Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Sejarah Singkat Energi Gelap

Setelah berhasil membangun persamaan medan-nya dalam teori relativitas umum, pada tahun 1917 Einstein mempublikasikan suatu model alam semesta yang disebut alam semesta Einstein. Model ini merupakan model kosmologi pertama yang merupakan hasil dari solusi persamaan medan yang lengkap dari teori relativitas umum. 

Pada saat itu ilmuwan mengetahui bahwa alam semesta kita hanya sebatas galaksi Bima Sakti dengan miliaran bintangnya. Selanjutnya, semua hasil pengamatan dari para astrofisikawan tidak ada yang menunjukkan hal-hal aneh dari perilaku objek-objek astronomi. Oleh karena alasan ini maka saat membuat model kosmologinya Einstein mengambil asumsi alam semesta yang statik, - alam semesta yang stabil yang tidak mengembang ataupun mengerut. Asumsi Einstein ini bertentangan dengan teori gravitasi atau teori relativitas umumnya sendiri. 

Merupakan suatu kebenaran umum bahwa distribusi materi atau objek di alam semesta tidaklah merata. Di setiap sisi alam semesta jumlah materi/objeknya tidak sama dan saling bergerak relatif satu terhadap yang lain. Karena itu dengan adanya gravitasi yang bersifat ‘tarik-menarik’ maka alam semesta suatu waktu pasti akan runtuh. Semua materi di alam semesta akan saling tarik-menarik untuk berkumpul di satu titik, saling bertabrakan, meledak, tertarik lagi, dan pada akhirnya menjadi remuk, hingga mencapai keadaan kritis. 

Karena alasan inilah maka agar model alam semesta-nya bisa stabil, tidak runtuh dan tidak pula bertentangan dengan gravitasi/teori relativitas umum maka Einstein sedikit memodifikasi persamaan medannya dengan menambahkan satu konstanta yang kemudian disebut sebagai konstanta kosmologi. Konstanta kosmologi ini mendefenisikan atau mewakili suatu gaya yang besarnya sebanding dengan gaya gravitasi tapi berlawanan arah untuk menjaga alam semesta tetap stabil dan tidak runtuh.

Gambar di atas adalah simulasi yang dibuat oleh astrofisikawan Volker Springel dari Max Planck Institute di Jerman. Simulasi ini mewakili pertumbuhan struktur kosmik ketika alam semesta berusia 0,9 miliar, 3,2 miliar dan 13,7 miliar tahun (sekarang). Kredit: Kavli Foundation.

Teka-teki mengenai alam semesta mulai memasuki babak baru saat Edwin Hubble mulai meneliti galaksi dengan teleskopnya pada tahun 1920-an. Mula-mula Hubble berhasil mengkonfirmasi bahwa Andromeda yang sebelumnya dianggap nebula (kumpulan awan debu dan gas) ternyata merupakan sebuah galaksi sama seperti Bima Sakti galaksi kita.

Selanjutnya dengan menggunakan data pengamatannya yang dimasukkan ke dalam persamaan medan Einstein, Hubble berhasil menentukkan jari-jari alam semesta yang ternyata 10 milyar tahun cahaya,-ukuran yang jauh lebih besar dari apa yang dibayangkan oleh ilmuwan sebelumnya. Pada masa-masa inilah Hubble berhasil membuat katalog ribuan galaksi yang ada di alam semesta.

1929-Edwin Hubble-Wilson Observatory. Kredit: Space Telescope Science Institute

Pekerjaan Hubble terus berlanjut, hingga pada tahun 1929 Ia menemukan suatu fakta yang mengubah wajah ilmu kosmologi pada saat itu hingga saat ini. Dengan teleskopnya Hubble menemukan bahwa garis spektrum dari galaksi terluar yang dapat dicapai oleh teleskopnya ternyata mengalami pergeseran merah. Maksudnya, warna dari cahaya galaksi yang diamatinya mengalami perubahan warna menjadi lebih merah dari warna sebelumnya.

