Menit-Menit Awal Alam Semesta

Seperti diketahui, Big Bang atau Dentuman besar merupakan sebuah kejadian yang memicu terbentuknya alam semesta. Tapi meskipun demikian, informasi akan apa yang terjadi di era Nukleosintesis Dentuman Besar ketika alam semesta baru berusia beberapa detik sampai beberapa menit belumlah benar-benar diketahui.

Lantas apa yang harus dilakukan untuk mengetahui apa yang terjadi dahulu? Jelas tidak mungkin jika manusia pergi ke masa itu, namun ekstrapolasi hukum fisika bisa membawa manusia untuk menelusuri kembali apa yang terjadi sekarang sampai ke waktu terjadinya nukleosintesa. Penelusuran itu bisa berlanjut lebih jauh ke masa lalu untuk memberi susunan dan gambaran akan apa yang sebenarnya terjadi di masa awal alam semesta. Tapi sejauh mana bisa berekstrapolasi menuju singularitas masih menjadi perdebatan tapi disepakati waktunya tidak lebih awal dari epoh Planck atau 10^-43 detik.

Dentuman Besar

Saat alam semesta didominasi oleh materi dan radiasi, gaya tarik gravitasi antara seluruh partikel cenderung memperlambat laju pengembangan alam semesta. Hal berbeda terjadi ketika alam semesta masih lebih kecil dan rapat. Saat itu, laju pengembangan besarnya tidak terbatas. Titik inilah yang disebut singularitas yang mengacu pada Dentuman Besar.

Dentuman besar merupakan titik awal proses pengembangan alam semesta. Sekitar 13,7 milyar tahun lalu, bagian alam semesta yang bisa dilihat sebenarnya hanya beberapa milimeter dan untuk sampai ke kondisi sekarang terjadi pengembangan dari kondisi yang panas dan rapat mejadi alam semesta yang luas dan lebih dingin.

Dua pilar utama yang membangun model dentuman besar adalah teori relativitas umum Einstein dan prinsip kosmologi

Dalam teori yang diajukan Einstein, dinyatakan bahwa teori gravitasi Newton hanya bekerja pada benda diam atau benda yang bergerak sangat lambat dibanding kecepatan cahaya. Dalam kasus relativitas umum, gravitasi tidak lagi digambarkan sebagai medan gravitasi melainkan sebagai kelengkungan ruang-waktu. Di sini terdapat hubungan antara massa-waktu dan massa-energi yang saling mempengaruhi. Distribusi massa-energi menentukan bentuk kelengkungan ruang-waktu dan kelengkungan ruang-waktu mempengaruhi bagaimana massa-energi bergerak di dalamnya. Fisikawan John Wheeler menggambarkan dengan baik saat berkata, “Materi memberitahu ruang-waktu bagaimana untuk melengkung dan ruang-waktu memberitahu materi bagaimana untuk bergerak”.

Setelah Relativitas Umum diperkenalkan, sejumlah ilmuwan termasuk Einstein, berusaha untuk menerapkan dinamika gravitasi yang baru ini pada alam semesta secara keseluruhan.

Pada saat itu, untuk menerapkan dinamika tersebut membutuhkan asumsi mengenai bagaimana materi di alam semesta terdistribusi. Asumsi sederhananya, jika kita melihat isi alam semesta, maka ia akan tampak sama dimanapun dan sama disetiap arah. Dengan kata lain prinsip kosmologi menyatakan bahwa dalam skala besar, alam semesta berada dalam keadaan homogen dan isotropi serta pengamat tidak berada pada posisi yang istimewa di alam semesta. Homogen memberi arti dimanapun pengamat berada di alam semesta ia akan mengamati hal yang sama. Sedangkan isotropi artinya ke arah manapun pengamat memandang ia akan melihat hal yang sama. Dengan demikian tidak ada tempat istimewa di alam semesta. Model ini menyatakan bahwa alam semesta seharusnya mengembang dalam jangka waktu berhingga, dimulai dari keadaan yang sangat panas dan padat.

Era Nukleosintesis Dentuman Besar
Era nukleosintesis Dentuman Besar dimulai satu menit setelah terjadinya Dentuman Besar saat alam semesta cukup dingin untuk membentuk proton dan neutron setelah bariogenesis.

