Mengenal CMB, “Old but Gold” Radiation

himastron Artikel Leave a Comment

Mengenal CMB, “Old-but-Gold” Radiation
Abdiel Jeremi/ 10314017
Editor: Gabriela Kezia Haans

Teori Big Bang memprediksikan bahwa alam semesta awalnya merupakan tempat yang sangat panas, tetapi mendingin selagi ia mengembang. Maka, alam semesta seharusnya dipenuhi dengan radiasi sebagai peninggalan energi panas sisa dari Big Bang, yakni Cosmic Microwave Background (CMB). Keberadaan radiasi CMB pertama kali diprediksi oleh Ralph Alpherin pada 1948, terkait penelitiannya tentang skenario asal muasal alam semesta Big Bang Nucleosynthesis bersama Robert Herman dan George Gamow. Namun, CMB baru pertama kali teramati tujuh belas tahun kemudian oleh Arno Penzias dan Robert Wilson di Bell Laboratories, New Jersey, Amerika Serikat.
Radiasi CMB bertindak sebagai sumber derau dalam penerima sinyal radio yang mereka sedang bangun. Derau tersebut datang dari segala arah. Oleh karena itu, sumbernya bukan merupakan sebuah objek langit yang terisolasi. Di sisi lain, sekelompok peneliti yang tergabung dalam tim riset Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) sedang membangun sebuah alat untuk menemukan CMB. Tim yang dipimpin oleh Robert Dicke dan Dave Wilkinson ini langsung tersadar bahwa CMB telah ditemukan, begitu mendengar laporan dari Bell Laboratories.

Arno Penzias dan Robert Wilson berdiri di depan antena mereka setelah memenangkan Nobel 1978 (sumber: wesa.fm)

Penemuan tersebut menghasilkan sepasang makalah ilmiah di Astrophysical Journal (vol. 142 tahun 1965): satu oleh Penzias dan Wilson tentang rincian observasi dan satu oleh Dicke, Peebles, Roll, serta Wilkinson menyangkut interpretasi kosmologis dari temuan Penzias-Wilson. Pada tahun 1978, Penzias and Wilson mendapatkan hadiah Nobel dalam bidang fisika atas penemuan tersebut. Namun, pencarian CMB tidak berhenti di anugerah hadiah tersebut. Misteri CMB semakin terkuak begitu satelit Cosmic Background Explorer (COBE) diluncurkan pada tahun 1989. COBE berhasil menatap spektrum CMB yang memiliki bentuk layaknya spektrum sebuah benda hitam dengan temperatur 2,726 Kelvin dan adanya anisotropi (perbedaan sifat dalam arah yang berbeda) pada CMB. Penemuan ini membawa John C. Mather dan George Smoot memperoleh hadiah Nobel di bidang fisika pada tahun 2006.

Peluncuran Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) pada 30 Juni 2001 (sumber: map.gsfc.nasa.gov)

Seiring perkembangan teknologi pencitraan dan instrumentasi, astronom semakin getol untuk mendapatkan data dengan akurasi yang lebih tinggi dan resolusi yang lebih tajam. Pada tahun 2003, NASA Goddard Space Flight Center dan Princeton University bekerja sama dalam meluncurkan satelit WMAP. Dengan resolusi 13 menit busur, resolusi citra WMAP kira-kira 35 kali lebih tajam dibandingkan citra yang dihasilkan oleh COBE (dengan akurasi sekitar tujuh derajat). Dengan akurasi ini, WMAP memainkan peran penting dalam menetapkan model standar dalam kosmologi, yakni model Lambda-CDM. Lambda-CDM adalah model alam semesta yang dimulai dengan Big Bang dan mengandung dark energy (energi gelap) serta dark matter (materi gelap). Kedua hal gelap ini disimbolkan dengan konstanta kosmologis Lambda (Λ). Energi gelap adalah bentuk energi tidak diketahui yang membuat pengembangan alam semesta dipercepat. Materi gelap adalah materi bermassa yang tidak dapat kita lihat secara langsung dalam rupa planet, bintang, atau seperti materi pada umumnya.

Data WMAP sangat cocok untuk sebuah alam semesta yang kontennya didominasi oleh dark energy dalam rupa konstanta kosmologi. Menurut model ini, usia alam semesta adalah sekitar 13,78 milyar tahun. Model tersebut juga menyatakan bahwa laju pengembangan alam semesta adalah sekitar 69,32 kilometer perdetik permegaparsek (1 megaparsek = 3,09*1019 kilometer). Selain itu, model Lambda-CDM mengimplikasikan bahwa sekitar 71,35% isi alam semesta adalah dark energy dalam rupa konstanta kosmologi, yang membuat pengembangan alam semesta dipercepat.
▪ ▪ ▪
Hubungan antara Pengembangan Alam Semesta dan CMB

