Penghargaan Nobel Fisika 2019 diberikan kepada James Peebles, Michel Mayor dan Didier Queloz. Ketiganya telah memberikan kontribusi yang sangat besar dalam menjawab pertanyaan mendasar tentang eksistensi kita:
Apa yang terjadi di awal kelahiran alam semesta ini dan apa yang akan terjadi selanjutnya?
Apakah ada planet lain di luar sana yang mengelilingi sebuah matahari lain selain matahari kita?
Jawaban atas pertanyaan yang pertama diberikan oleh James Peebles sedangkan pertanyaan kedua adalah hasil kerja Mayor dan Queloz.
James Peebles telah merengkuh kosmos, dengan miliaran galaksi dan kluster-kluster galaksi di dalamnya. Kerangka teoritisnya yang telah dikembangkannya selama dua dekade. Sejak pertengahan tahun 1960-an. Teorinya merupakan fondasi pemahaman modern kita tentang sejarah alam semesta, sejak Big Bang hingga saat ini.
Penemuan Peebles telah memberi kita wawasan mengenai lingkungan sekitar kosmis kita. Pada lingkungan di sekitar kosmis kita, materi diketahui hanya 5% dari semua materi dan energi yang terkandung di alam semesta ini. Sisanya yang 95% tersembunyi dari kita. Sisa ini menjadi sebuah misteri dan tantangan untuk fisika modern.
Di sisi lain, Michel Mayor dan Didier Queloz telah mengeksplorasi galaksi kediaman kita, galaksi Bima Sakti, dan mencari keberadaan dunia asing yang mungkin kita tidak ketahui. Pada tahun 1995 keduanya menemukan keberadaan sebuah planet di luar sistem tata surya kita, yang disebut eksoplanet. Planet asing ini mengelilingi sebuah bintang setipe matahari.
Belakangan, lebih dari 4000 eksoplanet menyusul diketahui. Sungguh mengejutkan, bentuk seluruh eksoplanet ini sangat beragam. Kebanyakan tidak sama dengan planet yang kita tempati termasuk mataharinya, dan planet-planet lainnya. Penemuan ini telah mendorong peneliti untuk mengembangkan sebuah teori baru tentang proses-proses fisis yang bertanggung jawab pada proses kelahiran planet-planet.
Lompat baca ke bagian berikut :
Dimulainya Kosmologi Big Bang
Lima dekade terakhir merupakan usia keemasan kosmologi, sebuah studi tentang asal-usul alam semesta dan evolusinya. Pada tahun 1960-an, sebuah yayasan didirikan untuk mengubah kosmologi yang pada awalnya berupa spekulasi-spekulasi ilmiah diubah menjadi sains. Tokoh kunci dari perubahan ini adalah James Peebles, yang atas hasil temuannya menyebabkan kosmologi memiliki tempat tersendiri dalam peta ilmiah, memperkaya khasanah bidang penelitian.
Buku pertamanya, Physical Cosmology (1971), menginspirasi seluruh generasi muda baru fisikawan untuk berkontribusi pada pengembangan subjek tersebut, bukan hanya melalui pembahasan teoritis, tetapi juga melalui observasi dan pengamatan. Hanya sains, bukan yang lainnya, yang akan menjawab pertanyaan abadi tentang dari mana kita berasal dan akan ke mana kita selanjutnya. Oleh karena itu kosmologi harus dibebaskan dari konsep-konsep manusia seperti iman dan makna. Hal ini menggemakan kembali kata-kata Albert Einstein pada abad sebelumnya bahwa misteri alam semesta ini sesungguhnya terletak pada kesempurnaannya.
