Apakah sesuatu yang tidak terduga terjadi di kedalaman ruang?
Mengintip jauh ke dalam inti Nebula Kepiting, gambar close-up ini mengungkapkan detak jantung salah satu sisa supernova yang paling bersejarah dan dipelajari secara intensif, sebuah bintang yang meledak. Benda langit seperti supernova membantu tim astronom Riess mengukur jarak untuk menentukan seberapa cepat alam semesta mengembang. Gambar melalui Space Science Telescope Science Institute.
Oleh Donna Weaver dan Ray Villard / Johns Hopkins
Inilah kabar baiknya: Para astronom telah melakukan pengukuran yang paling tepat sampai saat ini dari tingkat di mana alam semesta mengembang sejak Big Bang.
Inilah berita yang mungkin meresahkan: Angka-angka baru tetap berselisih dengan pengukuran independen dari ekspansi alam semesta awal, yang dapat berarti bahwa ada sesuatu yang tidak diketahui tentang susunan alam semesta.
Apakah sesuatu yang tidak terduga terjadi di kedalaman ruang?
Adam Riess adalah seorang Peraih Nobel dan Profesor Terhormat Bloomberg di Universitas Johns Hopkins. Dia berkata:
Masyarakat benar-benar bergulat dengan pemahaman tentang arti perbedaan ini.
Riess memimpin tim peneliti menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble untuk mengukur tingkat ekspansi alam semesta. Dia berbagi Hadiah Nobel pada tahun 2011 untuk penemuan alam semesta yang semakin cepat.
Tim, yang termasuk peneliti dari Hopkins dan Space Telescope Science Institute, telah menggunakan Hubble Space Telescope selama enam tahun terakhir untuk menyaring pengukuran jarak ke galaksi, menggunakan bintang sebagai penanda milepost. Pengukuran itu digunakan untuk menghitung seberapa cepat alam semesta mengembang seiring waktu, nilai yang dikenal sebagai konstanta Hubble.
Gambar melalui NASA, ESA, A. Feild (STScI), dan A. Riess (STScI / JHU).
Pengukuran yang dilakukan oleh satelit Planck dari Badan Antariksa Eropa, yang memetakan latar belakang gelombang mikro kosmik, meramalkan bahwa nilai konstanta Hubble sekarang harus 42 mil (67 km) per detik per megaparsec (3,3 juta tahun cahaya), dan bisa tidak lebih tinggi dari 43 mil (69 km) per detik per megaparsec. Ini berarti bahwa untuk setiap 3,3 juta tahun cahaya jauhnya galaksi dari kita, ia bergerak 42 mil (67 km) per detik lebih cepat. Tetapi tim Riess mengukur nilai 45 mil (73 km) per detik per megaparsec, menunjukkan galaksi bergerak dengan kecepatan lebih cepat daripada yang disiratkan oleh pengamatan alam semesta awal.
Data Hubble sangat tepat sehingga para astronom tidak dapat mengabaikan kesenjangan antara dua hasil sebagai kesalahan dalam pengukuran atau metode tunggal. Riess menjelaskan:
Kedua hasil telah diuji berbagai cara. Kecuali serangkaian kesalahan yang tidak berhubungan, semakin besar kemungkinan bahwa ini bukan bug tetapi fitur dari alam semesta.
Menjelaskan Perbedaan Vexing
Riess menguraikan beberapa penjelasan yang mungkin untuk ketidaksesuaian, semua yang terkait dengan 95 persen alam semesta yang diselimuti kegelapan. Satu kemungkinan adalah bahwa energi gelap, yang sudah diketahui mempercepat kosmos, mungkin mendorong galaksi satu sama lain dengan kekuatan yang bahkan lebih besar - atau tumbuh -. Ini berarti bahwa akselerasi itu sendiri mungkin tidak memiliki nilai konstan di alam semesta tetapi berubah seiring waktu.
Gagasan lain adalah bahwa alam semesta mengandung partikel subatomik baru yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Partikel cepat seperti itu secara kolektif disebut "radiasi gelap" dan termasuk partikel yang sebelumnya dikenal seperti neutrino, yang dibuat dalam reaksi nuklir dan peluruhan radioaktif. Tidak seperti neutrino normal, yang berinteraksi dengan gaya subatomik, partikel baru ini hanya akan dipengaruhi oleh gravitasi dan dijuluki "neutrino steril."
Namun kemungkinan lain yang menarik adalah bahwa materi gelap - suatu bentuk materi tak kasat mata yang tidak terdiri dari proton, neutron, dan elektron - berinteraksi lebih kuat dengan materi normal atau radiasi daripada yang diperkirakan sebelumnya.
