Dentuman Besar

Bagaimana alam semesta tumbuh dari awal yang panas dan padat menjadi jaring galaksi, selama 13,8 miliar tahun

Langkah demi langkah

Alam semesta hari ini

Galaksi-galaksi berjajar di sepanjang jaring filamen yang mengelilingi rongga kosong: alam semesta 13,8 miliar tahun setelah Dentuman Besar. Ruang itu sendiri masih terus meregang, membawa galaksi-galaksi saling menjauh.

Wilayah yang ditampilkan lebarnya sekitar 800 juta tahun cahaya. Galaksi-galaksinya berkumpul dalam dinding dan filamen di sekeliling rongga selebar seratus juta tahun cahaya atau lebih, pola yang diungkap oleh survei yang memetakan jutaan galaksi. Jaring di sini digambar dari model sederhana, bukan dipetakan, sehingga tampak seperti yang asli tanpa benar-benar menjadi yang asli.

Galaksi yang jauh bergerak menjauhi kita makin cepat makin jauh letaknya: sekitar 67 km/s lebih cepat untuk setiap 3,26 juta tahun cahaya. Mereka tidak terbang menembus ruang; ruang di antara merekalah yang bertambah. Putar jam mundur, dan segala sesuatu pasti dulu pernah berdesakan rapat.

Memutar jam mundur

Jalankan waktu mundur, dan galaksi-galaksi berdesakan, larut menjadi gas yang merata, lalu lenyap dalam cahaya yang makin panas. Tidak ada pusat: dari mana pun, segalanya mendekat dengan cara yang sama.

Dentuman Besar bukanlah ledakan di satu titik dalam ruang. Ruang itu sendiri lebih kecil di mana-mana sekaligus, dan setiap bagian alam semesta hari ini ikut di dalamnya. Pilih galaksi mana saja: saat diputar mundur, semua galaksi lain mendekatinya, persis seperti mereka mendekati galaksi kita.

Segala yang dapat kita lihat hari ini, kini selebar 93 miliar tahun cahaya, satu detik setelah Dentuman Besar muat dalam wilayah selebar sekitar 18 tahun cahaya. Apa yang terjadi pada saat paling awal, atau apakah ada “sebelum”, belum ada yang tahu: fisika kita hanya bisa menelusuri alam semesta mundur sampai saat umurnya sudah sepersekian kecil detik.

Detik pertama

Sepersejuta detik setelahnya, ruang dipenuhi kuark, gluon, dan cahaya bersuhu triliunan derajat. Setelah sekitar seperseratus ribu detik, kuark-kuark berkumpul menjadi proton dan neutron.

Tak ada yang sepanas ini sekarang, bahkan inti bintang pun tidak. Seluruh alam semesta adalah sup kental partikel terkecil yang terlalu sering bertabrakan sehingga tak ada yang bisa menyatu. Saat ruang bertambah, ia mendingin, dan pada sekitar dua triliun derajat kuark-kuark bergabung bertiga-tiga: proton dan neutron.

Awalnya jumlah neutron sama dengan proton. Neutron sedikit lebih berat, jadi seiring pendinginan jumlahnya makin sedikit, hingga sedikit lewat satu detik keduanya berhenti saling berubah: satu neutron untuk setiap enam proton. Saat itu neutrino sudah lolos; hingga kini mereka masih memenuhi ruang.

Menit-menit pertama

Antara sekitar menit ketiga dan kedua puluh, proton dan neutron menyatu menjadi helium, hingga seperempat dari seluruh materi biasa adalah helium. Setelah itu alam semesta terlalu dingin untuk membuat lebih banyak.

Proton dan neutron mula-mula berpasangan menjadi deuterium, tetapi selama beberapa menit cahaya masih cukup panas untuk memecah pasangan itu. Begitu suhunya turun di bawah sekitar satu miliar derajat, pasangan itu bertahan dan cepat bergabung menjadi helium. Hampir setiap neutron berakhir di dalam inti helium.

Hasilnya, sekitar tiga perempat hidrogen dan seperempat helium menurut massa, dengan sedikit deuterium dan litium, persis seperti yang ditemukan astronom pada gas dan bintang tertua. Ini termasuk bukti terkuat bahwa Dentuman Besar memang terjadi, dan itu terjadi dalam dua puluh menit pertama alam semesta.

Kabut yang berpendar

Selama 370.000 tahun berikutnya, alam semesta adalah kabut berpendar dari inti atom, elektron, dan cahaya. Cahaya tak bisa melaju jauh sebelum terpantul oleh elektron, sehingga tak ada yang terlihat menembusnya.

