan dan tidak dapat dijelaskan: alam semesta tampaknya melanggar batas kecepatan yang ditetapkan oleh model fisika terbaik kita. Dengan mengukur secara tepat jarak ke sekelompok galaksi besar yang relatif dekat dengan Bumi, para ilmuwan telah menemukan bukti baru bahwa ruang angkasa berkembang lebih cepat daripada yang diperkirakan secara teoritis, sebuah temuan yang dapat memaksa revisi radikal terhadap pemahaman kita tentang evolusi kosmik.

Ketika para ilmuwan mengukur laju ekspansi ini (dikenal sebagai konstanta Hubble) menggunakan objek-objek terdekat, mereka secara konsisten mendapatkan nilai yang lebih tinggi dibandingkan ketika mereka mengukurnya menggunakan cahaya dari alam semesta awal. Kesenjangan ini telah berlangsung selama bertahun-tahun, membuat para astronom bertanya-tanya apakah pemahaman kita tentang evolusi kosmik memerlukan perombakan besar-besaran.

Dan Scolnic, seorang profesor fisika di Duke University yang memimpin penelitian ini, menyusun teka-teki ini dalam istilah yang relevan: bayangkan mencoba membuat grafik pertumbuhan alam semesta. Kita memiliki “gambar bayi” – keadaan paling awal yang dapat diamati setelah Big Bang – dan “foto kepala” saat ini yang menunjukkan alam semesta lokal yang berisi Bima Sakti kita dan galaksi-galaksi tetangga. Tantangannya terletak pada menghubungkan kedua titik ini melalui kurva pertumbuhan yang koheren, namun hasil pengukurannya tidak sesuai harapan, sehingga memperdalam salah satu teka-teki kosmologi modern yang paling membingungkan yang dikenal sebagai “ketegangan Hubble.”

“Ketegangan kini berubah menjadi krisis,” kata Scolnic, menyoroti pentingnya temuan timnya yang dipublikasikan di jurnal tersebut Surat Jurnal Astrofisika.

Jadi apa sebenarnya ketegangan Hubble? Bayangkan memiliki dua metode yang dapat diandalkan untuk mengukur benda yang sama, seperti timbangan kamar mandi dan timbangan dokter, namun mendapatkan hasil yang berbeda secara konsisten dari masing-masing metode. Hal itulah yang dihadapi para astronom saat mengukur konstanta Hubble. Ketika mereka menggunakan objek terdekat seperti supernova dan galaksi untuk mengukur perluasan ini, mereka menemukan bahwa alam semesta membentang dengan kecepatan sekitar 73-76 kilometer per detik untuk setiap jarak megaparsec (kira-kira 3,26 juta tahun cahaya). Namun, ketika mereka menghitung laju ekspansi menggunakan pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik – sisa-sisa Big Bang – bersama dengan model fisika standar kita, mereka mendapatkan laju yang jauh lebih lambat, yaitu sekitar 67 kilometer per detik per megaparsec.

Perbedaan ini, sekitar 9% perbedaan antara kedua metode, terlalu besar untuk dijelaskan oleh kesalahan pengukuran. Yang lebih meresahkan lagi, seiring dengan kemajuan teknik pengukuran selama bertahun-tahun, perselisihan tersebut semakin nyata dan bukannya terselesaikan dengan sendirinya.

Studi baru ini berfokus pada Gugus Koma, salah satu gugus galaksi masif terdekat dengan kita, yang berfungsi sebagai titik kalibrasi penting untuk mengukur jarak kosmik. Ketika tim Instrumen Spektroskopi Energi Gelap (DESI) mempublikasikan pengamatan galaksi mereka yang ekstensif, Scolnic menyadari adanya peluang untuk menyempurnakan pengukuran mereka menggunakan Gugus Coma sebagai titik jangkar.

“Kolaborasi DESI melakukan bagian yang sangat sulit, tangga mereka kehilangan anak tangga pertama,” jelas Scolnic. “Saya tahu cara mendapatkannya, dan saya tahu bahwa itu akan memberi kita salah satu pengukuran konstanta Hubble paling tepat yang bisa kita dapatkan, jadi ketika makalah mereka diterbitkan, saya benar-benar meninggalkan segalanya dan mengerjakannya tanpa henti.”

Timnya menganalisis 12 ledakan bintang khusus yang disebut supernova Tipe Ia di dalam Gugus Coma. Fenomena kosmik ini berfungsi sebagai “lilin standar” yang dapat diandalkan karena secara konsisten mencapai kecerahan puncak yang sama, menjadikannya alat yang sangat baik untuk mengukur jarak astronomi. Sama seperti mengetahui watt bola lampu yang memungkinkan Anda memperkirakan jaraknya berdasarkan seberapa terang cahaya tersebut, supernova ini memungkinkan penghitungan jarak yang tepat.

Hasilnya menempatkan Gugus Koma pada jarak sekitar 320 juta tahun cahaya dari Bumi, selaras dengan pengukuran sebelumnya selama beberapa dekade. Konsistensi ini memberikan validasi yang kuat terhadap metodologi penelitian. “Pengukuran ini tidak bias berdasarkan pendapat kami tentang bagaimana kisah ketegangan Hubble akan berakhir,” kata Scolnic. “Kluster ini ada di halaman belakang rumah kami, sudah diukur jauh sebelum ada yang tahu betapa pentingnya hal ini.”

Dengan menggunakan pengukuran yang tepat ini sebagai titik awal, tim menghitung konstanta Hubble sebesar 76,5 kilometer per detik per megaparsec. Hasil ini selaras dengan pengukuran alam semesta lokal terbaru lainnya, namun bertentangan secara signifikan dengan prediksi berdasarkan observasi alam semesta awal.

“Kami berada pada titik di mana kami sangat menekan model yang telah kami gunakan selama dua setengah dekade, dan kami melihat bahwa segala sesuatunya tidak sesuai,” kata Scolnic. “Ini mungkin mengubah cara kita berpikir tentang alam semesta, dan ini menarik! Masih ada kejutan dalam kosmologi, dan siapa yang tahu penemuan apa yang akan terjadi selanjutnya?”

Ke depannya, para astronom akan terus menyempurnakan pengukuran ini menggunakan teleskop baru dan teknik yang lebih baik. Namun, konsistensi hasil di berbagai metode menunjukkan bahwa penyelesaian krisis perluasan kosmik ini mungkin memerlukan lebih dari sekadar pengamatan yang lebih baik – hal ini mungkin memerlukan perombakan total model fisika kita saat ini.