Nukleosintesa mengacu pada pembentukan elemen berat, inti atom dengan banyak proton dan neutron dari reaksi fusi elemen ringan. Teori Dentuman Besar memberi prediksi kalau alam semesta sangat dini merupakan tempat yang luar biasa panas. Satu detik setelah Dentuman Besar, temperatur alam semesta hampir 10 milyar derajat dan terisi oleh lautan neutron, proton, elektron, anti-elektron (positron), foton dan nutrino. Ketika alam semesta mendingin, neutron akan meluruh menjadi proton dan elektron atau bergabung dengan proton membentuk deutrium (isotop hidrogen). Pada saat 3 menit awal di alam semesta, deutrium bergabung membentuk helium. Didapati juga jejak sejumlah lithium yang terbentuk pada masa ini. Perisitiwa ini berlangsung sekitar 17 menit, sampai temperatur alam semesta turun sedemikian rupa, sehingga tidak tersedia cukup energi yang memungkinkan peristiwa ini untuk terus terjadi.  Nah, proses pembentukan elemen ringan di alam semesta dini inilah yang disebut Nukleosintesa Dentuman Besar.

Ciri lain alam semesta yang juga tidak biasa adalah keteraturannya – dalam hal ini distribusi galaksi seragam dalam skala besar dan radiasi latar belakang menunjukan bukti kuat kalau materi terdistribusi lebih teratur di masa yang awal. Keseragaman ini tidak biasa karena simpangan kecil cenderung bertumbuh seiring waktu saat area yang sangat padat runtuh membentuk bintang dan galaksi. Tapi kecepatan cahaya yang terbatas justru memberi kejutan yang lain.

CMB (cosmic microwave background/ radiasi latar belakang), menunjukan rupa alam semesta setelah 370000 tahun setelah Dentuman Besar. Dan setelah diamati bagian-bagian CMB secara terpisah, tampak juga area alam semesta yang terpisah lebih dari 370000 tahun cahaya. Dengan kata lain, waktu yang ada tidak cukup bagi sinyal berpindah dari satu area ke area lainnya. Pertanyaannya bagaimana area yang terpisah tersebut tahu bahwa mereka harus memiliki temperatur yang sama? Bagaimana mereka berkomunikasi? Inilah yang disebut sebagai masalah horison.

Horison secara sederhana bisa disebut sebagai batas pandang terhadap sesuatu yang bisa diamati dan yang belum diamati. Alam semesta memiliki usia yang terbatas (13,7 milyar tahun) sehingga pengamat hanya bisa melihat pada jarak yang terbatas di angkasa yakni 13,7 milyar tahun. Model Dentuman Besar tidak memberi gambaran area di angkasa yang berada diluar horison pengamat , yang bisa saja memiliki ruang waktu yang berbeda.

Inflasi
Masalah horison punya solusi yang cukup populer dan diterima. Ide yang disebut sebagai inflasi. Bayangkan kalau di masa awal, alam semesta harus melewati periode dimana sesaat lamanya ia didominasi oleh sejumlah besar energi gelap, yang kemudian secara tiba-tiba meluruh menjadi materi dan radiasi. Peningkatan energi gelap ini menyebabkan alam semesta mengalami percepatan dengan laju yang sangat fantastik dan mengembang secara eksponensial dalam waktu singkat. Bahkan satu kedipan matapun lebih lambat dari inflasi alam semesta. Inflasi terjadi dalam waktu kurang dari 1 detik dari 10^–36 –  10^–32 detik.  Akibatnya titik-titik di alam semesta yang tadinya berdekatan, berpisah dengan cepat. Jadi area yang terpisah jauh dan diamati di CMB sebenarnya bertetangga dan saling kontak di masa awal.

Inflasi diperlukan untuk memecahkan masalah kurvatur alam semesta maupun masalah horizon. Dengan adanya inflasi maka horizon alam semesta bisa diperbesar sampai keadaan dimana partikel-partikel berada dalam lingkup horizon dan bisa slaing berkomunkiasi. Selain itu dengan pengembangan alam semesta secara tiba-tiba (eksponensial) maka setelah alam semesta mengalami inflasi, setelah itu ia akan mengembang mengikuti model standar dan pada akhirnya bisa mencapai keadaan saat ini. Tanpa inflasi evolusi alam semesta mungkin sudah mencapai masa akhirnya (kehancuran besar untuk alam semesta tertutup) atau kondisi dimana temperatur alam semesta mencapai suhu 3 K terjadi jauh sebelum sekarang.

Tapi yang masih menjadi pertanyaan adalah, sampai saat ini tidak ada model spesifik dari inflasi. Dengan kata lain, belum diketahui energi gelap seperti apa yang mendominasi alam semesta di masa awal ataupun bagaimana energi gelap itu berubah menjadi materi dan radiasi. Inflasi memang menjadi jawaban dari beberapa pertanyaan namun tetap rasa ingin tahu tentang asal usul alam semesta maupun apa yang memicu terjadinya inflasi masih terus ada dan menjadi PR bagi para kosmolog untuk menjawabnya.