Semakin merah perubahan spektrum warna mengindikasikan adanya pertambahan panjang gelombang dari cahaya sehingga tampak lebih redup daripada yang seharusnya, yang berarti juga bahwa jarak sumber cahaya semakin menjauh dari pengamat. Pergeseran merah ini prinsipnya kurang lebih sama seperti masalah bunyi dari kendaraan yang terdengar semakin menurun seiring bertambah jaraknya dari pengamat. Perubahan warna dari pergeseran merah cahaya galaksi ini hanya tampak oleh kita sedangkan pada keadaan sebenarnya warna cahaya galaksi itu sebenarnya masih sama.

Penemuan Hubble ini menunjukkan bahwa jarak antara kita dan galaksi-galaksi terluar terus bertambah yang berarti alam semesta ini sebenarnya mengembang (berekspansi) bukan statis seperti perkiraan Einstein. Karena secara pengamatan alam semesta ternyata mengembang dan bukannya statis, Einstein merasa bahwa konstanta kosmologi pada persamaan medan-nya tidak diperlukan lagi dan dianggapnya sebagai kekeliruan terbesar dalam hidupnya.

Penemuan Hubble ini juga membuat para ilmuwan menduga bahwa pada satu waktu di masa lampau seluruh objek dan materi di alam semesta ini seharusnya merupakan satu materi yang sangat padat pada ukuran yang sangat kecil, yang ‘meledak’ dan terus mengembang hingga sekarang. Inilah yang menjadi dasar dari lahirnya teori Big Bang.

Jika alam semesta mengembang terus menerus dan di waktu bersamaan laju ekspansinya melambat karena gravitasi, maka satu waktu di akhir hidupnya gravitasi diri dari alam semesta akan menghentikan laju ekspansi. Setelah proses mengembangnya alam semesta berhenti maka efek gravitasi yang tadinya menghentikan laju ekspansi akan menarik kembali semua materi alam semesta untuk runtuh menuju pada satu titik pusat gravitasi. 

Karena materi alam semesta saling tarik menarik untuk mendekat satu sama lain maka akan mengakibatkan gravitasi diri dari alam semesta akan semakin meningkat pula. Laju runtuhnya akan terus cepat dan semakin cepat seiring bertambahnya waktu hingga alam semesta menyatu dan remuk. Proses ini merupakan kebalikan dari proses big bang dan disebut sebagai big crunch.

Di sisi yang lain ada pihak yang berpendapat bahwa dengan berkembangnya alam semesta maka semua objek astronomi akan saling menjauh termasuk nebula-nebula (kumpulan awan debu dan gas). Dengan merenggangnya nebula sebagai bahan utama pembentuk bintang maka tidak akan ada lagi bintang dan galaksi baru yang lahir atau terbentuk, karena nebula hanya akan berevolusi menjadi bintang jika memiliki kerapatan yang cukup. Dengan tidak adanya lagi bintang baru yang lahir, sementara bintang-bintang yang eksis mulai mati satu persatu maka akan mengakibatkan materi di alam semesta makin berkurang.

Materi alam semesta yang berkurang mengakibatkan massa alam semesta ikut berkurang. Karena massa alam semesta berkurang maka gravitasi diri alam semesta-pun juga ikut berkurang sehingga tidak cukup untuk menghentikan laju ekspansi alam semesta. Gravitasi diri alam semesta hanya akan melemah sehingga alam semesta akan mengembang dan hanya melambat dan terus melambat seiring berjalannya waktu. Ini akan berlangsung terus menerus hingga alam semesta mulai mendingin dan berakhir dengan membeku, proses ini disebut dengan Big Freeze. 

Dua pandangan ini; Big Crunch dan Big Freeze berdebat selama puluhan tahun dan harus berhenti sejenak atau mungkin benar-benar berhenti ketika muncul publikasi ilmiah hasil dari pengamatan langsung yang menunjukkan bahwa alam semesta tidak melambat melainkan mengembang lebih cepat daripada yang seharusnya.

