Pada awal tahun 2000-an, tampaknya para kosmolog telah memecahkan teka-teki terbesar dan paling rumit: bagaimana alam semesta bekerja.

“Ada momen luar biasa ketika tiba-tiba semua bagian dalam kosmologi menyatu,” katanya J.Colin Hill, seorang kosmolog teoretis di Universitas Columbia.

Semua cara mempelajari alam semesta – memetakan galaksi dan strukturnya yang lebih besar, menangkap ledakan bintang yang dahsyat yang disebut supernova, menghitung jarak ke bintang-bintang variabel, mengukur sisa cahaya kosmik dari alam semesta awal – menceritakan kisah-kisah yang “tampaknya tumpang tindih,” kata Hill.

Perekat yang menyatukan kisah-kisah tersebut telah ditemukan beberapa tahun sebelumnya, pada tahun 1998: energi gelap, sebuah kekuatan misterius yang, alih-alih merekatkan kosmos, justru menyebabkannya mengembang lebih cepat dan bukannya melambat seiring berjalannya waktu. Ketika para ilmuwan memasukkan sesuatu kosmik ini ke dalam model alam semesta mereka, teori dan observasi saling menyatu. Mereka merancang apa yang sekarang dikenal sebagai model standar kosmologi, yang disebut Lambda-CDM, di mana energi gelap membentuk hampir 70% alam semesta, sementara entitas gelap misterius lainnya – sejenis massa tak kasat mata yang tampaknya hanya berinteraksi dengan materi normal. melalui gravitasi — mencapai sekitar 25%. 5% sisanya adalah segala sesuatu yang dapat kita lihat: bintang, planet, dan galaksi yang telah dipelajari para astronom selama ribuan tahun.

Namun momen ketenangan itu hanyalah jeda singkat di antara masa-masa perjuangan. Ketika para astronom melakukan pengamatan yang lebih tepat terhadap alam semesta sepanjang rentang waktu kosmik, retakan mulai muncul pada model standar. Beberapa tanda pertama adanya masalah datang dari pengukuran bintang variabel dan supernova di beberapa galaksi terdekat — pengamatan yang, jika dibandingkan dengan sisa cahaya kosmik, menunjukkan bahwa alam semesta kita bekerja dengan aturan yang berbeda dari yang kita duga, dan bahwa parameter kosmologis penting yang menentukan seberapa cepat alam semesta terbang terpisah berubah ketika Anda mengukurnya dengan tolok ukur yang berbeda.

Para kosmolog punya masalah — sesuatu yang mereka sebut ketegangan, atau, dalam momen yang lebih dramatis, a krisis.

Pengukuran yang sumbang tersebut menjadi lebih jelas dalam satu dekade atau lebih sejak retakan pertama muncul. Dan perbedaan ini bukanlah satu-satunya tantangan bagi model standar kosmologi. Pengamatan terhadap galaksi menunjukkan hal tersebut struktur kosmik telah berkumpul bersama seiring waktu mungkin berbeda dari pemahaman terbaik kita tentang bagaimana alam semesta saat ini seharusnya tumbuh dari benih yang tertanam di awal kosmos. Dan ketidakcocokan yang lebih halus lagi muncul dari studi mendetail tentang cahaya paling awal di alam semesta.

Banyak sekali inkonsistensi lainnya. “Ada banyak masalah yang lebih kecil di tempat lain,” katanya Eleonora Di Valentino, seorang kosmolog teoretis di Universitas Sheffield. “Inilah mengapa ini membingungkan. Karena bukan hanya masalah besar ini saja.”

Untuk meredakan ketegangan ini, para kosmolog mengambil dua pendekatan yang saling melengkapi. Pertama, mereka terus melakukan pengamatan kosmos dengan lebih tepat, dengan harapan data yang lebih baik akan memberikan petunjuk bagaimana melanjutkannya. Selain itu, mereka menemukan cara untuk sedikit mengubah model standar untuk mengakomodasi hasil yang tidak diharapkan. Namun solusi-solusi ini sering kali dibuat-buat, dan jika solusi-solusi tersebut menyelesaikan satu masalah, sering kali justru memperburuk masalah lainnya.

