Konflik Kosmis: Menyimpang Data Ekspansi Polarisasi Alam Semesta Para Ilmuwan


Galaksi spiral NGC 4258, seperti yang terlihat oleh Hubble Space Telescope. Studi tentang galaksi ini dan banyak lainnya menunjukkan bahwa alam semesta mengembang lebih cepat dari yang diperkirakan berdasarkan model kosmologis standar. Apa yang bermula sebagai debat tentang pengukuran astronomi sedang berada di ambang krisis penuh bagaimana kita memahami kosmos

Galaksi spiral NGC 4258, seperti yang terlihat oleh Hubble Space Telescope. Studi tentang galaksi ini dan banyak lainnya menunjukkan bahwa alam semesta mengembang lebih cepat dari yang diperkirakan berdasarkan model kosmologis standar.

Apa yang bermula sebagai debat tentang pengukuran astronomi sedang berada di ambang krisis penuh bagaimana kita memahami kosmos. Dua set data — satu dari alam semesta yang baru lahir hampir 14 miliar tahun yang lalu, yang lain dari bintang seperti yang kita lihat sekarang — menghasilkan jawaban kontradiktif terhadap pertanyaan sederhana yang menipu: Seberapa cepat alam semesta berkembang?

Kesenjangan antara jawaban hanya 9 persen, tetapi itu jauh melebihi perkiraan ketidakpastian setiap set data. Para peneliti di setiap sisi celah menyebutnya "ketegangan, " dan sedang menggali tumit mereka tentang validitas pengamatan mereka. Ketegangan ini adalah hal-hal dari mimpi ilmiah — dan mimpi buruk. Ini mengisyaratkan bahwa di suatu tempat, entah bagaimana, pemahaman kita tentang hukum-hukum alam mungkin secara mendasar cacat — dengan implikasi yang berpotensi besar bagi fisika, dan mungkin bahkan nasib segala sesuatu.

"Jika ketegangan itu bukan kebetulan dan itu bukan kesalahan dalam pengukuran, itu berarti kita kehilangan sesuatu dalam model kita, " kata Adam Riess, seorang astrofisikawan di Johns Hopkins University dan Space Telescope Science Institute. "Membuat pengukuran ini untuk alam semesta awal dan kemudian membandingkannya dengan hari ini adalah ujian ujung ke ujung dari seluruh cerita yang telah kita bangun tentang alam semesta. Masalahnya adalah, jika ada sesuatu yang tidak sesuai, kita tidak tahu di mana persisnya cerita itu berbeda. ”

Jawaban atas pertanyaan tentang laju ekspansi alam semesta adalah sesuatu yang disebut konstanta Hubble, dinamai astronom Edwin Hubble yang menemukan pada 1920-an bahwa alam semesta mengembang. Galaksi surut dari kita dengan kecepatan sebanding dengan jaraknya, semakin cepat semakin jauh jaraknya. Konstanta Hubble mengkodekan hubungan ini antara jarak dan kecepatan kosmik. Tetapi dengan melakukan hal itu ia mengungkapkan lebih banyak, menjadikannya menarik bukan hanya bagi para astronom tetapi juga bagi para kosmolog dan fisikawan. Karena konstanta mewakili laju ekspansi pada setiap momen tertentu dalam sejarah panjang alam semesta, mengukur nilainya dari waktu ke waktu memberikan pandangan yang luas tentang bagaimana alam semesta berevolusi selama ribuan tahun, memberikan para peneliti petunjuk penting tentang asal usul dan masa depan kosmik kita. Entah bagaimana diperingatkan oleh kehampaan, miliaran galaksi yang tergeser keluar juga merasakan tarikan gravitasi kolektif dari segala sesuatu di kaca spion yang mencoba menariknya kembali. Konstanta Hubble mencerminkan jumlah total semua barang di alam semesta dan kekuatan yang bekerja padanya — mempertimbangkan apakah gravitasi atau kekosongan pada akhirnya akan memenangkan tarik-menarik perang antar-galaksi ini.