Supernova tipe IA yang diamati oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble pada tahun 1997. Sumber gambar: Britannica.com

Penjelasan gambar: Tiga foto dari supernova Tipe IA (dibingkai kotak pada gambar atas) bergerak semakin menjauh, diamati oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble pada tahun 1997. Gambar yang di bawah adalah detail foto yang sudah diperbesar. Foto supernova yang di kiri dan tengah terjadi sekitar lima miliar tahun yang lalu; sedangkan foto yang paling kanan terjadi tujuh miliar tahun yang lalu. Sumber gambar: 

Pada tahun 1998 dua tim astronom; Adam Riess dan Saul Perlmutter di Amerika dan Brian Schmidt di Australia menggunakan delapan teleskop di seluruh dunia untuk menghitung laju ekspansi alam semesta menggunakan supernova tipe IA. Ada dua tipe supernova yaitu supernova I dan supernova II. Supernova tipe I kurva cahaya puncaknya sangat tajam (sangat terang) lalu meredup atau menghilang secara bertahap (perlahan-lahan dalam waktu yang lama), sedangkan tipe II puncaknya kurang tajam tapi meredup atau menghilangnya sangat tajam. Dari semua supernova tipe I, supernova IA terjadi di semua jenis galaksi dan selama puluhan tahun disebut sebagai 'lilin standar' oleh para astronom untuk menghitung jarak dalam lingkup kosmos.

Hasil dari pengamatan Adam Riess, dkk menunjukkan bahwa cahaya dari supernova tipe IA yang meledak miliaran tahun yang lalu secara tak dapat dijelaskan menjadi jauh lebih redup daripada yang diprediksi (tingkat pergeseran merah-nya sangat jauh dari yang diprediksi). Ini berarti bahwa supernova tersebut bergerak menjauhi kita dengan lebih cepat atau dengan kata lain alam semesta mengembang lebih cepat dan bukannya melambat seperti prediksi.

Hasil ini jelas mengejutkan dan menghebohkan seluruh semesta ilmu pengetahuan. Kita tahu bahwa berdasarkan hukum alam (gravitasi) kecepatan bola yang dilemparkan ke atas akan melambat secara bertahap akibat gravitasi bumi, tapi bayangkan jika ternyata bola tersebut tidak melambat tapi terus bergerak naik dengan lebih cepat. Inilah yang dirasakan ilmuwan pada saat itu.

Hasil pengamatan Riess dkk bahwa laju ekspansi alam semesta semakin meningkat dan bukannya melambat juga dikonfirmasi oleh ilmuwan lain baik dengan metode yang sama maupun metode yang berbeda. Mulai dari pengamatan emisi sinar X dari gugus galaksi, hingga penerapan lensa gravitasi yang didasarkan pada efek pembelokan cahaya oleh relativitas umum membenarkan bahwa memang alam semesta telah mengembang lebih cepat daripada yang seharusnya. Pengukuran fluktuasi suhu kecil oleh Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) dan satelit lainnya terhadap radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (sisa-sisa cahaya ledakan big bang) memberikan bukti akurat bahwa alam semesta memang mengembang, konsisten dengan hasil pengamatan menggunakan supernova maupun emisi sinar x dari gugus galaksi.

Kebenaran bahwa alam semesta mengembang lebih cepat dengan melawan gravitasi membuat ilmuwan mempertimbangkan agar konstanta kosmologi yang sebelumnya ditanggalkan oleh Einstein perlu disertakan kembali dalam persamaan medan Einstein. Jika pada awalnya konstanta kosmologi dipakai Einstein untuk mendefenisikan gaya yang besarnya sama dengan gravitasi namun berlawanan arah (untuk mengimbangi gravitasi), maka kali ini konstanta kosmologi didefenisikan sebagai energi vakum yaitu energi bertekanan negatif yang selain berlawanan arah juga lebih besar dari gravitasi.

Penambahan konstanta kosmologi (energi vakum) mungkin merupakan penjelasan paling logis untuk energi gelap sampai saat ini. Secara matematis persamaan medan Einstein tidak perlu dimodifikasi lagi, hanya perlu menambahkan kembali konstanta kosmologi yang pernah diperkenalkan dan kemudian ditanggalkan kembali oleh Einstein sendiri. Sejauh ini berbagai hasil prediksi perhitungan dari probe/ wahana antariksa yang bertugas khusus mengamati dan mempelajari energi gelap konsisten dengan nilai konstanta energi vakum. Walaupun menjanjikan, energi vakum (konstanta kosmologi) masih sulit dipahami karena model fisik dari energi vakum itu sendiri masih menjadi misteri apa dan bagaimana wujudnya.