Sejarah tentang alam semesta, sebuah narasi ilmiah tentang evolusi kosmos, telah diketahui sejak ratusan tahun yang lalu. Pada masa-masa tersebut, alam semesta dianggap bersifat stasioner dan abadi. Tetapi pada tahun 1920-an, astronom menemukan bahwa semua galaksi-galaksi ternyata sedang bergerak saling menjauhi satu sama lain dan bergerak menjauhi kita. Alam semesta ini sedang berkembang. Sekarang, kita mengetahui bahwa alam semesta hari ini berbeda dengan alam semesta yang kemarin dan tentu akan berbeda juga dengan alam semesta mendatang.
Apa yang astronom saksikan saat ini sebenarnya telah diprediksi oleh teori Relativitas Umum Albert Einstein sejak tahun 1916. Saat itu, ketika Einstein menemukan bahwa teori Relativitas Umum ini akan membawa kita pada kesimpulan bahwa alam semesta ternyata akan menuju pada keruntuhan, Einstein menambahkan sebuah konstanta pada persamaannya (disebut konstanta kosmologi). Konstanta ini mengimbangi pengaruh gravitasi dan menyebabkan semesta kita tetap seperti ini.
Satu dekade kemudian, ketika ternyata pengembangan alam semesta ini benar-benar terjadi dan teramati, konstanta kosmologi ini akhirnya tidak lagi diperlukan. Einstein menyadari hal ini sebagai kesalahan terbesar dalam hidupnya. Tetapi Einstein sama sekali tidak akan pernah menduga bahwa konstanta kosmologi itu akan mengalami ‘reinkarnasi’ dalam kosmologi pada tahun 1980-an, melalui kontribusi James Peebles.
Radiasi Pertama Alam Semesta Pengungkap Rahasia
Alam semesta yang memuai mengandung arti bahwa alam semesta ini pada mulanya memiliki temperatur dan kepadatan yang jauh lebih tinggi dibandingkan keadaan sekarang. Pada pertengahan abad ke-20, kelahiran alam semesta ini diberi nama Big Bang. Tak seorang pun yang mengetahui apa yang terjadi pada tahap-tahap paling awal dari peristiwa tersebut, tetapi terdapat cukup petunjuk bahwa alam semesta pada masa-masa awal ini sangat padat, panas, dan merupakan sup partikel tak tembus cahaya di mana partikel-partikel cahaya, foton, hanya terpental-pental di dalamnya tanpa bisa melepaskan diri.
Perlu sekitar 400.000 tahun pemuaian agar sup purba ini mendingin mencapai temperatur ribuan derajat Celsius. Pada temperatur ini, partikel-partikel awal akan dapat bergabung, membentuk sebuah gas yang transparan yang pada dasarnya terdiri atas atom-atom hidrogen dan helium. Pada masa itu, foton mulai bergerak bebas dan cahaya pun mampu bergerak melintasi ruang.
Sinar-sinar awal kelahiran semesta ini masih mengisi kosmos. Pengembangan ruang telah menyebabkan peregangan gelombang cahaya tampak sehingga ujung gelombang ini berakhir dalam daerah spektrum gelombang mikro yang tidak tampak, dengan panjang gelombang beberapa milimeter.
Pijaran yang berasal dari kelahiran alam semesta ini pertama kali ditangkap secara kebetulan pada tahun 1964 oleh dua orang astronom radio Amerika, yang juga menerima penghargaan Nobel Fisika pada tahun 1978, yaitu Arno Penzias dan Robert Wilson. Saat itu mereka terganggu oleh suara-suara bising yang terjadi secara konstan yang selalu ditangkap oleh antena mereka. Suara-suara bising ini berasal dari seluruh ruang dan tidak dapat dihilangkan.
Mereka lalu berupaya mencari penjelasan tentang keberadaan gangguan tersebut berdasarkan hasil penelitian peneliti lainnya, termasuk hasil penelitian James Peebles.
Peebles sendiri telah melakukan perhitungan teoritis tentang radiasi latar belakang yang mengisi seluruh ruang ini. Dari sejumlah hasil penelitian, diperkirakan bahwa setelah hampir 14 milyar tahun, temperatur awal sup purba telah turun hingga hampir mencapai nol mutlak (-273 oC).