Isi alam semesta pada akhirnya bisa membalikkan ekspansi — sebuah skenario yang disebut “kegentingan besar, ” di mana gravitasi menarik semuanya kembali ke titik yang sangat panas dan padat seperti yang melahirkan ledakan besar. Atau alam semesta mungkin terus berkembang tanpa batas, semakin lama semakin dingin dan tak tertahankan dalam “dingin besar” yang menawarkan ruang dan waktu tanpa akhir — tetapi pada akhirnya sangat sedikit yang bisa dilakukan. Atau mungkin saja ekspansi kosmik akan secara dramatis mempercepat, menjadi sedemikian sulitnya sehingga membuat semua penunggangnya kehilangan uang. Semesta yang berakselerasi seperti itu dapat menghancurkan galaksi, lalu bintang, lalu planet, atom, dan partikel subatom sampai bahkan lapisan realitas itu sendiri terbelah di lapisan-lapisannya dalam "robekan besar" yang hampir tidak meninggalkan apa pun di belakang. Akankah alam semesta berakhir dengan api, es, atau kekosongan? Konstanta Hubble tahu — tetapi sampai ketegangan teratasi, jawabannya tidak jelas.

Gambar Hubble Space Telescope dari bintang variabel Cepheid RS Puppis. Para astronom menggunakan variabel Cepheid serta supernova untuk mengukur laju ekspansi alam semesta. Penghargaan : NASA, ESA dan Tim Pusaka Hubble

Menatap Sepatu Supernova

"Ini adalah parameter kosmologis yang paling penting, " kata Wendy Freedman, ahli astrofisika di University of Chicago yang telah menghabiskan karirnya mengejar konstanta Hubble. “Ini adalah jangkar karena memiliki dampak tertinggi pada jumlah terbesar. Ini adalah pengukuran yang benar-benar penting. ”Pada 1990-an dan awal 2000-an, Freedman memimpin sebuah tim yang menggunakan Teleskop Luar Angkasa Hubble untuk memberikan pengukuran terbaik yang belum dilakukan konstanta. Orang lain sejak itu telah memperbaiki mereka.

Selama dekade terakhir, Riess berada di garis depan upaya itu, memimpin tim astronom yang menggunakan teleskop di darat dan di luar angkasa untuk lebih menyempurnakan estimasi konstanta Hubble, dalam sebuah proyek yang disebut "SH0ES" (jangan tanya ).

Target pilihan SH0ES adalah ledakan bintang yang disebut supernova tipe Ia. Bintang-bintang yang meledak ini bercahaya dengan luminositas yang hampir identik di seluruh kosmos, menjadikannya "lilin standar" yang ideal untuk mengukur jarak ke galaksi lain. Dengan mengetahui seberapa terang suatu tipe Ia sebenarnya versus seberapa terang kelihatannya dalam teleskop mereka, para ilmuwan dapat menghitung seberapa banyak ruang yang terletak antara Bumi dan bencana bintang jauh itu. Mereka juga dapat mengukur pergeseran merah masing-masing supernova — cara perluasan ruang antara supernova dan Bumi telah merentangkan cahaya supernova ke panjang gelombang yang lebih panjang dan lebih merah. Mereka kemudian memperkirakan laju ekspansi dengan membandingkan pergeseran merah dan kecerahan banyak supernova yang tersebar di seluruh kosmos. Namun, untuk mengkalibrasi pengukuran supernova mereka, tim SH0ES juga menggunakan lilin standar lain: bintang variabel Cepheid, yang secara berkala berdenyut sehubungan dengan luminositasnya dan menawarkan pengukuran jarak superior di sekitar Bimasakti.

Memasangkan supernova dan data Cepheid memungkinkan tim SH0ES mendapatkan estimasi yang lebih tepat untuk konstanta Hubble, mengurangi margin kesalahan pengukuran dari 5 persen pada 2009 menjadi hanya 2, 4 persen pada 2016. Upaya terbaru mereka, dikalibrasi menggunakan yang baru dan ditingkatkan Data jarak Cepheid dari pesawat ruang angkasa European Space Agency (ESA) Gaia, mengurangi ketidakpastian menjadi 2, 2 persen. Selama bertahun-tahun perhitungan tim SH0ES tentang konstanta Hubble tetap sangat konsisten: Menurut supernova dan Cepheids, alam semesta mengembang dengan kecepatan 73, 5 kilometer per detik per megaparsec (sekitar 3, 3 juta tahun cahaya). Yaitu, untuk setiap 3, 3 juta tahun cahaya ruang antara kita dan galaksi lain, galaksi terakhir akan surut dari kita 73, 5 kilometer per detik lebih cepat.

