

(Gambar oleh Lia Koltyrina di Shutterstock)
CHRISTCHURCH, Selandia Baru — Energi gelap telah menjadi pengganti paling sukses dalam fisika modern, sebuah kekuatan teoretis yang diciptakan untuk menjelaskan mengapa galaksi-galaksi tampaknya saling berpacu menjauhi satu sama lain dengan kecepatan yang terus meningkat. Kini, setelah menganalisis cahaya dari lebih dari 1.500 bintang yang meledak, para peneliti mencapai kesimpulan yang mengejutkan: kekuatan misterius ini mungkin tidak ada sama sekali. Sebaliknya, jawabannya mungkin terletak pada bagaimana waktu mengalir secara berbeda di seluruh lanskap kosmik.
Meskipun tidak secara pasti menyangkal keberadaan energi gelap, penelitian ini menyajikan bukti kuat mengenai penjelasan alternatif yang dapat membentuk kembali kosmologi fundamental.
Konsep energi gelap dapat ditelusuri kembali ke awal abad ke-20. Pada tahun 1917, Albert Einstein menambahkan istilah yang disebut “konstanta kosmologis” ke dalam persamaan relativitas umumnya, yang pada dasarnya mengusulkan suatu gaya yang akan mencegah alam semesta runtuh karena gravitasinya sendiri. Ketika Edwin Hubble menemukan pada akhir tahun 1920-an bahwa alam semesta sebenarnya mengembang, Einstein meninggalkan gagasan ini, yang kemudian ia sebut sebagai “kesalahan terbesarnya”.


Namun pada tahun 1998, dua tim astronom independen membuat penemuan mengejutkan saat mempelajari supernova jarak jauh. Mereka menemukan bahwa galaksi-galaksi yang sangat terpencil nampaknya bergerak menjauh dari kita lebih cepat dari yang diperkirakan oleh hukum fisika yang diketahui. Hal ini menunjukkan bahwa perluasan alam semesta secara misterius mengalami percepatan, bukannya perlambatan seperti yang diharapkan.
Untuk menjelaskan pengamatan yang membingungkan ini, fisikawan menghidupkan kembali konstanta kosmologis Einstein dalam bentuk baru — energi gelap, sebuah gaya hipotetis yang bekerja melawan gravitasi, sehingga mendorong kosmos terpisah. Energi misterius ini diperkirakan menyumbang sekitar 68% dari total kandungan energi alam semesta, jauh melampaui kontribusi materi normal (5%) dan materi gelap (27%).
Para ilmuwan yang menemukan percepatan nyata ini, Saul Perlmutter, Brian Schmidt, dan Adam Riess, dianugerahi Hadiah Nobel Fisika tahun 2011 atas karya mereka — meskipun sifat dasar energi gelap masih belum diketahui. Dalam sejarah ilmiah yang ironis, konstanta kosmologis yang ditolak Einstein menjadi landasan kosmologi modern.
Dalam studi terbaru ini, tim peneliti dari Universitas Canterbury di Selandia Baru mengajukan penjelasan alternatif yang mungkin menghilangkan kebutuhan akan energi gelap sepenuhnya.
Teori mereka, yang dikenal sebagai “kosmologi bentang waktu”, menunjukkan bahwa apa yang kita anggap sebagai percepatan kosmik sebenarnya mungkin dihasilkan dari cara kita mengukur dan menafsirkan jarak kosmik. Perspektif baru ini mempertimbangkan sesuatu yang banyak diabaikan oleh model standar: alam semesta tidak mulus seperti sup, melainkan “kental”, dengan galaksi-galaksi yang berkumpul dan dipisahkan oleh ruang kosong yang luas.
Penelitian yang dipublikasikan di Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Societymenganalisis data dari katalog Pantheon+ yang berisi 1.690 observasi supernova, yang mewakili 1.535 ledakan bintang unik. Supernova ini berfungsi sebagai “lilin standar” kosmik, yang memungkinkan para astronom mengukur jarak yang sangat jauh di ruang angkasa. Tim tersebut mengembangkan metode statistik baru yang dirancang khusus untuk menghindari asumsi yang terkait dengan model kosmologis tradisional.
