Radiasi Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik: Gema Awal Semesta
Dalam studi tentang alam semesta, radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) adalah salah satu penemuan paling penting yang mendukung teori Big Bang. Ini adalah radiasi termal yang memenuhi alam semesta yang teramati, dan dapat dideteksi sebagai "desisan" latar belakang yang hampir seragam di segala arah. Meskipun dengan teleskop optik tradisional ruang antara bintang dan galaksi tampak sepenuhnya gelap, teleskop radio yang cukup sensitif mengungkapkan latar belakang yang menyala ini, tidak terkait dengan bintang, galaksi, atau benda langit tertentu. Pancaran ini paling kuat di wilayah gelombang mikro pada spektrum radio.
Asal Usul Radiasi Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik
Radiasi latar belakang kosmik dijelaskan sebagai radiasi sisa dari tahap awal perkembangan alam semesta. Menurut teori Big Bang, alam semesta dimulai dari titik yang sangat kecil dan padat yang kemudian mengembang dan mendingin. Pada saat alam semesta masih sangat muda, sebelum pembentukan bintang dan planet, ia lebih kecil, lebih panas, dan dipenuhi dengan pancaran seragam dari kabut plasma hidrogen yang sangat panas. Saat alam semesta mengembang, plasma dan radiasi di dalamnya mendingin. Ketika alam semesta cukup dingin, proton dan elektron dapat bergabung membentuk atom netral. Atom-atom ini tidak lagi dapat menyerap radiasi termal, dan alam semesta menjadi transparan. Para kosmolog menyebut periode pembentukan atom netral pertama ini sebagai era rekombinasi. Radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik adalah peninggalan dari "cahaya pertama" ini, yang dilepaskan tak lama setelah Big Bang ketika alam semesta menjadi transparan.
Penemuan yang Tidak Disengaja
Eksistensi radiasi latar belakang kosmik pertama kali diprediksi pada tahun 1940-an oleh George Gamow dan murid-muridnya, Ralph Alpher dan Robert Herman. Mereka berpendapat bahwa panas dari Big Bang pasti belum hilang sepenuhnya dan seharusnya masih ada hingga kini. Menurut prediksi mereka, energi tersebut seharusnya tersebar merata di seluruh alam semesta sebagai radiasi latar belakang gelombang mikro.
Penemuan yang sebenarnya terjadi secara tidak sengaja pada tahun 1965 oleh dua ilmuwan muda di Bell Telephone Laboratories, Arno Penzias dan Robert Wilson. Saat menguji antena gelombang mikro untuk eksperimen komunikasi satelit, mereka mendeteksi gangguan berupa "desisan" atau noise latar belakang yang tidak dapat mereka hilangkan, tidak peduli ke arah mana antena diarahkan. Desisan ini datang dari setiap arah di langit dengan intensitas yang sama, siang atau malam, musim panas atau musim dingin. Mereka mencoba berbagai cara untuk menjelaskan kebisingan ini, termasuk memeriksa kemungkinan masalah pada peralatan atau gangguan dari sumber lain seperti kotoran burung di antena, tetapi semuanya gagal.
Pada akhirnya, Penzias mengetahui tentang pekerjaan James Peebles dan Robert Dicke di Universitas Princeton, yang sedang mencari bukti radiasi latar belakang yang diprediksi oleh teori Big Bang. Ketika Penzias menghubungi Robert Dicke, Dicke menyadari bahwa kebisingan yang ditemukan oleh Penzias dan Wilson adalah radiasi sisa dari asal mula alam semesta yang mereka prediksi. Penzias dan Wilson dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1978 atas penemuan mereka yang secara tidak sengaja mengkonfirmasi teori Big Bang.
Pengukuran dan Signifikansi CMB
Sejak penemuan Penzias dan Wilson, penelitian tentang radiasi latar belakang kosmik terus berlanjut. Satelit Cosmic Background Explorer (COBE) yang diluncurkan NASA pada tahun 1989, merevolusi studi ini. COBE dirancang untuk beroperasi di bagian spektrum inframerah jauh dan milimeter, dan melakukan survei seluruh langit terhadap radiasi latar belakang kosmik. COBE memiliki tiga instrumen: spektrofotometer absolut inframerah jauh (FIRAS), radiometer gelombang mikro diferensial (DMR), dan Eksperimen Latar Belakang Inframerah Difus (DIRBE).