Terobosan besar terjadi saat Peebles menyadari bahwa temperatur radiasi ini dapat memberikan informasi tentang berapa banyak materi telah tercipta selama Big Bang, dan memahami bahwa pelepasan radiasi ini memainkan peran yang menentukan dalam proses bagaimana materi selanjutnya dapat menggumpal membentuk galaksi dan kluster-kluster galaksi yang sekarang ini tampak dalam ruang semesta.
Penemuan radiasi gelombang mikro mengantarkan kita pada era baru kosmologi. Radiasi masa lampau pada masa awal pertumbuhan alam semesta telah menjadi sebuah tambang emas yang mengandung jawaban untuk hampir semua hal yang ingin diketahui oleh kosmologi:
Sudah berapa lama usia alam semesta ini?
Apa takdir alam semesta ini?
Berapa banyak materi dan energi yang ada dalam alam semesta kita ini?
Ilmuwan dapat menemukan jejak momen-momen paling awal alam semesta ini dari sisa radiasi yang telah mendingin ini. Jejak tersebut berupa variasi-variasi kecil yang merambat dalam bentuk gelombang suara melalui sup purba awal tersebut. Tanpa variasi-variasi kecil ini, kosmos, yang awalnya berupa sebuah bola api panas, mungkin telah mengalami pendinginan dan menjadi ruang hampa yang dingin dan seragam.
Kita tahu hal ini tidak terjadi. Justru ruang angkasa dipenuhi oleh galaksi-galaksi, dan bahwa beberapa galaksi-galaksi ini berkumpul membentuk kluster galaksi.
Radiasi latar belakang memiliki sifat yang halus, sehalus permukaan lautan; di mana gelombang tampak di atasnya, beriak-riak yang mengungkap perubahan-perubahan pada semesta paling awal.
Dari waktu ke waktu, James Peebles telah memimpin proses interpretasi jejak-jejak fosil ini mulai pada epos paling awal alam semesta ini. Dengan akurasi yang mengagumkan, para ahli kosmologi mampu memprediksi variasi radiasi latar belakang dan menunjukkan bagaimana radiasi latar belakang ini mempengaruhi materi dan energi di alam semesta ini.
Terobosan hasil pengamatan yang paling besar terjadi pada bulan April 1992, saat peneliti utama di proyek satelit COBE Amerika menyajikan sebuah gambar berkas sinar pertama yang terpancar di alam semesta ini (hasil ini telah mengantarkan John Mather dan George Smoot memperoleh nobel fisika tahun 2006). Satelit lainnya, WMAP Amerika dan Planck Eropa, secara gradual melakukan perbaikan potret semesta saat masih berusia sangat muda. Tepat seperti yang diprediksi bahwa selain radiasi latar belakang, juga telah terjadi perubahan temperatur sebesar 1/100 000-an derajat. Dengan ketelitian yang kian meningkat, perhitungan teoritis mengenai jumlah materi dan energi yang terkandung dalam alam semesta ini terkonfirmasi, di mana kebanyakan dari materi ini, 95%, tidak tampak bagi kita.
Materi Gelap dan Energi Gelap – Misteri Terbesar Kosmologi
Sejak tahun 1930-an, kita menyadari bahwa tidak semua yang ada dalam semesta ini terlihat bagi kita. Pengukuran kecepatan rotasi galaksi menunjukkan bahwa galaksi-galaksi tersebut harus terikat ke sebuah materi yang tak tampak melalui gaya gravitasi. Jika tidak, maka galaksi-galaksi tersebut akan terlempar. Juga dianggap bahwa materi gelap ini memainkan peran yang penting terhadap asal-usul galaksi, jauh sebelum sup purba melepaskan tarikannya terhadap foton.