Ketegangan muncul dari pengukuran independen yang dilakukan oleh pesawat ESA lain — Planck. Dari tahun 2009 hingga 2013, Planck membuat peta terperinci yang belum pernah terjadi sebelumnya dari latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), cahaya sisa dari bola api primordial big bang sejak alam semesta baru berusia 380.000 tahun. Tim Planck menurunkan konstanta Hubble dari zaman dulu dengan terlebih dahulu memodelkan ukuran dan gerakan gelombang suara yang seharusnya berdesir melalui sup partikel bermuatan yang mengisi alam semesta awal. Selanjutnya, mereka membandingkan perkiraan tersebut dengan gema yang sebenarnya tercetak di CMB. Perbandingan menyediakan jarak ke CMB dan dimensi skalar dari fitur-fiturnya, memungkinkan tim Planck untuk mencatat laju ekspansi alam semesta primordial di hanya 67, 3 kilometer per detik per megaparsec. Perkiraan itu, dan margin kesalahannya yang luar biasa hanya 1 persen, sangat bergantung pada "model standar" kosmologi yang mapan — konstruksi teoretis kludgelike yang secara kuat memprediksi banyak fitur yang diamati baik dari CMB maupun kosmos kontemporer.

"Ini seperti dokter anak yang mengukur dan menghitung bahwa anak Anda akan menjadi setinggi enam kaki, tetapi anak Anda akhirnya tumbuh menjadi enam setengah kaki, " kata Riess. "Itu berarti sesuatu yang lain sedang terjadi — mungkin anak Anda mengalami lonjakan pertumbuhan atau mendapat suntikan hormon. Dalam hal ini, ini adalah fisika model kosmologis terbaik kami yang menyediakan bagan pertumbuhan. Tapi siapa bilang kita benar-benar punya itu? ”

Sekarang setelah lulus tes lain melalui pengukuran jarak Cepheid Gaia, Riess mengatakan, peluang pengukuran konstan SH0ES Hubble menjadi kebetulan statistik hanya satu dari 7.000. Fisikawan biasanya menganggap ukuran penting ketika mencapai kemungkinan statistik satu per sejuta; saat ini, hasil SH0ES tetap kurang dari standar yang tinggi itu, tetapi semakin dekat setiap saat. Sementara itu, tim Planck juga tidak bergerak; validitas hasilnya, kata anggota tim secara konsisten, secara praktis tidak dapat disangkal.

Peta langit-langit pesawat ruang angkasa Planck tentang variasi dalam latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), cahaya tertua yang dapat diamati di alam semesta. Perkiraan laju ekspansi alam semesta berasal dari konflik data Planck dengan yang berasal dari supernova dan sumber lainnya. Kredit : Kolaborasi ESA dan Planck

Melampaui Model Standar

Ini bukan pertama kalinya ekspansi alam semesta membingungkan para ilmuwan. Pada 1920-an, ekspansi itu sendiri mengejutkan sebagian besar peneliti, terutama Albert Einstein. Berlawanan dengan kesukaannya pada kosmos statis, teori relativitas umum Einstein meramalkan alam semesta yang pasti akan meluas atau runtuh. Untuk "memperbaiki" ini, ia menambahkan istilah baru ke dalam perhitungannya: semacam antigravitasi yang meliputi semua ruang yang bisa bertindak untuk menjaga keseimbangan universal. Einstein pertama kali menjulukinya "konstanta kosmologis" —tetapi kemudian diduga menyebutnya sebagai "kesalahan terbesar", menyusul penemuan Hubble. Intuisi awal Einstein tampaknya terbukti benar pada awal 1990-an, ketika Riess dan para astronom lainnya menemukan supernova tipe Ia yang jauh lebih redup (dan dengan demikian semakin jauh) daripada yang diperkirakan. "Energi gelap" misterius tampaknya menyebabkan percepatan ekspansi alam semesta; mungkin, banyak fisikawan berspekulasi, energi gelap dan konstanta kosmologis adalah satu dan sama. Pengukuran dari CMB dan sumber-sumber lain dengan cepat mengkonfirmasi keberadaan energi gelap jika bukan sifatnya yang tepat, sehingga Riess dan dua lainnya menerima Hadiah Nobel Fisika 2011.

