Perluasan alam semesta

Diagram yang menunjukkan perluasan atau pengembangan alam semesta yang mengalami percepatan.

Perluasan alam semesta adalah konsep relativistik alam semesta material yang dikembangkan dari pergeseran merah benda langit yang diamati, bahwa ruang antargalaksi mengembang sehingga tampak surut dari kita pada kecepatan yang meningkat seiring jaraknya. Perluasan alam semesta sering dipandang sebagai bentangan ruang yang seragam yang akan memengaruhi objek padat seperti atom dan bintang, serta pemisahan galaksi. Sesuai dengan mekanika kuantum relasional, yang mengklaim bahwa sistem kuantum hanya bermakna dalam konteks pengukuran.

Teori Einstein banyak kemungkinan alam semesta, tetapi tidak ada satupun yang statis. Alam semesta telah mengembang sejak Big Bang terjadi 13,8 miliar tahun yang lalu saat masih sangat panas dan padat – proposisi yang pertama kali dibuat oleh kanon Belgia dan fisikawan Georges Lemaître (1894 - 1966), dan pertama kali didemonstrasikan oleh Edwin Hubble (1889 - 1953). Astronom Amerika menemukan pada tahun 1929 bahwa setiap galaksi dan kelompok galaksi menjauh dari kita, dan galaksi yang paling jauh bergerak paling cepat. Hal ini menunjukkan bahwa ada masa di masa lalu ketika semua galaksi berada di tempat yang sama, waktu yang hanya berhubungan dengan Big Bang. Penelitian ini memunculkan hukum Hubble-Lemaître, termasuk konstanta Hubble (H0), yang menunjukkan perluasan alam semesta.

Hingga saat ini, sebagian besar ilmuwan telah mempertimbangkan dua kemungkinan: laju perluasan melambat dan akhirnya akan terhenti - setelah itu alam semesta akan mulai berkontraksi, atau akan terus berkembang selamanya. Setelah itu, lama berpikir bahwa gravitasi materi di alam semesta pasti memperlambat perluasan alam semesta. Kemudian pada tahun 1998, pengamatan Teleskop luar angkasa Hubble terhadap supernova yang sangat jauh mengungkapkan bahwa dahulu kala, alam semesta mengembang lebih lambat dari sekarang. Dengan kata lain, perluasan alam semesta tidak melambat karena gravitasi, melainkan mengalami percepatan yang tidak dapat dijelaskan. Hal ini menunjukkan bahwa konstanta kosmologis seperti yang dikemukakan oleh Albert Einstein, memberikan konstribusi yang signifikan untuk evolusi alam semesta. Keberadaan konstanta kosmologis bukan-nol menyiratkan bahwa gaya tolak, gaya yang melawan kerja, saat ini mendominasi perluasan universal, dan akibatnya mengarah ke alam semesta yang terus berkembang.

Nama kekuatan yang tidak dikenal yang mendorong percepatan di alam semesta ini adalah energi gelap, dan menjadi salah satu misteri terbesar dalam sains. Penemuan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmis 2,7 K pada tahun 1965 oleh fisikawan Amerika Arno Penzias dan Robert Wilson adalah bukti yang meyakinkan bahwa alam semesta berasal dari 13,8 miliar tahun yang lalu dari keadaan yang sangat padat dan panas dalam Big bang.

Inflasi kosmik

Artikel utama: Inflasi (kosmologi)

Pada tahun 1980, untuk menjelaskan kondisi yang diamati di alam semesta, astrofisikawan Alan Guth mengusulkan inflasi kosmik. Kosmologi inflasi telah menjadi salah satu landasan kosmologi modern. Selain homogenitas, kerataan spasial, dan ukuran besar alam semesta, perluasan ruang yang dipercepat oleh inflasi menghasilkan mekanisme untuk menjelaskan asal mula struktur di alam semesta.

Istilah inflasi merujuk pada alam semesta mengalami periode perluasan cepat ruang dan waktu yang sangat cepat yang terjadi sepersekian detik setelah Dentuman Besar. Dalam sepersekian detik lainnya, inflasi melambat menjadi perluasan yang mebih santai yang berlanjut hingga hari ini dan semakin cepat. Dalam beberapa detik setelah terjadinya inflasi yang cepat, berlangsung selama ratusan ribu tahun selanjutnya, partikel-partikel fundamental yang nantinya terdiri dari materi muncul, tetapi materi yang belum diketahui. Selama periode ini, alam semesta menjadi buram, dipenuhi oleh plasma yang sangat panas dan radiasi yang sangat kuat.

Perluasan yang cepat seperti itu kemungkinan besar disebabkan oleh medan gaya primordial yang baru. Teori inflasi standar menjelaskan bahwa alam semesta mengalami periode perluasan yang snagat cepat dalam beberapa saat pertama, yang akhirnya mendatar untuk menciptakan alam semesta datar dan seragam seperti yang dilihat. Inflasi abadi adalah langkah selanjutnya dalam teori inflasi, dan ini memungkinkan para ilmuwan untuk menghindari beberapa pertanyaan rumit kosmologi. Perkembangan skenario alam semesta telah membuka jalan baru dan sangat menjanjikan untuk menghubungkan fisika fundamental dengan percobaan.