COBE mengukur spektrum radiasi latar belakang kosmik dengan presisi sekitar 1.000 kali lebih baik dari pengukuran sebelumnya dan menemukan bahwa itu adalah kurva benda hitam yang sempurna dengan suhu sekitar 2,7 Kelvin. Ini adalah bukti kuat untuk teori Big Bang, karena teori ini memprediksi bahwa radiasi sisa akan memiliki spektrum benda hitam. COBE juga mendeteksi fluktuasi suhu yang sangat kecil pada radiasi latar belakang kosmik, yang merupakan jejak dari ketidakseragaman materi di alam semesta awal. Fluktuasi ini sangat kecil, dengan amplitudo hanya sekitar 1 bagian dalam 100.000 pada skala sudut 10 derajat di langit. Namun, fluktuasi suhu inilah yang kemudian tumbuh menjadi struktur skala besar di alam semesta seperti galaksi dan gugus galaksi.
Setelah COBE, misi lain seperti Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) pada tahun 2001 dan misi Planck oleh European Space Agency pada tahun 2009 memberikan pengukuran CMB yang lebih presisi dan detail lagi. Data dari misi-misi ini memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari lebih lanjut tentang komposisi, usia, dan perkembangan alam semesta.
CMB sebagai Pilar Kosmologi Big Bang
Radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik, bersama dengan pengamatan perluasan alam semesta oleh Edwin Hubble dan kelimpahan elemen ringan tertentu (hidrogen, helium, dan deuterium) yang diprediksi oleh nukleosintesis Big Bang, membentuk tiga pilar utama kosmologi Big Bang. Tidak ada teori lain yang dapat menjelaskan ketiga fenomena yang teramati ini sebaik teori Big Bang. Dari ketiga pilar ini, CMB dianggap menyimpan paling banyak informasi tentang sifat alam semesta tempat kita hidup.
Sifat Isotropik dan Anisotropik CMB
CMB sangat menakjubkan karena tampak memiliki suhu yang hampir sama di setiap arah di langit. Ini disebut isotropi. Namun, keberadaan galaksi dan bintang menunjukkan bahwa pasti ada "penggumpalan" dalam distribusi materi pada masa-masa sangat awal. Distribusi materi yang tidak merata ini seharusnya meninggalkan jejak pada distribusi radiasi pada saat itu. Oleh karena itu, para ilmuwan mencari ketidakberaturan kecil dalam CMB yang mewakili ketidakseragaman materi kuno ini, yang dikenal sebagai anisotropi.
Instrumen DMR pada satelit COBE dirancang untuk mencari ketidakberaturan ini, dan pada tahun 1992, tim peneliti COBE mengumumkan bahwa mereka memiliki bukti adanya "titik panas" dan "titik dingin" kecil di CMB. Fluktuasi suhu ini menunjukkan bahwa alam semesta awal tidak sepenuhnya mulus, tetapi memiliki variasi kepadatan yang menjadi benih bagi pembentukan struktur kosmik.
Polarisasi dalam CMB
Meskipun alam semesta saat ini bersuhu dingin sekitar 2,7 Kelvin, ia pernah jauh lebih panas. Pada masa-masa awal, alam semesta begitu panas sehingga elektron dan proton tidak dapat bergabung membentuk atom netral, menciptakan "sup primordial" yang terdiri dari partikel bermuatan bebas. Radiasi berinteraksi kuat dengan elektron bebas ini, membuat alam semesta menjadi buram. Namun, ketika alam semesta mendingin dan atom netral terbentuk (era rekombinasi), radiasi dapat bergerak bebas. Radiasi CMB yang kita lihat hari ini membawa informasi dari era ini.
Ketika radiasi yang bersifat anisotropik mengenai elektron bebas pada saat hamburan terakhir, radiasi yang dihasilkan menjadi terpolarisasi pada tingkat yang sangat kecil. Polarisasi ini bergantung pada amplitudo anisotropi dan kepadatan elektron, di antara faktor-faktor lainnya. Para ilmuwan mencari sinyal polarisasi ini pada tingkat variasi beberapa mikro Kelvin, yang merupakan tugas yang sangat menantang.
Kesimpulan
Radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik adalah bukti kunci yang mendukung teori Big Bang. Penemuannya yang tidak disengaja oleh Penzias dan Wilson, dan pengukuran yang semakin presisi oleh misi-misi seperti COBE, WMAP, dan Planck, telah memberikan wawasan yang luar biasa tentang asal usul, komposisi, dan evolusi alam semesta. Studi CMB terus menjadi bidang penelitian yang aktif dalam kosmologi, mengungkap lebih banyak detail tentang kondisi alam semesta pada masa-masa awalnya dan memberikan petunjuk tentang masa depannya. Ini adalah potret tertua dari alam semesta, yang memungkinkan kita untuk melihat kembali hampir ke awal waktu itu sendiri.