Kosmologi, James Peebles, dan Petuah Mencintai Sains

Kosmologi menjadi salah satu cabang sains sekitar tahun 1960, ketika data-data ilmiah tentang alam semesta telah berhasil dikumpulkan. Sebelumnya, kosmologi lebih bersandar pada spekulasi semata. Lima puluh tahun terakhir ini telah menjadi masa keemasan kosmologi, mempelajari asal usul alam semesta dan evolusinya. Salah satu tokoh kunci dalam transisi kosmologi dari hanya sekedar spekulasi menjadi sains adalah ahli kosmologi kanada-amerika, James Peebles (84). Peebles adalah profesor di Universitas Princeton. Kerangka kerja teoretisnya yang ia kembangkan selama lebih dari dua dekade adalah fondasi pemahaman modern kita tentang sejarah alam semesta, dari Big Bang (dentuman besar) hingga hari ini.

Berdasarkan pengamatan dengan teleskop oleh Edwin Hubble, alam semesta ini mengembang. Hal tersebut mengindikasikan bahwa dulu semua materi di alam semesta ini berdekatan dan bahkan awalnya berasal dari sebuah titik singularitas yang sangat mampat (berkerapatan tak hingga) yang mengalami dentuman besar. Pada saat awal terciptanya, alam semesta sangatlah panas. Butuh hampir 400.000 tahun selama mengembang untuk bisa mendingin hingga beberapa ribu derajat celcius. Pada temperatur tersebut, partikel-partikel mulai bisa bergabung, membentuk gas yang terutama terdiri dari atom hidrogen dan helium. Foton mulai bergerak bebas dan cahaya menjelajahi ruang. Radiasi ini sekarang masih memenuhi kosmos. Mengembangnya ruang berimplikasi pada memanjangnya gelombang cahaya tampak hingga panjang gelombang berada pada kisaran spektrum gelombang mikro yang tak tampak. Oleh karena itu, radiasi ini disebut Cosmic Microwave Background atau radiasi latar belakang kosmik.

Perlu diperhatikan bahwa pergeseran panjang gelombang di atas bersifat intrinsik yaitu terjadi karena ruang yang mengembang, bukan karena kecepatan relatif antara pemancar dan pengamat yang biasanya juga menghasilkan pergeseran panjang gelombang. Radiasi latar belakang kosmik telah diprediksi oleh George Gamow sebagai konsekuensi yang mungkin dari model alam semesta mengembang. Radiasi itu secara kebetulan ditangkap pertama kali oleh dua astronom amerika, Arno Penzias dan Robert Wilson pada tahun 1964. Mereka menggunakan suatu teleskop radio yang dipasang untuk panjang gelombang 7,35 cm.  Saat itu terekam “desis” yang mengganggu teleskop dan tak bisa dihilangkan.

Penzias dan Wilson mencari penjelasan atas temuan itu pada kerja peneliti lain, termasuk Peebles yang telah membuat perhitungan teoretis tentang radiasi ini bersama pembimbingnya, Dicke. Peebles mempelajari radiasi latar belakang kosmik yang merupakan sisa-sisa dentuman besar 14 milyar tahun lalu, yang sampai sekarang mengisi jagad raya termasuk bumi. Dicke dan Peebles memprediksi temperatur radiasi tersebut saat ini sekitar 3 K. Dengan perhitungan teoretisnya, Peebles dapat mengetahui rekam jejak  alam semesta sejak awal terciptanya.

Dari radiasi itulah, kosmolog tahu umur alam semesta dan mengetahui seberapa banyak materi dan energi yang eksis. Hasilnya, kita sampai pada pemahaman bahwa alam semesta kita terdiri dari 5% saja materi biasa yang telah kita ketahui sebelumnya, dan 95% komponen gelap (tak tampak) yang masih misteri.

Materi biasa yang dimaksud adalah yang telah diketahui dengan baik di dalam model standar partikel elementer, beberapa diantaranya adalah elektron, quark up, dan quark down. Proton dan neutron tersusun dari partikel quark up dan quark down tersebut. Seperti yang kita ketahui elektron, proton, dan neutron itulah yang membentuk atom penyusun tubuh kita, tumbuh-tumbuhan, galaksi, dan sebagainya. Jadi, sekali lagi materi biasa itu hanya 5% dari kosmos. Segala sesuatu yang kita lihat ternyata tidak mencakup keseluruhan yang ada, ada yang tidak tampak namun efeknya bisa dideteksi. Sekarang kita menyebut “sesuatu yang tak tampak” itu adalah Dark Matter (materi gelap) yang mengisi 26% dari kosmos dan Dark Energy (energi gelap) yang mengisi 69% dari kosmos.