“Situasi saat ini tampak seperti kekacauan besar,” kata Hill. “Saya tidak tahu harus berbuat apa.”

Cahaya Melengkung

Untuk mengkarakterisasi alam semesta kita, para ilmuwan menggunakan sejumlah angka, yang oleh para kosmolog disebut sebagai parameter. Entitas fisik yang dirujuk oleh nilai-nilai ini adalah semua roda gigi dalam mesin kosmik raksasa, yang setiap bitnya terhubung satu sama lain.

Salah satu parameter tersebut berkaitan dengan seberapa kuat massa menggumpal. Hal ini, pada gilirannya, memberi tahu kita sesuatu tentang cara kerja energi gelap, seiring percepatan dorongan keluarnya yang bertentangan dengan tarikan gravitasi massa kosmik. Untuk mengukur kegumpalan, para ilmuwan menggunakan variabel yang disebut S₈. Jika nilainya nol, maka alam semesta tidak memiliki variasi dan tidak memiliki struktur, jelasnya Sunao Sugiyama, seorang kosmolog observasional di University of Pennsylvania. Ini seperti padang rumput yang datar dan tidak memiliki ciri, bahkan tidak ada sarang semut yang memecah lanskapnya. Tapi jika S₈ mendekati angka 1, alam semesta ibarat barisan pegunungan yang sangat besar dan bergerigi, dengan gumpalan materi padat yang sangat besar yang dipisahkan oleh lembah kehampaan. Pengamatan yang dilakukan oleh pesawat ruang angkasa Planck terhadap alam semesta awal – tempat benih pertama struktur terbentuk – menemukan nilai sebesar 0.83.

Namun pengamatan terhadap sejarah kosmik terkini kurang sejalan.

Untuk membandingkan penggumpalan di alam semesta saat ini dengan pengukuran di kosmos yang masih bayi, para peneliti mensurvei bagaimana materi didistribusikan di wilayah yang luas di langit.

Menghitung galaksi yang terlihat adalah satu hal. Namun memetakan jaringan tak kasat mata yang menjadi tempat letak galaksi-galaksi tersebut adalah hal lain. Untuk melakukan hal tersebut, para kosmolog mengamati distorsi kecil pada cahaya galaksi, karena jalur yang diambil cahaya saat melintasi kosmos menjadi melengkung karena cahaya dibelokkan oleh gaya gravitasi materi tak kasat mata.

Dengan mempelajari distorsi ini (dikenal sebagai pelensaan gravitasi lemah), peneliti dapat melacak distribusi materi gelap di sepanjang jalur cahaya. Mereka juga dapat memperkirakan lokasi galaksi. Dengan kedua informasi tersebut, para astronom membuat peta 3D dari massa alam semesta yang terlihat dan tidak terlihat, yang memungkinkan mereka mengukur bagaimana lanskap struktur kosmik berubah dan tumbuh seiring waktu.

Selama beberapa tahun terakhir, tiga survei pelensaan lemah telah memetakan sebagian besar langit: Survei Energi Gelap (DES), yang menggunakan teleskop di gurun Atacama di Chili; Survei Derajat Kilo (KIDS), juga di Chili; dan yang terbaru, survei lima tahun dari Hyper Suprime-Cam (HSC) Teleskop Subaru di Hawai'i.

Beberapa tahun yang lalu, survei DES dan KIDS dilakukan S₈ nilai yang lebih rendah dari nilai Planck — menyiratkan rentang pegunungan yang lebih kecil dan puncak yang lebih rendah dibandingkan dengan sup kosmik purba. Namun hal tersebut hanyalah petunjuk yang menggiurkan mengenai kelemahan pemahaman kita tentang bagaimana struktur kosmik tumbuh dan berkonglomerasi. Para kosmolog membutuhkan lebih banyak data dan sangat menantikan hasil Subaru HSC yang dipublikasikan dalam serangkaian lima makalah pada bulan Desember.