Kosmologi modern sangat bertumpu pada teori relativitas umum Einstein dan berasumsi bahwa ruang terdistribusi secara merata dalam skala besar. Namun, siapa pun yang pernah melihat gambar dari teleskop canggih pasti tahu bahwa materi di alam semesta kita sebenarnya terkumpul dalam jaringan galaksi dan ruang hampa kosmik. Teori timescape mempertimbangkan kelumpuhan yang melekat ini, dan mengusulkan bahwa variasi struktural ini memengaruhi cara kita memandang jarak kosmik dan waktu itu sendiri.
Alih-alih mengasumsikan perluasan yang seragam di seluruh ruang, kosmologi rentang waktu menunjukkan bahwa berbagai wilayah di alam semesta berkembang dengan laju yang berbeda-beda. Bayangkan sebuah lanskap kosmik di mana wilayah yang kaya akan galaksi mengalami waktu dan ruang secara berbeda dibandingkan dengan ruang kosong yang luas di antara keduanya. Tingkat ekspansi yang bervariasi ini dapat menciptakan ilusi percepatan jika dilihat dari sudut pandang kita di kosmos.
Dengan menganalisis cahaya dari supernova jauh menggunakan pendekatan statistik yang canggih, para peneliti menemukan bukti yang mendukung pandangan alternatif ini. Analisis mereka mengungkapkan pola dalam data yang lebih selaras dengan prediksi rentang waktu dibandingkan dengan model standar, khususnya pada jarak kosmik tertentu.
Yang paling menarik, penelitian ini mengidentifikasi skala tertentu – kira-kira setara dengan 75% struktur kosmik seperti “Penarik Besar” – di mana alam semesta mulai menunjukkan tanda-tanda homogenitas statistik. Skala ini, lebih besar dari perkiraan sebelumnya, mungkin mewakili titik transisi mendasar tentang bagaimana struktur kosmik memengaruhi pengukuran kita.
Hal yang membuat penelitian ini sangat tepat waktu adalah potensinya untuk menyelesaikan “ketegangan Hubble” – yaitu kesenjangan yang signifikan antara berbagai metode pengukuran laju ekspansi alam semesta. Pengamatan terbaru dari Instrumen Spektroskopi Energi Gelap (DESI) telah mengungkapkan bahwa model kosmologis standar tidak sesuai dengan pengamatan seperti yang diperkirakan sebelumnya, terutama ketika mempertimbangkan bagaimana energi gelap dapat berevolusi seiring waktu.
Implikasi kosmologi bentang waktu sangat besar. Menurut tim peneliti, jam yang ditempatkan di Bima Sakti kita akan berdetak sekitar 35% lebih lambat dibandingkan jam serupa yang ditempatkan di ruang kosong kosmik antar galaksi. Selama miliaran tahun, perbedaan waktu ini akan memungkinkan terjadinya perluasan ruang yang lebih besar di kawasan hampa, yang menurut kita menciptakan percepatan perluasan ketika kawasan kosong yang sangat besar ini mendominasi volume alam semesta.


“Temuan kami menunjukkan bahwa kita tidak memerlukan energi gelap untuk menjelaskan mengapa alam semesta tampak mengembang dengan kecepatan yang semakin cepat. Energi gelap adalah kesalahan identifikasi variasi energi kinetik ekspansi, yang tidak seragam di alam semesta sebesar tempat kita tinggal,” jelas Profesor David Wiltshire, yang memimpin penelitian, dalam sebuah pernyataan.
“Penelitian ini memberikan bukti kuat yang dapat menjawab beberapa pertanyaan kunci seputar keunikan alam semesta yang terus berkembang,” lanjut Wiltshire. “Dengan data baru, misteri terbesar alam semesta dapat terkuak pada akhir dekade ini.”
Ke depan, beberapa proyek astronomi besar, termasuk teleskop luar angkasa Euclid dan Observatorium Vera C. Rubin, akan menyediakan data dalam jumlah yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk menguji lebih lanjut gagasan ini. Pengamatan ini secara pasti dapat menentukan apakah kosmologi rentang waktu benar-benar menawarkan gambaran yang lebih baik tentang alam semesta kita dibandingkan model standar.
Satelit Euclid milik Badan Antariksa Eropa, yang diluncurkan pada Juli 2023, dan Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman yang akan datang akan sangat penting dalam mengumpulkan data baru. Menurut Profesor Wiltshire, “Dengan data baru, misteri terbesar alam semesta dapat terkuak pada akhir dekade ini.” Namun, menguji teori-teori yang bersaing ini memerlukan setidaknya 1.000 observasi supernova berkualitas tinggi.