Kerapatan materi secara teoretis jauh lebih besar daripada kerapatan materi yang diamati dari galaksi-galaksi. Selain itu, pengamatan kurva rotasi galaksi menunjukkan massa gugus galaksi haruslah lebih besar daripada massa yang didapatkan dari pengamatan optik. Hal ini mengindikasikan ada materi yang tak terlihat yakni materi gelap. Materi gelap tak memancarkan ataupun menyerap cahaya, dan sejauh ini hanya diketahui melalui efek gravitasionalnya. Galaksi-galaksi dipertahankan untuk tetap bersama oleh gravitasi materi gelap. Jika tidak, maka galaksi-galaksi itu akan tercerai-berai. Ini juga menunjukkan materi gelap memberikan peran penting dalam asal usul galaksi. Para ilmuwan telah lama meyakini bahwa partikel neutrino dapat membentuk materi gelap. Tetapi neutrino mempunyai massa kecil dan kecepatannya mendekati kecepatan cahaya. Maka Peebles mengusulkan partikel cold dark matter yang berat dan lambat, yang bisa melakukan itu. Kita masih mencari partikel cold dark matter yang belum diketahui ini.

Perlu ditekankan bahwa basis dari kosmologi adalah teori relativitas umum Einstein. Kajian-kajian kosmologi berangkat dari persamaan medan gravitasi Einstein. Awal abad ke-20, pandangan jagad raya yang diterima luas adalah jagad raya statik, jagad raya yang relatif tidak mengalami perubahan di masa lalu, masa kini, dan masa yang akan datang. Einstein pun dulu sempat mengikuti pandangan jagad raya statik. Maka Einstein terpaksa memodifikasi persamaannya dengan menambahkan konstanta kosmologi demi memberikan kerangka teoretis untuk jagad raya statik. Jelas model Einstein menjadi tak relevan ketika alam semesta teramati berekspansi (mengembang) oleh Hubble pada tahun 1929. Oleh karena itu, Einstein membuang konstanta kosmologi dan kembali ke persamaan medan yang semula. Einstein menyatakan bahwa konstanta kosmologi yang diperkenalkannya itu adalah kesalahan terbesar di dalam hidupnya.

Meskipun demikian, beberapa kosmolog besar seperti Eddington dan Lemaitre menunjukkan bahwa konstanta kosmologi dapat memberikan gambaran yang menarik. Dengan mempertahankan konstanta kosmologi, kita bisa memiliki kemungkinan model kosmologi yang lebih banyak untuk dipilih dan diseleksi. Peebles juga berkontribusi menghidupkan kembali konstanta kosmologi Einstein yang merupakan energi ruang kosong. Energi itulah yang telah diberi nama energi gelap. Energi gelap hanya menjadi teori selama 14 tahun, hingga percepatan ekspansi alam semesta ditemukan pada 1998 oleh Saul Perlmutter, Brian Schmidt, dan Adam Riess. Sesuatu selain materi harus bertanggung jawab atas ekspansi alam semesta yang semakin cepat, itulah energi gelap. Energi gelap dapat memaksa galaksi-galaksi untuk berakselerasi menjauh satu sama lain. Energi gelap bersifat mendorong dan seperti bekerja sebagai “gaya anti-gravitasi”.

Materi gelap dan energi gelap hanya bisa dikenali melalui dampak yang mereka timbulkan terhadap lingkungan mereka: yang satu menarik, yang lain mendorong. Materi gelap dan energi gelap menjadi salah satu misteri terbesar dalam kosmologi hingga sekarang, dan masih terus digali untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik terhadap keduanya.

Itulah kontribusi-kontribusi Peebles dalam kosmologi fisis yang telah membuat kita lebih memahami alam semesta ini. Peebles sebagai salah satu penerima hadiah nobel fisika 2019 telah memberikan petuah yang mendalam saat konferensi pers. Ia mengatakan “My advice to young people entering science: You should do it for the love of science”. Lebih lanjut, Ia menyampaikan “I could think of one or two things to do in cosmology. I just did them and kept going. The prizes and awards, they are charming, much appreciated, but that’s not part of your plans. You should enter science because you are fascinated by it.”

Jadi, kita terjun dalam bidang sains seharusnya karena memang kita mencintai sains. Sains dalam hal ini fisika, identik dengan materi-materi yang sulit. Banyak persaman-persamaan rumit di dalamnya. Namun dengan rasa cinta, kita tidak merasa terbebani dengan beratnya menekuni fisika. Bahkan kita bisa betah berlama-lama dalam “berinteraksi” dengan fisika. Hal yang penting pula adalah konsisten. Kebanyakan para ahli itu memang mereka yang konsisten dalam bidangnya. Lihatlah bagaimana Peebles melakukan risetnya dalam bidang kosmologi dan terus melakukannya secara kontinu. Hadiah dan penghargaan bukanlah hal yang direncanakan, itu hanyalah bonus dari hasil kerja para ilmuwan. Di dalam segala bidang pun, petuah itu tetap berlaku. Jangan mundur selagi engkau mencintai suatu bidang hanya karena engkau tidak merasa berbakat dalam bidang itu atau bidang tersebut berat untuk dijalani. Tekunilah bidang yang kau cintai, konsistenlah, dan jadilah ahli dalam bidang yang kau geluti itu. See you on top, guys !

Referensi:

[1] Hidayat, T.2010.Teori Relativitas Einstein: Sebuah Pengantar. Bandung: ITB Press.

[2] Purwanto, A.2009.Pengantar Kosmologi.Surabaya: ITS Press.

[3] Rose, J.2019. The Nobel Prize in Physics 2019: Popular Science Background. Sweden:  The Royal Swedish Academy of Sciences