Gelombang Gravitasi dari Alam Semesta Dini

Hampir 14 miliar tahun lalu, di alam semesta dini ketika Big Bang baru saja terjadi, alam semesta kemudian mengalami pengembangan secara eksponensial yang kita sebut inflasi. Pengembangan yang sangat cepat, bahkan lebih cepat dari satu kedipan mata. Hanya terjadi dalam waktu kurang dari satu detik.

Teori ini sudah lama diyakini oleh para kosmolog sebagai bagian mengapa alam semesta bisa memuai dengan cepat sampai pada kondisi sekarang. Berbagai model inflasi dibuat untuk mendukung teori tersebut. Tapi semua itu hanya menjadi sebuah teori. Bagaimana membuktikannya?

Pencarian pun dilakukan. Menelusuri masa lalu alam semesta bukan hal mudah. Apalagi untuk melihat ke masa awal alam semesta itu sendiri. Tapi pencarian itu berbuah hasil yang menggemparkan dunia.

Bukti bahwa inflasi yang menyebabkan alam semesta memuai 100 triliun triliun kali dalam sekejap, berhasil ditemukan!

Menelusuri Jejak Masa Lalu
Dengan menggunakan teleskop radio di Kutub Selatan, tim astronom berhasil mendeteksi keberadaan bukti pertama dari gelombang gravitasi purba, riak di angkasa yang ditimbulkan oleh inflasi yang terjadi 13,8 miliar tahun lampau saat alam semesta pertama kali memuai.

Riak tersebut tampak sampai 380 000 tahun kemudian ketika bintang masih belum terbentuk dan materi masih tersebar di angkasa sebagai kaldu plasma. Citra pada radiasi latar belakang (cosmic microwave background) memperlihatkan cahaya yang diradiasi dari plasma putih panas mengalami pendinginan menjadi energi gelombang mikro setelah pemuaian kosmik beberapa milyar tahun.

Keberadaan gelombang gravitasi di awal alam semesta yang diprediksi Einstein di tahun 1916 dalam relativitas umum memang benar ada, dan kehadirannya menjadi bukti kosmologi yang sangat signifikan bagi model inflasi yang diperkenalkan oleh Alan Guth dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge di tahun 1980. Alam semesta mengambang dalam laju eksponensial setelah terjadinya Big bang, dari  skala sub atomik menjadi sebesar lapangan bola. Model inflasi juga menjadi solusi mengapa alam semesta yang teramati memiliki keseragaman di semua arah. Tak dipungkiri bahwa teori yang ada terbukti konsisten dengan data kosmologi yang dikumpulkan sampai saat ini. Tapi, bagi para kosmolog data tersebut masih kurang!

Para kosmolog menyadari bahwa inflasi memiliki tanda yang berbeda. Periode pengembangan alam semesta yang super singkat dan juga kejam tersebut diyakini akan menciptakan gelombang gravitasi yang memampatkan ruang di satu sisi, namun sekaligus meregangkan atau membentangkannya di sisi lain.  Meskipun gelombang primordial ini akan tersebar di seluruh alam semesta tapi terlalu lemah untuk bisa dideteksi secara langsung. Gelombang tersebut  akan menyisakan tanda khusus di CMB berupa lengkungan pada polarisasi radiasi dalam pola vorteks atau pusaran yang dikenal dengan nama tipe-B.

Polarisasi tipe-B pertama kali dideteksi oleh South Pole Telescope di Antartika. Akan tetapi, sinyal yang diperoleh memiliki skala sudut kurang dari satu derajat (sekitar dua kali ukuran penampakan sudut Bulan). Sinyal tersebut kemudian dikaitkan dengan kelengkungan pada angkasa yang ditimbulkan galaksi latar depan saat dilalui perjalanan CMB. Untuk sinyal dari gelombang gravitasi yang dicari, puncaknya akan memiliki skala sudut antara satu sampai dengan lima derajat.

Dan gelombang gravitasi inilah yang dilihat John Kovac dari Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) di Cambridge, Massachusetts. Bukti terjadinya inflasi berhasil dideteksi dengan instrumen Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) di Kutub Selatan.

Pendeteksian tipe-B yang kecil ini membutuhkan CMB dengan presisi sepersepuluh juta Kelvin dan pemisahan efek primordial dari sumber lainnya seperti debu galaksi. Setelah membandingkan hasil pengamatan BICEP2 dengan BICEP1, tampak sinyal yang muncul dari debu memiliki warna berbeda pada spektrum. Selain itu, data dari Keck array yang dipasang di Kutub Selatan pada tahun 2012 selama dua tahun pengamatan menunjukkan konsistensi sinyal yang diterima dengan pengamatan menggunakan teleskop lainnya.

Sinyal yang diterima BICEP2 juga konsisten dengan inflasi dan dua kali lebih besar dari perhitungan percobaan terdahulu. Berdasarkan teori, intensitas sinyal tipe-B akan mengungkap laju pemuaian alam semesta lewat inflasi dan sekaligus juga memberikan skala energi kosmos pada epoh tersebut.

Data yang diperoleh menunjukan inflasi terjadi ketika alam semesta baru berusia 10^-37 detik dengan temperatur pada saat itu 10¹⁶ gigaelectronvolts. Energi yang sama dengan tiga dari empat gaya fundamental di alam semesta, – gaya nuklir lemah, gaya nuklir kuat dan gaya elektromagnetik – yang diharapkan berpadu dan tak dapat dibedakan dalam model Grand Unified Theory.

Inflasi terjadi dalam dunia fisika kuantum, dan kehadiran gelombang gravitasi pada epoh tersebut jelas menjadi bukti pertama dari gravitasi kuantum, Dengan kata lain, gravitasi menjadi jantung fenomena kuantum sama seperti ketiga gaya fundamental lainnya. Meskipun demikian, menurut kosmolog Max Tegmark fisikawan pun masih belum bisa memahami sepenuhnya bagaimana mereka dapat merekonsiliasi relativitas umum dan fisika kuantum dari sudut pandang teori.

Peta polasisai tipe-B dan peta survei langit dari teleskop Planck yang diperkirakan bisa dipublikasikan akhir tahun ini, diharapkan dapat memberi petunjuk lebih lanjut tentang inflasi dan apa yang menyebabkan inflasi itu sendiri.Bukti awal kehadiran gelombang gravitasi tidak saja menjadi pijakan awal dari bukti kehadiran inflasi melainkan juga pijakan bagi dunia kosmologi di masa depan.

Perjalanan untuk menelusuri jejak masa lalu alam semesta masih menjadi perjalanan panjang manusia untuk menyingkapnya. Yang pasti setiap cerita yang diungkap akan memberikan kisah luar biasa dan mengagumkan.