Karena efeknya akan terdistribusi secara merata di seluruh ruang, karena ruang itu sendiri memperluas konstanta kosmologis akan menjadi lebih kuat, meningkatkan laju percepatan untuk menghasilkan baik dingin besar atau rip besar sebagai nasib utama alam semesta. Tapi dorongan itu, tampaknya, masih jauh dari konstanta Hubble yang diamati tim SH0ES dan kelompok lain di alam semesta saat ini. Jadi ketegangan saat ini, menurut Riess, bisa jadi karena energi gelap sama sekali bukan konstanta kosmologis Einstein (walaupun ia cepat-cepat menambahkan skenario seperti itu tidak sangat didukung oleh pengamatan galaksi di tengah antara CMB dan saat ini). Jika energi gelap bukan konstanta kosmologis Einstein, energi gelap itu berpotensi memicu percepatan yang lebih cepat, mengurangi ketegangan. Secara teori, bentuk energi gelap yang tidak standar semacam itu juga dapat secara signifikan mengurangi atau bahkan membalikkan efeknya di masa depan, membuka kemungkinan bahwa alam semesta masih bisa mengalami guncangan besar.

Penjelasan spekulatif lain ada untuk ketegangan, masing-masing jalan lain peneliti harus mengikuti labirin kemungkinan menentukan nasib akhir kosmos. Mereka termasuk varietas partikel subatomik yang bergerak cepat yang belum ditemukan, pengaruh dimensi "ekstra" yang tersembunyi, atau berbagai interaksi dengan materi gelap — untuk menyebutkan beberapa saja. Bisa jadi lebih dari satu jenis fisika di luar model standar berperan dalam ketegangan yang tampak antara perkiraan konstan Hubble dari ujung berlawanan dari alam semesta.

Konspirasi Kesalahan?

Kemudian lagi, beberapa skeptis mengatakan, penjelasan yang paling mungkin hanyalah kesalahan yang dilakukan dalam pengukuran. Garis partai Tim Planck, khususnya, adalah bahwa kesalahan dalam mengkalibrasi Cepheids dan supernova tipe Ia mungkin disalahkan atas ketegangan.

“Kami tidak tahu apa jawabannya, tetapi benar-benar tidak ada penjelasan teoretis yang masuk akal bagi kami, ” kata Lloyd Knox, anggota tim Planck di University of California, Davis. “Berbicara hanya untuk diri saya sendiri, jika saya harus menempatkan uang pada apa pun, saya masih akan menebak ketegangan adalah kesalahan sistematis dalam pengukuran langsung konstanta Hubble [di alam semesta modern].” Misalnya, kata Knox, tatapan tajam dari bintang latar belakang di galaksi yang jauh dapat mencemari pengukuran kecerahan untuk Cepheids, menyabot reyot tangga jarak kosmik astronom di dekat pangkalannya dan membuang langkah-langkah tergantung jarak yang lebih jauh. Sebaliknya, Knox dan yang lainnya mencatat, derivasi tim Planck atas konstanta Hubble sejajar dengan banyak bukti independen yang sangat kuat — seperti pengelompokan galaksi skala besar dan rasio elemen cahaya yang diamati yang dihasilkan pada beberapa saat pertama setelah Ledakan Besar. Dan hasil Planck, kata Knox, juga baru-baru ini divalidasi melalui studi CMB tindak lanjut menggunakan Teleskop Kutub Selatan.