Meskipun penelitian ini tidak secara pasti menyelesaikan semua pertanyaan tentang ekspansi kosmik, penelitian ini menawarkan alternatif menarik terhadap energi gelap yang selaras dengan relativitas umum Einstein dan pengamatan kita terhadap struktur alam semesta. Dengan semakin banyaknya data yang tersedia dari teleskop dan survei baru, kita mungkin menemukan bahwa misteri terbesar dalam kosmologi modern bukanlah mengapa perluasan alam semesta semakin cepat, melainkan bagaimana persepsi kita tentang waktu dan ruang dalam skala kosmik mempengaruhi pengukuran kita terhadap perluasan tersebut.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Tim peneliti menganalisis katalog Pantheon+ yang berisi 1.690 observasi supernova yang mewakili 1.535 supernova unik. Mereka mengembangkan kerangka statistik baru yang secara khusus menghindari asumsi yang terkait dengan model standar Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM). Inovasi utamanya adalah perlakuan terhadap matriks kovarians data – mereka merekonstruksi matriks tersebut agar independen dari asumsi model kosmologis, khususnya yang berkaitan dengan kecepatan khusus. Hal ini memungkinkan adanya perbandingan yang lebih adil antara kosmologi bentang waktu dan model standar. Tim juga memperkenalkan metode statistik baru untuk menyempurnakan analisis kurva cahaya supernova Tipe Ia, dengan fokus khusus pada parameter yang memengaruhi pengukuran kecerahan.
Hasil Utama
Analisis tersebut mengungkapkan beberapa temuan penting. Tim tersebut mengidentifikasi “skala homogenitas statistik” pada pergeseran merah sebesar 0,075, jauh lebih besar dari perkiraan sebelumnya. Dalam menganalisis bukti Bayesian, mereka menemukan bahwa kosmologi rentang waktu memberikan kesesuaian data secara keseluruhan yang lebih baik dibandingkan ΛCDM untuk subsampel data tertentu. Yang penting, ketika memeriksa data di luar skala homogenitas ini, hasilnya menunjukkan pola yang konsisten dan selaras dengan prediksi rentang waktu. Studi ini menemukan berbagai tingkat dukungan statistik untuk timescape tergantung pada subkumpulan data mana yang dianalisis, dengan beberapa subkumpulan menunjukkan bukti kuat yang mendukung timescape sementara subkumpulan lainnya menunjukkan dukungan yang lebih sederhana.
Keterbatasan Studi
Pertama, analisis ini tidak dapat mencakup koreksi bias tertentu yang biasanya digunakan dalam studi supernova, karena koreksi ini mengasumsikan kerangka kerja ΛCDM standar. Tim juga harus mengecualikan 15 supernova dari analisis mereka karena kendala statistik. Selain itu, penelitian ini mencatat bahwa temuan mereka dengan sampel penuh menunjukkan hasil yang berbeda dari subsampel yang lebih kecil, sehingga menunjukkan kemungkinan efek seleksi yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut. Penelitian ini juga mengakui bahwa meskipun hasil penelitian mereka menantang kebutuhan akan energi gelap, namun mereka tidak secara pasti mengesampingkan hal tersebut.
Diskusi & Kesimpulan
Studi ini menunjukkan potensi perubahan paradigma dalam cara kita memahami ekspansi kosmik. Daripada membutuhkan energi gelap yang misterius, percepatan yang diamati mungkin dihasilkan dari cara kita mengukur jarak dan waktu kosmik di wilayah ruang angkasa yang sangat berbeda. Penelitian ini memberikan kemungkinan penyelesaian terhadap ketegangan Hubble dan teka-teki kosmologis lainnya. Namun, tim menekankan bahwa konfirmasi pasti memerlukan data tambahan dari survei mendatang. Pekerjaan mereka juga menyoroti pentingnya memeriksa asumsi mendasar dalam model kosmologis, khususnya mengenai bagaimana kita melakukan rata-rata terhadap struktur kosmik.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini didukung oleh Marsden Fund yang dikelola oleh Royal Society of New Zealand, Te Aparangi, dengan hibah M1271 dan M1255. Dukungan tambahan datang dari Rutherford Foundation Postdoctoral Fellowship dan German Academic Exchange Service. Para peneliti menyatakan tidak ada kepentingan yang bersaing. Studi ini memanfaatkan kolaborasi dengan tim Pantheon+, yang memberikan data penting dan masukan mengenai detail implementasi.