Tim Subaru HSC mensurvei puluhan juta galaksi yang mencakup luas sekitar 416 derajat persegi di langit, atau setara dengan 2,000 bulan purnama. Di petak langit mereka, tim menghitung S₈ nilai 0.78 — sejalan dengan hasil awal survei sebelumnya, dan lebih kecil dari nilai terukur dari pengamatan teleskop Planck terhadap radiasi alam semesta awal. Tim Subaru dengan hati-hati mengatakan bahwa pengukuran mereka hanya “mengisyaratkan” adanya ketegangan karena mereka belum mencapai tingkat signifikansi statistik yang diandalkan para ilmuwan, meskipun mereka berupaya menambahkan observasi tiga tahun lagi ke dalam data mereka.

"Jika ini S₈ ketegangannya bener banget, ada yang belum kita pahami,” kata Sugiyama yang memimpin salah satu analisis Subaru HSC.

Para kosmolog kini meneliti rincian pengamatan untuk mencari tahu sumber ketidakpastian. Sebagai permulaan, tim Subaru memperkirakan jarak ke sebagian besar galaksi berdasarkan warna keseluruhannya, yang dapat menyebabkan ketidakakuratan. “Jika perkiraan jarak [rata-rata] Anda salah, beberapa parameter kosmologis yang Anda pedulikan juga akan salah,” kata anggota tim Rachel Mandelbaum dari Universitas Carnegie Mellon.

Selain itu, pengukuran ini tidak mudah dilakukan, dengan interpretasi yang rumit. Dan perbedaan antara penampakan galaksi yang melengkung dan bentuk sebenarnya – kunci untuk mengidentifikasi massa yang tidak terlihat – seringkali sangat kecil, kata Diana Scognamiglio dari Laboratorium Propulsi Jet NASA. Selain itu, keburaman atmosfer bumi dapat sedikit mengubah bentuk galaksi, yang merupakan salah satu alasan mengapa Scognamiglio memimpin analisis pelensaan lemah menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA.

Menambah kebingungan, para ilmuwan dengan tim DES dan KIDS baru-baru ini menganalisis ulang pengukuran mereka bersama-sama dan berasal an S₈ nilainya lebih dekat dengan hasil Planck.

Jadi untuk saat ini, gambarnya berantakan. Dan beberapa kosmolog belum yakin akan keragamannya S₈ pengukuran berada dalam ketegangan. “Saya rasa tidak ada tanda-tanda yang jelas akan adanya bencana besar di sana,” kata Hill. Namun, tambahnya, “bukan tidak masuk akal bahwa mungkin ada sesuatu yang menarik sedang terjadi.”

Dimana Retakan Terlihat Jelas

Belasan tahun yang lalu, para ilmuwan melihat petunjuk pertama adanya masalah dengan pengukuran parameter kosmologis lainnya. Namun butuh waktu bertahun-tahun untuk mengumpulkan cukup data untuk meyakinkan sebagian besar kosmolog bahwa mereka sedang menghadapi krisis yang serius.

Singkatnya, pengukuran seberapa cepat alam semesta mengembang saat ini — dikenal sebagai konstanta Hubble — tidak sesuai dengan nilai yang Anda peroleh saat melakukan ekstrapolasi dari alam semesta awal. Teka-teki ini dikenal sebagai ketegangan Hubble.

Untuk menghitung konstanta Hubble, para astronom perlu mengetahui seberapa jauh jarak benda-benda tersebut. Di kosmos terdekat, para ilmuwan mengukur jarak menggunakan bintang yang disebut variabel Cepheid yang kecerahannya berubah secara berkala. Ada hubungan yang diketahui antara seberapa cepat salah satu bintang ini berayun dari paling terang ke paling redup dan berapa banyak energi yang dipancarkannya. Hubungan tersebut, yang ditemukan pada awal abad ke-20, memungkinkan para astronom menghitung kecerahan intrinsik sebuah bintang, dan dengan membandingkannya dengan seberapa terang bintang tersebut, mereka dapat menghitung jaraknya.