Rasanya seperti berada di dalam bintang, tetapi makin renggang dan dingin seiring ruang bertambah. Materi dan cahaya saling mendorong dan menarik, dan gelombang bunyi bergema di dalam kabut. Riak yang mereka tinggalkan sangat kecil, sekitar satu per 100.000; di sini digambar ribuan kali lebih kuat.

Perlahan kabut mendingin dari ratusan juta derajat menjadi beberapa ribu, dan warna pendarnya berubah seperti bintang yang mendingin: dari putih kebiruan ke kuning lalu jingga. Ada sekitar 1,6 miliar partikel cahaya untuk setiap proton atau neutron.

Kabut menghilang

Pada sekitar 3.000 derajat, kira-kira 370.000 tahun setelah Dentuman Besar, elektron menempel pada inti atom dan kabut menjadi bening. Cahaya yang terlepas saat itu masih sampai kepada kita dari segala arah: radiasi latar gelombang mikro kosmik.

Begitu elektron terikat dalam atom hidrogen dan helium, cahaya melintas di antaranya dengan bebas. Cahaya itu terus menempuh perjalanan sejak saat itu. Diregangkan oleh alam semesta yang terus tumbuh hingga panjang gelombangnya seribu kali lebih panjang, kini ia tiba sebagai gelombang mikro, 2,7 derajat di atas nol mutlak.

Riak-riak kecilnya, bercak selebar sekitar satu derajat di langit, adalah benih setiap galaksi. Satelit telah memetakannya secara rinci, dari COBE hingga WMAP dan Planck; peta aslinya ada di antara foto-foto. Polanya memberi tahu kita umur alam semesta dan dari apa ia tersusun.

Zaman kegelapan

Seiring ruang terus bertambah, cahaya sisa memerah dan meredup. Setelah beberapa juta tahun tak ada lagi cahaya tampak sama sekali, hanya kegelapan, sementara gravitasi diam-diam mengumpulkan materi ke dalam riak-riak itu.

Selama beberapa juta tahun langit masih berpendar merah redup, seperti bara. Lalu cahayanya bergeser ke inframerah, dan alam semesta menjadi gelap. Belum ada bintang, hanya gas hidrogen dan helium yang mendingin.

Dalam kegelapan, materi gelap, yang tidak bersinar maupun menghalangi cahaya dan lima kali lebih berat daripada materi biasa, berkumpul di tempat riak membuatnya sedikit lebih padat, dan gas pun mengikutinya. Di sini ia digambar biru; kenyataannya ia tak terlihat.

Cahaya pertama

Seratus hingga dua ratus juta tahun kemudian, bintang pertama menyala di simpul-simpul terpadat jaring, dan galaksi pertama berkumpul. Cahaya mereka perlahan menjernihkan gas di sekitarnya.

Bintang pertama mungkin sangat besar, panas, dan berumur pendek, hanya tersusun dari hidrogen dan helium; belum satu pun yang ditemukan. Teleskop Luar Angkasa James Webb telah melihat galaksi yang sudah bersinar kurang dari 300 juta tahun setelah Dentuman Besar.

Cahaya ultraungu galaksi muda kembali memecah atom hidrogen di sekitarnya, dan pada sekitar satu miliar tahun, gas di antara galaksi menjadi bening. Bintang-bintangnya juga menempa unsur-unsur berat pertama, dari karbon hingga besi, yang kelak menjadi bahan bintang dan planet.

Jaring bertumbuh

Selama miliaran tahun, galaksi tumbuh dan bergabung di sepanjang jaring. Matahari terbentuk 9,2 miliar tahun setelah Dentuman Besar, dan selama enam miliar tahun terakhir ruang bertambah makin cepat.

Sebagian besar bintang lahir saat alam semesta berumur dua hingga enam miliar tahun; sejak itu kelahiran bintang melambat sekitar sepuluh kali lipat. Matahari dan Bumi kita terbentuk sekitar 4,6 miliar tahun lalu dari gas yang sudah diperkaya oleh generasi-generasi bintang sebelumnya.

Pada 1998 astronom menemukan bahwa bintang-bintang yang meledak di kejauhan ternyata lebih redup daripada perkiraan: pemuaian makin cepat. Apa pun pendorongnya, yang disebut energi gelap, kini membentuk sekitar 68% alam semesta. Apa sebenarnya itu masih menjadi salah satu pertanyaan terbesar yang belum terjawab dalam fisika.