Dalam teori relativitas umum Einstein gravitasi adalah efek dari kelengkungan ruang-waktu, bukan semata-mata ‘gaya tarik-menarik’ seperti yang sudah kita kenal sebelumnya. Karena itu, energi vakum (konstanta kosmologi) juga seharusnya merupakan properti yang melekat pada ruang-waktu dan bukannya energi seperti yang diketahui sebelumnya. Jadi ruang vakum (ruang kosong) dalam teori relativitas umum bukanlah kondisi ruang yang tidak berisi apa-apa. Ruang vakum juga memiliki properti sehingga dapat mengembang dan memiliki energinya sendiri.

Upaya untuk menjelaskan wujud fisik dari energi vakum (konstanta kosmologi) itu seperti apa datang dari teori yang berlandaskan pada mekanika kuantum. Teori ini mengatakan bahwa dengan adanya prinsip ketidakpastian Heisenberg memungkinkan ruang vakum dipenuhi partikel sementara (partikel virtual atau partikel maya) yang terus-menerus terbentuk dan menghilang pada skala waktu yang sangat singkat. 

Jadi menurut teori ini ruang kosong/vakum tidak benar-benar kosong, tetapi memiliki partikel virtual sehingga memiliki energi juga yang disebut energi vakum. Namun teori ini tidak bisa diterima karena ketika fisikawan mencoba menggunakan teori ini dalam perhitungan ternyata hasilnya kerapatan energi vakum harus 60-120 kali lebih besar daripada yang diamati. Jadi ini seperti menyelesaikan misteri dengan menghasilkan misteri yang lebih rumit.

Selain model energi vakum (konstanta kosmologi), ada beberapa teori yang diusulkan sebagai solusi untuk energi gelap. Ada teori yang mengusulkan keberadaan medan gaya baru yang disebut medan skalar, namun sampai saat ini dari banyaknya versi medan skalar yang telah diusulkan belum ada yang muncul sebagai kandidat favorit. Ada juga upaya untuk memodifikasi hukum gravitasi agar mampu menjelaskan pengamatan skala kosmos dengan energi gelap dan di saat bersamaan juga bisa menjelaskan pengamatan skala lokal ‘tanpa adanya pengaruh’ energi gelap. Namun upaya ini memunculkan penyimpangan dari relativitas umum Einstein pada skala seluruh alam semesta yang dapat diamati.

Semua pengetahuan dan pemahaman kita saat ini tentang alam semesta bergantung pada kebenaran teori Einstein. Semua uji eksperimen dan pengamatan astronomi skala besar juga membenarkan prediksi-prediksi dari teori relativitas umum Einstein sampai saat ini. Jadi syarat memodifikasi hukum gravitasi Einstein untuk mengakomodir keberadaan energi gelap adalah persamaan itu juga harus konsisten dengan teori gravitasi Einstein (relativitas umum) yang sudah teruji secara eksperimen hingga saat ini. Namun jika seandainya energi gelap bisa menunjukkan kesalahan pada teori gravitasi Einstein maka kita harus dan akan kembali ke titik awal lagi, dan ini akan mengubah seluruh pemahaman kita tentang alam semesta.

Perlu diingat bahwa dalam skala kosmologi hukum gravitasi yang dipakai adalah teori relativitas umum Einstein. Dalam teori relativitas umum Einstein gravitasi adalah properti (sifat) dari ruang-waktu, karena itu energi gelap juga harus merupakan properti ruang-waktu. Hal ini menjadikannya sebagai suatu hal yang sulit bagi kita ketika berusaha menjelaskan properti ruang-waktu sebagai gaya atau energi ‘konvensional’ seperti pemahaman umum kita selama ini.

Daftar Pustaka:

[1] McVicar, Tyson. 2014. Everything You need to know about dark energy, di https://futurism.com/everything-you-need-to-know-about-dark-energy,

[2] Templeton, Graham. 2015. What is Dark Energy, di https://www.extremetech.com/extreme/212679-what-is-dar-energy,

[3] Briggs, Andy. 2020. What is Dark Energy, di https://earthsky.org/space/definition-what-is-dark-energy,

[4] Riess, Adam.2020. Dark Energy, di https://www.britannica.com/science/dark-energy.

Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013