Dengan menggunakan bintang-bintang variabel ini, para ilmuwan dapat mengukur jarak galaksi hingga sekitar 100 juta tahun cahaya dari kita. Namun untuk melihat lebih jauh, dan lebih jauh ke masa lalu, mereka menggunakan penanda mil yang lebih terang — jenis ledakan bintang tertentu yang disebut supernova tipe Ia. Para astronom juga dapat menghitung kecerahan intrinsik dari “lilin standar” ini, yang memungkinkan mereka mengukur jarak ke galaksi yang berjarak miliaran tahun cahaya.

Selama dua dekade terakhir, pengamatan ini telah membantu para astronom menentukan seberapa cepat alam semesta di dekatnya berkembang: kira-kira 73 kilometer per detik per megaparsec, yang berarti semakin jauh kita melihat, untuk setiap megaparsec (atau 3.26 juta tahun cahaya). ) jaraknya, ruang angkasa terbang lebih cepat 73 kilometer per detik.

Namun nilai itu bertentangan dengan nilai yang berasal dari penguasa lain yang tertanam di alam semesta bayi.

Pada awalnya, alam semesta membakar plasma, sup partikel fundamental dan energi. “Itu adalah kekacauan yang panas,” kata Vivian Poulin-Détolle, seorang kosmolog di Universitas Montpellier.

Sepersekian detik dalam sejarah kosmik, beberapa kejadian, mungkin periode percepatan ekstrem yang dikenal sebagai inflasi, mengirimkan guncangan – gelombang tekanan – melalui plasma keruh.

Kemudian, saat alam semesta mendingin, cahaya yang terperangkap dalam kabut unsur plasma akhirnya terbebas. Cahaya itu – latar belakang gelombang mikro kosmik, atau CMB – mengungkapkan gelombang tekanan awal tersebut, seperti permukaan danau yang membeku yang menempel pada puncak gelombang yang membeku dalam waktu, kata Poulin-Détolle.

Para kosmolog telah mengukur panjang gelombang paling umum dari gelombang tekanan beku tersebut dan menggunakannya untuk menghitung nilai konstanta Hubble sebesar 67.6 km / dtk / Mpc, dengan ketidakpastian kurang dari 1%.

Nilai-nilai yang sangat sumbang ini – sekitar 67 berbanding 73 – telah memicu perdebatan sengit dalam kosmologi yang masih belum terselesaikan.

Para astronom beralih ke penanda mil kosmik independen. Selama enam tahun terakhir, Wendy Freeman dari Universitas Chicago (yang telah mengerjakan konstanta Hubble selama seperempat abad) berfokus pada jenis bintang merah tua yang biasanya hidup di bagian terluar galaksi. Di luar sana, lebih sedikit bintang terang yang tumpang tindih dan lebih sedikit debu dapat menghasilkan pengukuran yang lebih jelas. Dengan menggunakan bintang-bintang tersebut, Freedman dan rekan-rekannya telah mengukur laju ekspansi sekitar 70 km/s/Mpc – “yang sebenarnya cukup sesuai dengan Cepheids,” katanya. “Tapi itu juga cukup sesuai dengan latar belakang gelombang mikro.”

Dia kini beralih ke mata inframerah JWST yang kuat untuk mengatasi masalah tersebut. Bersama rekan-rekannya, dia mengukur jarak ke bintang merah raksasa di 11 galaksi terdekat sekaligus mengukur jarak ke Cepheids dan sejenis bintang karbon yang berdenyut di galaksi yang sama. Mereka berharap untuk mempublikasikan hasilnya pada musim semi ini, namun, katanya, “datanya sudah terlihat sangat spektakuler.”

“Saya sangat tertarik melihat apa yang mereka temukan,” kata Hill, yang berupaya memahami model alam semesta. Akankah pengamatan baru ini memperluas kesenjangan dalam model kosmologi favorit?

Model Baru?

Ketika observasi terus membatasi parameter kosmologis yang penting ini, para ilmuwan mencoba menyesuaikan data tersebut dengan model terbaik mereka tentang cara kerja alam semesta. Mungkin pengukuran yang lebih tepat akan menyelesaikan masalah mereka, atau mungkin ketegangan tersebut hanyalah artefak dari sesuatu yang biasa, seperti keunikan instrumen yang digunakan.

Atau mungkin modelnya salah, dan ide-ide baru – “fisika baru” – akan dibutuhkan.

