Pengetahuan kita tentang alam semesta telah mencapai titik kritis

Selama beberapa tahun terakhir, serangkaian kontroversi telah mengguncang bidang kosmologi yang mapan. Singkatnya, prediksi model standar alam semesta tampaknya bertentangan dengan beberapa pengamatan terkini.

Ada perdebatan sengit tentang apakah pengamatan ini bias, atau apakah model kosmologi, yang memprediksi struktur dan evolusi seluruh alam semesta, mungkin perlu dipikirkan ulang. Beberapa bahkan mengklaim bahwa kosmologi sedang dalam krisis. Saat ini, kita tidak tahu pihak mana yang akan menang. Namun yang menarik, kita hampir menemukannya.

Agar adil, kontroversi hanyalah proses normal dari metode ilmiah. Dan selama bertahun-tahun, model kosmologi standar telah mengalaminya. Model ini menunjukkan bahwa alam semesta terdiri dari 68,3% “energi gelap” (zat tak dikenal yang menyebabkan perluasan alam semesta semakin cepat), 26,8% materi gelap (bentuk materi tak dikenal) dan 4,9% atom biasa, yang diukur dengan sangat tepat dari latar belakang gelombang mikro kosmik – sisa-sisa radiasi dari Big Bang.

Ia berhasil menjelaskan banyak sekali data dalam skala besar maupun kecil di alam semesta. Misalnya, ia dapat menjelaskan hal-hal seperti distribusi galaksi di sekitar kita dan jumlah helium dan deuterium yang terbentuk dalam beberapa menit pertama alam semesta. Mungkin yang terpenting, ia juga dapat menjelaskan latar belakang gelombang mikro kosmik dengan sempurna.

Hal ini menyebabkannya mendapat reputasi sebagai “model konkordansi”. Namun badai pengukuran yang tidak konsisten – atau “ketegangan” sebagaimana dikenal dalam kosmologi – kini mempertanyakan validitas model yang sudah lama ada ini.

Ketegangan yang tidak nyaman

Model standar membuat asumsi khusus tentang sifat energi gelap dan materi gelap. Namun, meskipun telah dilakukan pengamatan intensif selama puluhan tahun, kita tampaknya masih belum bisa memahami dari apa materi gelap dan energi gelap itu terbentuk.

Ujian lakmus adalah apa yang disebut tegangan Hubble. Ini berkaitan dengan konstanta Hubble, yang merupakan laju ekspansi alam semesta saat ini. Ketika diukur di alam semesta lokal terdekat kita, dari jarak ke bintang-bintang yang berdenyut di galaksi-galaksi terdekat, yang disebut Cepheid, nilainya adalah 73 km/s/Mega parsec (Mpc adalah satuan ukuran untuk jarak di ruang antargalaksi). Namun, ketika diprediksi secara teoritis, nilainya adalah 67,4 km/s/Mpc. Perbedaannya mungkin tidak besar (hanya 8%), tetapi secara statistik signifikan.

Ketegangan Hubble mulai diketahui sekitar satu dekade lalu. Saat itu, pengamatan dianggap bias. Misalnya, Cepheid, meskipun sangat terang dan mudah dilihat, berdesakan dengan bintang lain, yang dapat membuatnya tampak lebih terang. Hal ini dapat membuat konstanta Hubble lebih tinggi beberapa persen dibandingkan dengan prediksi model, sehingga menciptakan ketegangan secara artifisial.

Dengan munculnya Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST), yang dapat memisahkan bintang-bintang secara individual, diharapkan kita akan memiliki jawaban untuk ketegangan ini.

Sayangnya, hal ini belum terjadi. Para astronom kini menggunakan dua jenis bintang lain selain bintang Cepheid (dikenal sebagai bintang Ujung Cabang Raksasa Merah (TRGB) dan bintang Cabang Raksasa Asimtotik Wilayah-J (JAGB)). Namun, sementara satu kelompok telah melaporkan nilai dari bintang JAGB dan TRGB yang sangat mendekati nilai yang diharapkan dari model kosmologi, kelompok lain mengklaim bahwa mereka masih melihat ketidakkonsistenan dalam pengamatan mereka. Sementara itu, pengukuran Cepheid terus menunjukkan ketegangan Hubble.