Setiap skenario ini akan mengubah isi alam semesta awal, yang mengarah pada inkonsistensi dalam model teoritis. Ketidakkonsistenan ini akan menghasilkan nilai yang salah untuk konstanta Hubble, disimpulkan dari pengamatan kosmos muda. Nilai ini kemudian akan bertentangan dengan jumlah yang diperoleh dari pengamatan Hubble.
Riess dan rekan-rekannya belum memiliki jawaban untuk masalah yang menjengkelkan ini, tetapi timnya akan terus berupaya memperbaiki tingkat ekspansi alam semesta. Sejauh ini tim, yang disebut Supernova H0 untuk Persamaan Negara - dijuluki SH0ES - telah menurunkan ketidakpastian menjadi 2,3 persen.
Membangun Tolok Ukir yang Lebih Baik
Tim telah berhasil memperbaiki nilai konstanta Hubble dengan merampingkan dan memperkuat konstruksi tangga jarak kosmik, serangkaian teknik pengukuran yang saling terkait yang memungkinkan para astronom untuk mengukur jarak melintasi miliaran tahun cahaya.
Para astronom tidak dapat menggunakan pita pengukur untuk mengukur jarak antara galaksi - sebagai gantinya, mereka menggunakan kelas khusus bintang dan supernova sebagai tolok ukur kosmik atau penanda milepost untuk secara tepat mengukur jarak galaksi.
Di antara yang paling dapat diandalkan yang digunakan untuk mengukur jarak yang lebih pendek adalah variabel Cepheid, yang merupakan bintang berdenyut yang mencerahkan dan redup pada tingkat tertentu. Beberapa galaksi jauh berisi tolok ukur lain yang dapat diandalkan, bintang meledak yang disebut supernova Tipe Ia, yang menyala dengan kecerahan seragam dan cukup cemerlang untuk dilihat dari jarak yang relatif jauh. Menggunakan alat dasar geometri yang disebut paralaks, yang mengukur pergeseran nyata posisi suatu objek karena perubahan sudut pandang pengamat, para astronom dapat mengukur jarak ke benda-benda langit ini terlepas dari kecerahannya.
Pengamatan Hubble sebelumnya mempelajari 10 Cepheid yang berkedip lebih cepat, berjarak 300 tahun cahaya hingga 1.600 tahun cahaya dari Bumi. Hasil Hubble terbaru didasarkan pada pengukuran paralaks dari delapan Cepheid yang baru dianalisis di galaksi Bima Sakti kita yang terletak sekitar 10 kali lebih jauh dari yang dipelajari sebelumnya, berada di antara 6.000 tahun cahaya dan 12.000 tahun cahaya dari Bumi.
Untuk mengukur paralaks dengan Hubble, tim Riess harus mengukur goyangan Cepheids yang sangat kecil karena gerakan Bumi mengelilingi matahari. Goyangan ini hanya berukuran 1/100 piksel tunggal pada kamera teleskop, yang kira-kira seukuran butiran pasir yang terlihat berjarak 100 mil (160 km).
Untuk memastikan keakuratan pengukuran, para astronom mengembangkan metode pintar yang tidak dibayangkan ketika Hubble diluncurkan pada tahun 1990. Para peneliti menemukan teknik pemindaian di mana teleskop mengukur posisi bintang seribu kali per menit setiap enam bulan selama enam bulan selama empat tahun selama empat tahun . Teleskop perlahan melesat melintasi target bintang dan menangkap gambar sebagai seberkas cahaya. Riess berkata:
Metode ini memungkinkan untuk peluang berulang untuk mengukur perpindahan sangat kecil karena paralaks. Anda mengukur pemisahan antara dua bintang, tidak hanya di satu tempat di kamera, tetapi berulang kali, mengurangi kesalahan dalam pengukuran.
Tim Riess membandingkan jarak galaksi dalam kaitannya dengan Bumi dengan perluasan ruang yang diukur dengan peregangan cahaya dari galaksi surut, menggunakan kecepatan luar yang tampak dari galaksi di setiap jarak untuk menghitung konstanta Hubble. Tujuan mereka adalah untuk mengurangi ketidakpastian lebih lanjut dengan menggunakan data dari Hubble dan observatorium ruang angkasa Gaia dari Badan Antariksa Eropa, yang akan mengukur posisi dan jarak bintang dengan ketelitian yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Intinya: Para ilmuwan yang mengukur tingkat ekspansi alam semesta mengatakan bahwa angka baru mereka tetap berselisih dengan pengukuran independen ekspansi alam semesta awal, yang bisa berarti bahwa ada sesuatu yang tidak diketahui tentang susunan alam semesta.