Riess berpendapat bahwa berkali-kali tes yang dilakukan oleh SH0ES dan tim lain telah menunjukkan bintang latar belakang bukan sumber kesalahan yang signifikan dalam pengukuran Cepheid. Selain itu, hasil SH0ES hadir dengan kekayaan data yang menguatkan semuanya: Terpisah dari supernova dan Cepheids, pengukuran lain dari konstanta Hubble di alam semesta saat ini mencapai nilai mendekati 73, 5 yang ditemukan oleh SH0ES. Pada 2017, sebuah tim internasional yang dijuluki H0LiCOW (sekali lagi, jangan tanya) mencatat konstanta Hubble pada 72 kilometer per detik per megaparsec. Mereka melakukannya dengan mengukur waktu kedatangan sinar cahaya yang tertunda dari galaksi yang jauh ketika berbagai jalur sinar melalui ruang angkasa terdistorsi oleh galaksi besar yang lebih dekat ke Bumi.

Montase ini menunjukkan cahaya dari lima galaksi latar belakang terdistorsi oleh galaksi latar depan besar yang lebih dekat ke Bumi. Distorsi menyebabkan galaksi latar muncul sebagai beberapa gambar. Para ilmuwan dalam kolaborasi H0LiCOW mempelajari objek-objek ini untuk membuat pengukuran independen ekspansi alam semesta yang konsisten dengan perkiraan sebelumnya berdasarkan pada variabel supernova dan Cepheid. Kredit : NASA, ESA, Hubble dan Suyu et al

Hasil itu, kata anggota tim H0LiCOW, Tommaso Treu, seorang astrofisika di University of California, Los Angeles, semata-mata didasarkan pada geometri dasar dan relativitas umum Einstein — dan dengan demikian sepenuhnya independen dari faktor-faktor yang mungkin menodai SH0ES atau pengukuran Planck. "Dalam kombinasi dengan hasil SH0ES, ini menambah bukti untuk ketegangan, " kata Treu.

Secara bersama-sama, Riess menganggap bukti yang mendukung hasilnya hampir luar biasa. Agar salah, katanya, akan membutuhkan “konspirasi kesalahan — banyak kesalahan, satu untuk setiap pendekatan, yang independen tetapi oleh beberapa kedengkian semua ukuran yang sama dan dalam arah yang sama. Dan seperti yang dikatakan Einstein, 'Tuhan itu halus, tetapi dia tidak jahat.' ”

David Spergel, seorang astrofisikawan di Universitas Princeton dan Institut Flatiron, percaya sudah saatnya tim dari kedua belah pihak untuk mengakui ketidakpastian dalam data mereka mungkin lebih besar dari yang diyakini sebelumnya. "Secara historis, baik astronom dan kosmolog telah meremehkan kesalahan mereka; Saya pikir itu juga berlaku untuk pengukuran di sini, ”katanya.

Resolusi mungkin ada di cakrawala. Spergel adalah salah satu ilmuwan terkemuka yang merencanakan Teleskop Survei Inframerah Wide-Field NASA (WFIRST), sebuah observatorium ruang angkasa yang dijadwalkan untuk diluncurkan pada tahun 2020 dengan tujuan utama mempelajari energi gelap. ESA sedang merencanakan misi serupa, Euclid, yang akan melengkapi studi WFIRST. Misi ini dapat membantu menyelesaikan ketegangan dengan mengklarifikasi apakah energi gelap berperilaku seperti konstanta kosmologis Einstein atau sesuatu yang sangat berbeda. James Webb Space Telescope milik NASA, yang akan diluncurkan sedini tahun 2020, juga dapat memberikan longsoran pengamatan baru untuk membatasi konstanta, seperti halnya rilis data Gaia pada tahun 2020 dan selanjutnya. Sekitar waktu yang sama teknik-teknik novel lainnya cenderung matang juga. Ini akan bergantung pada survei populasi bintang yang sebelumnya tidak dapat diakses atau bahkan pengamatan gelombang gravitasi dari sejumlah besar bintang neutron yang bertabrakan untuk mendapatkan pengukuran independen tambahan dari konstanta Hubble.

Namun, untuk saat ini, ketegangan tetap ada — simbol kiasan dan literal tentang seberapa cepat pemahaman kita tentang alam semesta semakin cepat, dan seberapa jauh kita masih harus melangkah.