Penting untuk dicatat bahwa meskipun pengukuran ini sangat tepat, pengukuran tersebut mungkin masih bias oleh beberapa efek yang secara unik terkait dengan setiap jenis pengukuran. Hal ini akan memengaruhi keakuratan pengamatan, dengan cara yang berbeda untuk setiap jenis bintang. Pengukuran yang tepat tetapi tidak akurat seperti mencoba berbicara dengan seseorang yang selalu kehilangan inti permasalahan. Untuk menyelesaikan ketidaksepakatan antara data yang saling bertentangan, kita memerlukan pengukuran yang tepat dan akurat.

Kabar baiknya adalah bahwa ketegangan Hubble kini menjadi cerita yang berkembang pesat. Mungkin kita akan mendapatkan jawabannya dalam waktu sekitar satu tahun ke depan. Meningkatkan keakuratan data, misalnya dengan menyertakan bintang-bintang dari galaksi yang lebih jauh, akan membantu menyelesaikan masalah ini. Demikian pula, pengukuran riak-riak dalam ruangwaktu yang dikenal sebagai gelombang gravitasi juga akan dapat membantu kita menentukan konstanta tersebut.

Semua ini mungkin membenarkan model standar. Atau mungkin mengisyaratkan bahwa ada sesuatu yang hilang darinya. Mungkin sifat materi gelap atau cara gravitasi berperilaku pada skala tertentu berbeda dengan apa yang kita yakini sekarang. Namun, sebelum mengabaikan model tersebut, kita harus mengagumi ketepatannya yang tak tertandingi. Model itu hanya meleset paling banyak beberapa persen, sementara mengekstrapolasi lebih dari 13 miliar tahun evolusi.

Untuk memperjelasnya, bahkan gerakan planet-planet dalam Tata Surya hanya dapat dihitung secara akurat selama kurang dari 1 miliar tahun, setelah itu gerakan tersebut menjadi tidak dapat diprediksi. Model kosmologi standar adalah mesin yang luar biasa.

Ketegangan Hubble bukan satu-satunya masalah bagi kosmologi. Ketegangan lain, yang dikenal sebagai “ketegangan S8”, juga menimbulkan masalah, meskipun tidak pada skala yang sama. Di sini, model tersebut memiliki masalah kehalusan dengan memperkirakan bahwa materi di alam semesta seharusnya lebih berkelompok daripada yang sebenarnya kita amati – sekitar 10%. Ada berbagai cara untuk mengukur “keberkelompokan” materi, misalnya, dengan menganalisis distorsi cahaya dari galaksi yang dihasilkan oleh materi gelap yang diasumsikan mengganggu sepanjang garis pandang.

Saat ini, tampaknya ada konsensus di komunitas bahwa ketidakpastian dalam pengamatan harus diurai terlebih dahulu sebelum mengesampingkan model kosmologi. Salah satu cara yang mungkin untuk meredakan ketegangan ini adalah dengan lebih memahami peran angin gas di galaksi, yang dapat mendorong keluar sebagian materi, sehingga menjadi lebih halus.

Memahami bagaimana pengukuran kegumpalan pada skala kecil berhubungan dengan skala yang lebih besar akan membantu. Pengamatan mungkin juga menunjukkan perlunya mengubah cara kita memodelkan materi gelap. Misalnya, jika alih-alih seluruhnya terbuat dari partikel dingin yang bergerak lambat, seperti yang diasumsikan model standar, materi gelap dapat tercampur dengan beberapa partikel panas yang bergerak cepat. Ini dapat memperlambat pertumbuhan kegumpalan pada akhir masa kosmik, yang akan meredakan ketegangan S8.

JWST telah menyoroti tantangan lain terhadap model standar. Salah satunya adalah bahwa galaksi-galaksi awal tampak jauh lebih masif daripada yang diperkirakan. Beberapa galaksi mungkin memiliki berat yang sama dengan Bima Sakti saat ini, meskipun galaksi-galaksi tersebut terbentuk kurang dari 1 miliar tahun setelah Big Bang, yang menunjukkan bahwa galaksi-galaksi tersebut seharusnya memiliki massa yang lebih kecil.

Akan tetapi, implikasi terhadap model kosmologi kurang jelas dalam kasus ini, karena mungkin ada penjelasan lain yang memungkinkan untuk hasil yang mengejutkan ini. Kunci untuk memecahkan masalah ini adalah dengan meningkatkan pengukuran massa bintang di galaksi. Daripada mengukurnya secara langsung, yang tidak mungkin dilakukan, kami menyimpulkan massa ini dari cahaya yang dipancarkan oleh galaksi.