“Entah kita belum cukup pintar untuk menghasilkan model yang benar-benar cocok untuk segala hal,” kata Hill, atau “mungkin ada banyak ilmu fisika baru yang berperan.”

Apa sajakah itu? Mungkin medan gaya fundamental baru, kata Hill, atau interaksi antar partikel materi gelap yang belum kita pahami, atau bahan baru yang belum menjadi bagian dari gambaran kita tentang alam semesta.

Beberapa model fisika baru mengubah energi gelap, menambahkan gelombang percepatan kosmik pada saat-saat awal alam semesta, sebelum elektron dan proton saling bertabrakan. “Jika laju ekspansi dapat ditingkatkan, hanya sebentar saja di awal alam semesta,” katanya Marc Kamionkowski, seorang kosmolog di Universitas Johns Hopkins, “Anda dapat menyelesaikan ketegangan Hubble.”

Kamionkowski dan salah satu mahasiswa pascasarjananya mengusulkan ide tersebut pada tahun 2016, dan dua tahun kemudian mereka mengajukan ide tersebut menguraikan beberapa tanda tangan yang seharusnya dapat dilihat oleh teleskop latar belakang gelombang mikro kosmik beresolusi tinggi. Dan Teleskop Kosmologi Atacama, yang terletak di sebuah gunung di Chili, memang melihat beberapa sinyal tersebut. Namun sejak itu, ilmuwan lain telah menunjukkan model tersebut menimbulkan masalah dengan pengukuran kosmik lainnya.

Model yang disempurnakan seperti itu, di mana jenis energi gelap tambahan melonjak sesaat dan kemudian menghilang, terlalu rumit untuk menjelaskan apa yang terjadi, kata Dragan Huterer, seorang kosmolog teoretis di Universitas Michigan. Dan usulan solusi lain terhadap ketegangan Hubble cenderung lebih tidak sesuai dengan pengamatan. Ia mengatakan bahwa teori-teori tersebut “sangat disesuaikan”, seperti cerita-cerita biasa yang terlalu spesifik untuk sejalan dengan gagasan lama bahwa teori-teori yang lebih sederhana cenderung menang melawan teori-teori yang kompleks.

Data yang masuk pada tahun depan mungkin bisa membantu. Yang pertama adalah hasil dari tim Freedman yang mengamati berbagai penyelidikan terhadap tingkat ekspansi di dekatnya. Kemudian pada bulan April, para peneliti akan mengungkap data pertama dari survei langit kosmologis terbesar hingga saat ini, Instrumen Spektroskopi Energi Gelap. Pada akhir tahun ini, tim Teleskop Kosmologi Atacama – dan para peneliti yang membuat peta latar belakang primordial lainnya menggunakan Teleskop Kutub Selatan – kemungkinan akan merilis hasil detail latar belakang gelombang mikro dengan resolusi lebih tinggi. Pengamatan di cakrawala yang lebih jauh akan dilakukan oleh Euclid milik Badan Antariksa Eropa, sebuah teleskop luar angkasa yang diluncurkan pada bulan Juli, dan Observatorium Vera C. Rubin, sebuah mesin pemetaan seluruh langit yang sedang dibangun di Chili dan akan beroperasi penuh pada tahun 2025.

Alam semesta mungkin berusia 13.8 miliar tahun, namun upaya kita untuk memahaminya – dan posisi kita di dalamnya – masih dalam tahap awal. Segala sesuatu dalam kosmologi bersatu tepat 15 tahun yang lalu, dalam periode ketenangan singkat yang berubah menjadi sebuah fatamorgana. Perpecahan yang muncul satu dekade lalu telah terbelah lebar, menciptakan perpecahan yang lebih besar dalam model favorit kosmologi.

“Sekarang,” kata Di Valentino, “Segalanya telah berubah.”

Catatan Editor: Beberapa ilmuwan yang disebutkan dalam artikel ini telah menerima dana dari Yayasan Simons, yang juga mendanai majalah editorial independen ini. Keputusan pendanaan Simons Foundation tidak mempengaruhi pertanggungan kami. Lebih detailnya tersedia di sini.