Komposisi materi gelap masih menjadi salah satu misteri terbesar kosmologi. Ilmuwan telah lama meyakini bahwa neutrino yang telah dikenali saat itu, bisa saja merupakan penyusun dari materi gelap ini. Tetapi akan dibutuhkan jumlah neutrino yang tak terbayangkan jumlahnya dengan massanya yang kecil dan bergerak dalam ruang dengan kecepatan hampir sama dengan kecepatan cahaya, dan kecepatan ini masih sangat jauh dari kecepatan yang diperlukan untuk dapat membantu menahan galaksi-galaksi secara bersama-sama.
Sebagai jalan keluarnya, pada tahun 1982, Peebles kembali memberikan kontribusinya dengan mengajukan gagasan bahwa yang menahan materi ini adalah partikel-partikel dari materi gelap yang bersifat dingin, bergerak pelan, dan berat.
Saat ini, kita masih mencari partikel materi gelap yang belum diketahui ini, yang ‘menolak’ berinteraksi dengan materi yang telah diketahui dan menyusun 26% alam semesta ini.
Menurut teori relativitas umum Einstein, geometri ruang saling berkaitan dengan gravitasi. Semakin banyak massa dan energi yang terdapat dalam semesta ini, maka kelengkungan ruang akan semakin besar. Pada nilai kritis massa dan energi, alam semesta tidak melengkung. Alam semesta jenis ini, di mana dua garis lurus tidak akan pernah berpotongan di atasnya, biasanya disebut alam semesta datar. Dua opsi lainnya adalah sebuah alam semesta yang mengandung materi yang sangat sedikit, yang menyebabkan sebuah semesta terbuka di mana garis-garis sejajar pada akhirnya akan divergen (menyebar), atau sebuah alam semesta yang tertutup yang mengandung materi yang sangat banyak, dimana garis-garis yang sejajar pada akhirnya akan berpotongan.
Pengukuran radiasi latar belakang kosmik, termasuk apa yang telah diperoleh secara teoritis, telah memberikan jawaban yang terang bahwa alam semesta ini berbentuk datar. Namun demikian, materi yang terkandung dalam alam semesta ini hanya 31% dari jumlah kritisnya, 5% dari 31% ini adalah materi biasa, dan 26% sisanya adalah materi gelap. Sisanya, yang lebih banyak, sebesar 69% tidak diketahui.
James Peebles sekali lagi memberikan solusi yang radikal. Pada tahun 1984, Peebles berkontribusi dalam menghidupkan kembali konstanta kosmologi Einstein, yang merupakan energi ruang kosong. Energi ruang kosong ini diberi nama energi gelap dan mengisi 69% kosmos. Bersama dengan materi gelap yang dingin dan materi biasa, energi gelap ini cukup untuk mendukung ide alam semesta yang datar.
Energi gelap hanya menjadi sebatas teori selama 14 tahun, hingga akhirnya percepatan pengembangan alam semesta ditemukan pada tahun 1998 (Nobel fisika 2011 kepada Saul Perlmutter, Brian Schmidt and Adam Riess). Sesuatu selain materi haruslah bertanggung jawab terhadap pengembangan semesta yang berlangsung cepat ini –terdapat sebuah energi gelap yang tidak diketahui sedang mendorong alam semesta ini. Tiba-tiba saja, tambahan teoritis ini, yaitu dugaan keberadaan energi gelap, menjadi kenyataan yang dapat diamati di langit.
Baik materi gelap maupun energi gelap sekarang menjadi misteri terbesar di alam semesta ini. Satu-satunya yang membuat keduanya diketahui adalah pengaruh yang ditimbulkannya terhadap sekitarnya –satunya menarik, satunya mendorong. Selain itu, tidak banyak yang diketahui. Rahasia apa yang tersembunyi pada sisi gelap dari alam semesta ini? Fisika baru apa yang tersembunyi dibalik hal-hal yang tidak diketahui ini? Apa lagi yang akan kita temukan dalam upaya kita mencari penyelesaian misteri alam semesta ini?
(Sumber: disadur dari https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/popular-information/)