Landasan teori dan bukti

Hukum Hubble

Dalam salah satu makalah klasik paling terkenal dalam sejarah sains, artikel PNAS tahun 1929 Edwin Hubble tentang hubungan yang diamati antara jarak dan kecepatan resesi galaksi – Hukum Hubble – menyingkap alam semesta yang mengembang dan selamanya mengubah pemahaman kita tentang kosmos. Ini meresmikan bidang kosmologi pengamatan yang telah mengungkap alam semesta yang sangat luas yang telah mengembang dan berevolusi selama 14 miliar tahun dan mengandung materi gelap, energi gelap, dan miliaran galaksi. Dalam bentuknya yang paling sederhana, dinyatakan bahwa, semakin jauh galaksi, semakin cepat ia menjauh dari kita. Konsep ini terletak di jantung kosmologi modern, di mana seluruh alam semesta - ruang, waktu dan materi - diperkirakan telah lahir dalam Dentuman Besar. Untuk setiap megaparsec tambahan, Hubble menemukan bahwa galaksi surut 500 kilometer per detik lebih cepat, jadi konstanta Hubble adalah 500 dalam satuan kilometer per detik per megaparsec.

Albert Einstein sangat gembira mendengar karya Hubble. Teori Relativitas Einstein menyiratkan bahwa alam semesta pasti mengembang atau menyusut. Tetapi Einstein sendiri menolak gagasan ini dan mendukung gagasan yang diterima bahwa alam semesta diam dan selalu ada. Pada tahun 2018, Persatuan Astronomi Internasional (IAU), memilih untuk mengganti hukum Hubble menjadi hukum Hubble-Lemaître.

Konstanta Hubble dan Persamaan Freedman

Pada tahun 1920-an, artikel PNAS Edwin Hubble menghitung nilai yang disebut Konstanta Hubble (H₀), yang mewakili seberapa cepat alam semesta berkembang ke luar. Laju perluasan alam semesta saat ini, konstanta Hubble, dapat diprediksi dari model kosmologis menggunakan pengukuran alam semesta awal, atau lebih langsung diukur dari alam semesta akhir. Namun sejak saat itu, para astronom yang mengamati dan mengukur perluasan alam semesta telah sampai pada nilai yang berbeda dari Konstanta Hubble, yang tampaknya tidak ada yang sependapat satu sama lain. Ahli kosmologi menggunakan satelit Planck mempelajari latar belakang gelombang mikro kosmik, telah sampai pada presisi tinggi dari laju perluasan. Sementara astronom Friedman bersama timnya mengamati bintang raksasa merah di galaksi jauh. Keduanya angka tersebut, bagaimanapun, tidak setuju. Menurut Planck dan teori materi gelap energi gelap yang berhasil memodelkan komposisi dan evolusi alam semesta, dikombinasikan dengan pengukuran yang tepat dari latar belakang gelombang mikro kosmik yang dipancarkan tak lama setelah Dentuman Besar, H₀ seharusnya 67 - singkatan dari alam semesta yang mengambang 67 kilometer per detik lebih cepat setiap 3,26 tahun cahaya.

Pengukuran di alam semesta akhir, yang berasal dari proyek bernama Supernova H0 (SH0ES), mematok konstanta Hubble pada 74. Dengan menggunakan persamaan Friedmann, bentuk khusus yang memungkinkan kita untuk perluasan universal, Friedman, menemukan bahwa alam semesta mengembang pada 68,9 km per detik per megaparsec.

Konstanta kosmologi

Pada tahum 1917, Einstein memaukkan konstanta kosmologi buatannya ke dalam teori relativitasnya. Tetapi ketika pada tahun 1929, Edwin Hubble menemukan bukti bahwa alam semesta benar-benar mengembang. Hingga pada tahun 1998 setelah para astronom menemukan bahwa supernova yang sangat jauh bahkan lebih jauh dari yang terlihat - menyiratkan bahwa perluasan alam semesta semakin cepat. Konstanta kosmologis dengan nilai yang lebih besar dari nol dapat menjelaskan hal ini, yang pada dasarnya memberi Alam semesta dorongan ekstra. Jika itu benar, itu berarti ruang kosong (vakum) ini mengandung energi. Konstanta ini adalah cara lain untuk menulis konstanta Hubble.

Bukti pengamatan

Dalam model standar, perluasan kosmik adalah sifat inheren ruang dan waktu. Model Elemen kunci lainnya dari model ini adalah bahwa prinsip kosmologis berlaku:

• Pada skala besar, alam semesta pada waktu tertentu sama di mana-mana (homogen dan isotropik). Akibatnya, laju perluasan harus di mana-mana selama periode kosmik manapun.
• Pengamatan CMB, struktur berskala besar, dan pergeseran merah dari supernova jauh mengungkapkan bahwa bagian dari alam semesta yang diamati menunjukkan percepatan perluasan.

Karena perluasan alam semesta adalah peregangan dari semua ruang waktu, semua titik di alam semesta meregang bersama. Jadi, perluasan di mulai di mana- mana sekaligus.