Langkah ini melibatkan beberapa asumsi penyederhanaan, yang dapat mengakibatkan perkiraan massa yang terlalu tinggi. Baru-baru ini, juga telah dikemukakan bahwa sebagian cahaya yang dikaitkan dengan bintang-bintang di galaksi-galaksi ini dihasilkan oleh lubang hitam yang kuat. Ini menyiratkan bahwa galaksi-galaksi ini mungkin tidak terlalu masif.

Teori alternatif

Jadi, bagaimana keadaan kita sekarang? Meskipun beberapa ketegangan mungkin akan segera dijelaskan oleh pengamatan yang lebih banyak dan lebih baik, belum jelas apakah akan ada penyelesaian untuk semua tantangan yang menghantam model kosmologi.

Namun, tidak ada kekurangan ide-ide teoritis tentang cara memperbaiki model tersebut – mungkin terlalu banyak, dalam kisaran beberapa ratus dan terus bertambah. Itu adalah tugas yang membingungkan bagi setiap ahli teori yang mungkin ingin menjelajahi semuanya.

Kemungkinannya banyak. Mungkin kita perlu mengubah asumsi kita tentang sifat energi gelap. Mungkin itu adalah parameter yang bervariasi seiring waktu, yang ditunjukkan oleh beberapa pengukuran terkini. Atau mungkin kita perlu menambahkan lebih banyak energi gelap ke model untuk meningkatkan perluasan alam semesta pada masa awal, atau, sebaliknya, pada masa akhir. Memodifikasi bagaimana gravitasi berperilaku pada skala besar alam semesta (berbeda dari yang dilakukan dalam model yang disebut Dinamika Newton yang Dimodifikasi, atau MOND) mungkin juga menjadi pilihan.

Namun, sejauh ini, tidak satu pun dari alternatif ini dapat menjelaskan berbagai macam pengamatan yang dapat dijelaskan oleh model standar. Yang lebih mengkhawatirkan, beberapa di antaranya dapat membantu mengatasi satu ketegangan tetapi memperburuk ketegangan lainnya.

Kini pintu terbuka bagi segala macam ide yang menantang bahkan prinsip paling dasar kosmologi. Misalnya, kita mungkin perlu meninggalkan asumsi bahwa alam semesta itu “homogen dan isotropik” pada skala yang sangat besar, yang berarti alam semesta tampak sama ke segala arah bagi semua pengamat dan menyiratkan tidak ada titik khusus di alam semesta. Yang lain mengusulkan perubahan pada teori relativitas umum.

Beberapa orang bahkan membayangkan alam semesta penipu, yang berpartisipasi dengan kita dalam tindakan pengamatan, atau yang mengubah penampilannya tergantung pada apakah kita melihatnya atau tidak – sesuatu yang kita tahu terjadi di dunia kuantum atom dan partikel.

Pada waktunya, banyak dari ide-ide ini kemungkinan akan terdegradasi ke dalam lemari keingintahuan para ahli teori. Namun sementara itu, mereka menyediakan lahan yang subur untuk menguji “fisika baru”.

Ini adalah hal yang baik. Jawaban atas ketegangan ini niscaya akan datang dari lebih banyak data. Dalam beberapa tahun ke depan, kombinasi pengamatan yang kuat dari berbagai eksperimen seperti JWST, Dark Energy Spectroscopy Instrument (DESI), Vera Rubin Observatory, dan Euclid, di antara banyak lainnya, akan membantu kita menemukan jawaban yang telah lama dicari.

Titik kritis

Di satu sisi, data yang lebih akurat dan pemahaman yang lebih baik tentang ketidakpastian sistematis dalam pengukuran dapat mengembalikan kita pada kenyamanan model standar yang meyakinkan. Dari masalah-masalah masa lalunya, model tersebut mungkin muncul tidak hanya dengan pembenaran, tetapi juga penguatan, dan kosmologi akan menjadi ilmu yang tepat dan akurat.

Namun, jika keseimbangannya terbalik, kita akan dibawa ke wilayah yang belum dipetakan, di mana fisika baru harus ditemukan. Hal ini dapat menyebabkan pergeseran paradigma besar dalam kosmologi, mirip dengan penemuan perluasan alam semesta yang dipercepat pada akhir tahun 1990-an. Namun, di jalur ini, kita mungkin harus memperhitungkan, sekali dan untuk selamanya, sifat energi gelap dan materi gelap, dua misteri besar alam semesta yang belum terpecahkan.