Jika alam semesta terus mengembang, maka alam semesta pada era masa lalu tentunya berukuran lebih kecil daripada alam semesta di masa kini. Oleh karena itu, alam semesta di masa lalu yang jauh berarti alam semesta tersebut jauh lebih padat dan lebih panas daripada alam semesta kini. Misalnya, saat alam semesta yang dapat diamati berukuran satu perseratus ribu ukurannya sekarang. Maka, temperatur CMB saat itu adalah sekitar 273 ribu Kelvin (sekitar 45 kali lebih panas daripada permukaan Matahari). Kita dapat menganggap pada saat tersebut unsur yang ada hanyalah hidrogen. Pada temperatur ini, atom-atom hidrogen terionisasi menjadi nukleon dan elektron bebas.
Karena alam semesta sangat panas dan rapat dalam masa-masa awalnya, maka hampir tidak ada atom netral di alam semesta. Foton-foton yang panas tentunya memiliki energi yang tinggi. Foton tersebut sangat banyak dan rapat dibandingkan partikel baryonik. Partikel baryonik adalah partikel-partikel subatomik yang terdiri atas tiga kuark. Misalnya, proton dan neutron. Ini berarti, foton sangat banyak dibandingkan proton dan neutron. Selain itu, foton juga dapat dengan mudah menabrak elektron bebas, sehingga terjadi hamburan elektron. Hal ini dapat diumpamakan seperti sinar senter yang menembus kabut. Hamburan yang terjadi berkali-kali pada foton saat alam semesta masih panas menghasilkan kesetimbangan secara termal, sehingga foton-foton tersebut memiliki spektrum layaknya benda hitam.


Perbandingan antara CMB dari lapisan last scattering dan awan (sumber: map.gsfc.nasa.gov)

Seiring dengan berjalannya waktu, alam semesta mengembang, mendingin, dan semakin renggang. Dampaknya, energi dan kerapatan foton berkurang, sampai pada suatu waktu energi rata-rata foton lebih kecil daripada energi ionisasi hidrogen dan tidak dapat mengionisasi atom hidrogen. Laju pengembangan alam semesta menjadi lebih cepat dibandingkan laju penghamburan elektron oleh foton. Hal ini pun membuat semakin sedikit hidrogen yang terionisasi. Pada akhirnya, photon decoupling terjadi.
Astronom mendefinisikan photon decoupling sebagai suatu waktu saat kerapatan hidrogen terionisasi sama dengan kerapatan hidrogen netral. Saat hal itu terjadi, kebanyakan foton tidak dapat melakukan fotoionisasi terhadap atom hidrogen netral. Maka, kerapatan hidrogen terionisasi semakin berkurang dan kesetimbangan reaksi tidak bertahan. Karena jumlah elektron bebas jatuh drastis, foton dapat kabur dari kewajiban menghamburkan elektron bebas. Era ini disebut sebagai last scattering. Foton-foton terus berlari dengan kecepatan cahaya dan mengalami redshift (pemerahan) hingga akhirnya sampai kepada kita sebagai foton CMB. Foton CMB memiliki energi yang beragam, sehingga tidak mengalami last scattering secara serentak. Maka, foton CMB berasal dari rentang redshift z = 1000 hingga z = 1200, atau dapat disebut lapisan last scattering.

Hasil Pengamatan CMB Dekade Ini

Peta CMB beserta polarisasi (sumber: esa.int)

Setelah memberikan warisan berupa data yang cukup akurat, WMAP akhirnya diberhentikan pada 28 Oktober 2010 dengan cara dipindahorbitkan ke orbit ‘pemakaman’ heliosentris. Akan tetapi, tongkat estafet WMAP dilanjutkan oleh misi Planck yang diluncurkan oleh European Space Agency (ESA) pada 14 Mei 2009. Wahana Planck memiliki sembilan pita frekuensi dengan resolusi antara 33 hingga 5 menit busur. Dengan bekal tersebut, Planck menghasilkan parameter-parameter kosmologis yang sejalan dengan hasil dari WMAP, namun dengan margin galat yang lebih kecil. Hasil analisis data Planck yang dirilis pada Februari 2015 menyatakan bahwa alam semesta mengembang dengan laju sekitar 67,31 kilometer perdetik permega parsek dan sekitar 68,5% dari isi alam semesta adalah dark energy. Hasil ini tidak berbeda jauh dengan hasil pengamatan WMAP. Dengan masa kerja hampir empat setengah tahun, Planck mengakhiri misinya dengan berpindah ke orbit heliosentris dan dipasifkan. Kini, data Planck tahun 2015 adalah rujukan termutakhir mengenai parameter kosmologis dan model alam semesta berdasarkan observasi.

Sumber:
American Physical Society. (2006). “Mather, Smoot Share 2006 Nobel Prize In Physics”. Diambil dari https://www.aps.org/publications/capitolhillquarterly/200611/nobel.cfm

Citrin, L. (2010). “WMAP: The Wilkinson Microwave Anisotropy Probe”. Diambil dari http://www.nasa.gov/pdf/594754main_Citrin_Liz.pdf

European Space Agency. (2017). “Publications – Cosmos”. Diambil pada 16 April 2017 dari https://www.cosmos.esa.int/web/planck/publications

Ryden, Barbara Sue. (2003). Introduction to Cosmology. San Francisco: Pearson.

Wollack, Edward J. . (2016). “Tests of Big Bang: The CMB”. Diambil pada 16 April 2017 dari https://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_cmb.html

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *