Alam Semesta Quintesensial

Oleh: Jeremiah P. Ostriker dan Paul J. Steinhardt
(Sumber: Scientific American, Special Edition – The Once and Future Cosmos, 31 Desember 2002, hal. 40-49)

Belakangan ini alam semesta dirampas oleh medan energi tak tampak, yang menyebabkan perluasannya mencepat ke luar.

Apakah berakhir sampai di situ? Apakah kosmos sudah dipahami selain detil-detil kecil? Beberapa tahun silam rasanya demikian. Setelah seabad perdebatan sengit, para ilmuwan telah mencapai konsensus luas mengenai sejarah pokok alam semesta. Semua berawal dengan gas dan radiasi bertemperatur dan berdensitas luar biasa tinggi. Selama 15 miliar tahun, ia mengembang dan mendingin. Galaksi-galaksi dan struktur kompleks lain telah tumbuh dari benih mikroskopis—fluktuasi quantum—yang teregang hingga berukuran kosmos dalam periode singkat “inflasi”. Kita juga sudah tahu bahwa hanya sedikit materi yang tersusun dari unsur kimia normal dalam kehidupan harian kita. Mayoritas tersusun dari apa yang disebut dark matter, partikel unsur eksotis yang tak berinteraksi dengan cahaya. Banyak misteri masih tersisa, tapi setidaknya kita telah menyortir gambaran besarnya.

Atau itu cuma dugaan kita. Ternyata kita telah meluputkan sebagian besar cerita ini. Dalam lima tahun belakangan atau lebih, observasi telah meyakinkan para kosmolog bahwa gabungan unsur kimia dan dark matter berjumlah kurang dari setengah kandungan alam semesta. Bagian terbesarnya adalah dark energy yang tersebar di mana-mana dengan fitur aneh dan luar biasa: gravitasinya tidak menarik. Melainkan menolak. Sementara gravitasi [normal] menarik unsur kimia dan dark matter ke bintang dan galaksi, gravitasi yang ini mendorong dark energy ke uap atmosfer tipis yang merembesi ruang. Alam semesta merupakan medan tempur antara kedua kecenderungan ini, dan gravitasi tolak yang menang. Ia perlahan-lahan membenamkan gaya tarik materi biasa—menyebabkan alam semesta berakselerasi hingga laju perluasan yang lebih tinggi lagi, barangkali membawa pada fase inflasi baru yang tak terkendali dan masa depan alam semesta yang sama sekali berbeda dari bayangan kebanyakan kosmolog satu dekade silam.

Dulu-dulu, kosmolog fokus hanya pada pembuktian eksistensi dark energy. Setelah menemukan bukti meyakinkan, mereka kini mengalihkan perhatian pada persoalan yang lebih dalam: dari mana energi ini berasal? Kemungkinan paling dikenal adalah bahwa energi ini inheren atau tak terpisahkan dari struktur ruang. Sekalipun sevolume ruang betul-betul hampa—tanpa materi dan radiasi sedikitpun—ia akan tetap mengandung energi ini. Energi semacam itu merupakan gagasan yang patut dimuliakan yang berawal dari masa Albert Einstein dan upayanya pada 1917 untuk mengkonstruksi model statis alam semesta. Seperti banyak ilmuwan terkemuka selama berabad-abad, termasuk Isaac Newton, Einstein percaya bahwa alam semesta tidak berubah, tak menyusut ataupun mengembang. Untuk mendapatkan [tekanan] stagnasi dari teori relativitas umumnya, dia harus memperkenalkan energi vakum, atau, dalam terminologinya, konstanta kosmologis. Dia menyesuaikan harga konstanta ini agar tolakan gravitasinya persis mengimbangi tarikan gravitasi materi.

Lalu, saat astronom membuktikan bahwa alam semesta sedang mengembang, Einstein menyesali trik buatannya yang disetel halus itu, menyebutnya sebagai blunder terbesar. Tapi barangkali penilaiannya terlalu gegabah. Seandainya konstanta kosmologis memiliki harga agak lebih besar daripada yang Einstein ajukan, tolakannya akan melampaui tarikan materi, dan perluasan kosmik akan mencepat.

Tapi banyak kosmolog kini condong pada ide lain, dikenal sebagai quintessence. Terjemahannya adalah “unsur kelima”, kiasan dari filsafat Yunani kuno, yang menyatakan bahwa alam semesta terdiri dari tanah, udara, api, dan air, plus zat sementara yang mencegah bulan dan planet-planet tidak jatuh ke pusat bola angkasa (celestial sphere). Empat tahun lalu, Robert R. Caldwell, Rahul Dave, dan salah satu dari kami (Steinhardt), semuanya kala itu di Universitas Pennsylvania, memperkenalkan kembali suku tersebut untuk mengacu pada medan quantum dinamis yang, tak seperti medan listrik atau magnet, bergravitasi menolak.

Dinamisme quintessence begitu mempesona para kosmolog. Tantangan terbesar bagi teori dark energy manapun adalah menjelaskan simpulan besarannya—tidak boleh terlalu besar sebab akan mengganggu pembentukan bintang dan galaksi di alam semesta awal, tapi cukup memadai agar efeknya bisa terasa sekarang. Energi vakum bersifat lembam sama sekali, mempertahankan densitas yang sama sepanjang waktu. Konsekuensinya, untuk menjelaskan besaran dark energy hari ini, harga konstanta kosmologis harus disetel halus saat alam semesta terbentuk agar memiliki harga tepat—yang menjadikannya lebih terdengar seperti faktor palsu/buatan. Sebaliknya, quintessence berinteraksi dengan materi dan berevolusi seiring waktu, jadi ia mungkin menyesuaikan diri secara alami untuk mencapai harga yang teramati hari ini.

Resep Alam Semesta

Bahan utama alam semesta adalah dark energy, yang terdiri dari konstanta kosmologis atau medan quantum yang dikenal sebagai quintessence. Bahan lainnya adalah dark matter (tersusun dari partikel-partikel unsur yang eksotis), materi biasa (non-berkilau maupun tampak), dan sedikit radiasi.

Dua Pertiga Realitas
Membedakan kedua opsi ini sangatlah penting untuk fisika. Fisikawan partikel bergantung pada akselerator high-energy untuk menemukan bentuk-bentuk energi dan materi baru. Kini kosmos telah mengungkap tipe energi yang tak disangka, yang tersebar terlalu tipis dan berinteraksi terlalu lemah untuk diselidiki oleh akselerator. Menetapkan apakah energi ini lembam atau dinamis mungkin amat krusial untuk perumusan teori alam fundamental. Fisikawan partikel menemukan bahwa mereka harus terus mencermati perkembangan di angkasa serta di laboratorium akselerator.

Bukti pendukung dark energy telah bertambah sedikit demi sedikit selama hampir satu dekade. Bukti pertama adalah sensus menyeluruh terhadap semua materi di galaksi dan gugus galaksi menggunakan beraneka teknik optis, sinar X, dan radio. Kesimpulan tegasnya adalah massa total unsur-unsur kimia dan dark matter hanya menyusun sepertiga dari jumlah yang disangkakan oleh kebanyakan teoris—yang disebut densitas kritis.

Kebanyakan kosmolog menganggap ini sebagai tanda bahwa para teoris keliru. Kalau demikian, kita hidup di alam semesta yang terus mengembang di mana ruang melengkung secara hiperbola, seperti tanduk pada terompet. Tapi penafsiran ini diredakan oleh pengukuran titik-titik panas dan dingin pada radiasi gelombang mikro kosmik latar, yang distribusinya menunjukkan bahwa ruang [berbentuk] flat dan bahwa densitas total energi sama dengan densitas kritis. Dengan menggabungkan kedua observasi, aritmetika sederhana menyatakan perlunya komponen energi tambahan untuk mengisi dua pertiga densitas energi yang luput.

Apapun itu, komponen baru ini harus gelap, tidak menyerap ataupun memancarkan cahaya, kalau tidak ia sudah terlihat sejak lama. Dalam hal itu, ia menyerupai dark matter. Tapi komponen baru ini—disebut dark energy—berbeda dari dark matter dalam satu hal penting: ia bergravitasi menolak. Kalau tidak, ia akan tertarik ke galaksi dan gugus galaksi, di mana ia akan mempengaruhi gerakan materi tampak. Selama ini tak terlihat pengaruh semacam itu. Lebih jauh, tolakan gravitasi memecahkan “krisis umur” yang melanda kosmologi pada 1990-an. Jika kita menerima pengukuran mutakhir laju perluasan dan berasumsi bahwa perluasan telah dan sedang melambat, maka umur alam semesta kurang dari 12 miliar tahun.

Tapi bukti mengindikasikan bahwa beberapa bintang di galaksi kita berumur 15 miliar tahun. Dengan mendorong laju perluasan alam semesta agar mencepat, tolakan [gravitasi] membuat simpulan umur kosmos sesuai dengan umur benda-benda angkasa [lihat “Antigravitasi Kosmologis”,tulisan Lawrence M. Krauss].

Cacat potensial dalam argumen ini dulu adalah bahwa tolakan gravitasi semestinya menyebabkan perluasan mencepat, yang mana belum teramati. Lalu, pada 1998, bukti terakhir muncul. Dua kelompok terpisah menggunakan pengukuran supernova-supernova jauh untuk mendeteksi perubahan laju perluasan. Kedua kelompok menyimpulkan bahwa alam semesta sedang berakselerasi dan langkah [akselerasi]nya tepat sesuai prediksi [lihat ‘Mensurvey Ruangwaktu dengan Supernova”, tulisan Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner, dan Nicholas B. Suntzeff].

Semua observasi ini menghasilkan tiga bilangan: densitas rata-rata materi (baik biasa maupun gelap), densitas rata-rata dark energy, dan kelengkungan ruang. Persamaan Einstein mendikte bahwa [gabungan] ketiga bilangan menghasilkan densitas kritis. Kombinasi potensial bilangan-bilangan ini bisa digambarkan secara ringkas pada bidang segitiga [lihat ilustrasi di bawah]. Tiga observasi berlainan—sensus materi, radiasi gelombang mikro kosmik latar, dan supernova—ekuivalen dengan pita-pita di dalam segitiga. Luar biasanya, ketiga pita berpapasan di posisi yang sama, yang menjadi bukti pendukung adanya dark energy.

Segitiga Kosmik

Dalam grafik observasi kosmologis ini, sumbu-sumbu melambangkan kemungkinan harga tiga karakteristik kunci alam semesta. Jika alam semesta berbentuk flat, sebagaimana yang dinyatakan teori inflasi, beragam tipe observasi (tiga arsir berwarna) dan garis kelengkungan nol (garis merah) semestinya saling berpapasan. Saat ini, data gelombang mikro latar menghasilkan keberpapasan yang sedikit lebih baik jika dark energy tersusun dari quintessence (garis putus-putus) ketimbang dari konstanta kosmologis (arsir hijau).

Dari Implosi ke Eksplosi
Pengalaman harian kita adalah bersama materi biasa, yang bergravitasi menarik, sehingga sulit membayangkan bagaimana dark energy bisa bergravitasi menolak. Fitur kuncinya adalah bahwa tekanannya negatif. Dalam hukum gravitasi Newton, tekanan tidak memainkan peran; kekuatan gravitasi tergantung pada massa saja. Namun dalam hukum gravitasi Einstein, kekuatan gravitasi tergantung bukan cuma pada massa tapi juga pada bentuk-bentuk energi lain dan pada tekanan. Dengan begitu, tekanan memiliki dua efek: langsung (disebabkan oleh aksi tekanan terhadap material sekitar) dan tak langsung (disebabkan oleh gravitasi yang dihasilkan tekanan tersebut).

Kekuatan Pikiran Positif (dan Negatif)

Apakah segumpal energi mengerahkan gaya gravitasi tarik atau tolak, itu tergantung pada tekanannya. Jika tekanannya nol atau positif, seperti pada radiasi atau materi biasa, gravitasi bersifat menarik. (Lesung ke bawah melambangkan sumur energi potensial.) Radiasi memiliki tekanan lebih besar, jadi gravitasinya lebih menarik. Adapun quintessence, tekanannya negatif dan gravitasinya menolak (lesung menjadi bukit).

Tanda gaya gravitasi ditentukan oleh kombinasi aljabar densitas total energi plus tiga kali tekanan. Jika tekanannya positif, sebagaimana pada radiasi, materi biasa, dan dark matter, maka kombinasinya positif dan gravitasi [bersifat] menarik. Jika tekanannya cukup negatif, kombinasinya negatif dan gravitasi menolak. Secara kuantitatif, kosmolog mempertimbangkan rasio tekanan banding densitas energi, dikenal sebagai persamaan status (equation of state), atau w. Untuk gas biasa, w-nya positif dan berbanding dengan temperatur. Tapi untuk sistem-sistem tertentu, w-nya bisa negatif. Jika ia jatuh ke bawah -1/3, gravitasi menjadi bersifat menolak.

Energi vakum memenuhi syarat ini (asalkan densitasnya positif). Ini merupakan konsekuensi hukum kekekalan energi, yang menurutnya energi tak dapat dimusnahkan. Secara matematis, hukum ini bisa dikatakan dengan cara lain untuk menyatakan bahwa laju perubahan densitas energi sama dengan w + 1. Untuk energi vakum—yang densitasnya, secara definisi, tak pernah berubah—jumlah ini pasti nol. Dengan kata lain, w pasti sama dengan -1. Jadi tekanannya pasti negatif.

Tekanan yang negatif, apa artinya? Sebagian besar gas panas memiliki tekanan positif; energi kinetik atom dan radiasi mendorong kontainer/wadah ke arah luar. Catat, efek langsung tekanan positif (yakni mendorong) adalah kebalikan efek gravitasi (yakni menarik). Tapi kita bisa membayangkan interaksi antara atom-atom yang mengatasi energi kinetik dan menyebabkan gas berimplosi (meledak ke dalam). Gas implosif memiliki tekanan negatif. Balon gas ini akan kolaps ke dalam sebab tekanan di luar (nol atau positif) melampaui tekanan di dalam (negatif). Herannya, efek langsung tekanan negatif, implosi, bisa menjadi kebalikan efek gravitasinya, tolakan.

Efek gravitasi untuk balon amatlah kecil. Tapi sekarang bayangkan mengisi seluruh ruang dengan gas implosif. Dengan demikian tak ada permukaan batas dan tekanan eksternal. Gas masih memiliki tekanan negatif tapi tak ada sesuatu [di sebelah luar] untuk didorong, sehingga tidak mengerahkan efek langsung. Ia hanya punya efek gravitasi—yakni tolakan. Tolakan meregangkan ruang, meningkatkan volumenya dan, pada gilirannya, jumlah energi vakum. Kecenderungan untuk meregang, oleh sebab itu, bersifat self-reinforcing (menguat dengan sendirinya). Alam semesta mengembang dengan langkah mencepat. Pertumbuhan energi vakum mengorbankan medan gravitasi.

Konsep-konsep ini mungkin terdengar ganjil, bahkan Einstein merasa sulit mencernanya. Dia memandang alam semesta statis, motivasi awalnya untuk [menemukan] energi vakum, sebagai kekeliruan sial yang harus ditolak. Tapi konstanta kosmologis, begitu diperkenalkan, tidak mau menghilang. Para teoris segara menyadari bahwa medan-medan quantum mempunyai jumlah energi vakum terhingga, sebuah wujud fluktuasi quantum yang menyulap pasangan-pasangan partikel virtual dari tiada. Estimasi energi vakum total yang dihasilkan semua medan yang dikenal memprediksikan jumlah yang besar—120 orde magnitudo lebih besar daripada densitas energi pada semua materi lain. Dengan kata lain, meski sulit digambarrkan, partikel-partikel virtual fana tersebut semestinya menyumbang densitas energi positif dan konstan, yang mengimplikasikan tekanan negatif. Tapi jika estimasi ini benar, akselerasi luar biasa akan mengoyak-ngoyak atom, bintang, dan galaksi. Jelas, estimasi ini keliru. Salah satu sasaran utama teori-teori gravitasi terpadu adalah mencaritahu alasannya.

Satu proposal menyatakan bahwa suatu kesimetrian, yang sampai sekarang belum ditemukan, dalam fisika fundamental mengakibatkan penghapusan/penetralan efek-efek besar, menihilkan energi vakum. Contoh, fluktuasi quantum pasangan-pasangan partikel virtual menyumbang energi positif untuk partikel-partikel berpusingan setengah bulat (seperti quark dan elektron) tapi [menyumbang] energi negatif untuk partikel berpusingan bulat (seperti photon). Dalam teori-teori standar, penghapusannya tidak sempurna, menyisakan densitas energi yang besar. Tapi fisikawan telah menggali model-model bersupersimetri, relasi antara dua tipe partikel yang bisa menghasilkan penghapusan sempurna. Tapi ada cacat serius, yakni bahwa supersimetri akan valid hanya pada [level] energi amat tinggi. Para teoris sedang mengerjakan cara mempertahankan penghapusan sempurna pada [level] energi rendah.

Pemikiran lain adalah bahwa energi vakum tidak dihapus sempurna. Barangkali ada mekanisme penghapusan yang sedikit tak sempurna. Bukannya membuat konstanta kosmologis persis nol, mekanisme ini menghapuskan hanya sampai 120 angka desimal. Kalau begitu energi vakum dapat mengisi 2/3 [bagian] alam semesta yang luput. Tapi rasanya ganjil. Mekanisme apa yang bisa bekerja dengan presisi setinggi itu? Walaupun dark energy melambangkan massa yang banyak sekali, ia tersebar begitu tipis sehingga energinya kurang dari 4 eV/m3—yang, bagi fisikawan partikel, luar biasa rendah. Gaya terlemah yang dikenal di alam memiliki densitas energi 1.050 kali lebih besar [dari ini].

Jika memperhitungkan masa lampau, energi vakum lebih paradoks lagi. Hari ini materi dan dark energy memiliki densitas rata-rata yang sebanding. Tapi miliaran tahun lampau, ketika mereka mewujud, alam semesta kita seukuran grapefruit (semacam jeruk besar—penj), sehingga materinya 100 orde magnitudo lebih rapat. Namun konstanta kosmologis memiliki harga yang sama seperti sekarang. Dengan kata lain, untuk setiap 10.100 materi bagian, proses-proses fisikal telah menciptakan satu energi vakum bagian—derajat ketepatan yang memang beralasan dalam idealisasi matematis tapi terasa menggelikan untuk diharapkan dari dunia riil. Kebutuhan akan penyetelan supernatural ini merupakan motivasi pokok untuk mempertimbangkan alternatif-alternatif konstanta kosmologis.

Lingkungan Kerja
Untungnya, energi vakum bukanlah satu-satunya cara untuk menghasilkan tekanan negatif. Sarana lain adalah sumber energi yang, tak seperti energi vakum, berubah-ubah di ruang dan waktu—alam segala kemungkinan yang berada di bawah rubrik quintessence. Untuk quintessence, w-nya tak memiliki harga tetap, tapi ia harus kurang dari -1/3 agar gravitasi bersifat menolak.

Rintangan Awal

Alam semesta mengembang dengan laju berubah-ubah tergantung pada bentuk energi mana yang berkuasa. Materi menyebabkan pertumbuhan melambat, sedangkan konstanta kosmologis membuatnya mencepat. Quintessence berada di tengah-tengah: ia mendorong perluasan mencepat, tapi kurang pesat. Akhirnya percepatan mungkin mati, mungkin pula tidak (garis putus-putus).

Quintessence mengambil banyak bentuk. Model paling sederhana mengusulkan medan quantum yang energinya berubah-ubah begitu lambat sehingga sekilas terlihat seperti energi vakum konstan. Ide ini dipinjam dari kosmologi inflasi, di mana medan kosmik yang dikenal sebagai inflasi mendorong perluasan di alam semesta purba dengan mekanisme yang sama. Perbedaan kuncinya adalah bahwa quintessence jauh lebih lemah daripada inflasi. Hipotesis ini pertama kali digali sedekade lalu oleh Christof Wetterich dari Universitas Heidelberg dan oleh Bharat Ratra, kini di Kansas State University, dan P. James E. Peebles dari Universitas Princeton.

Dalam teori quantum, proses-proses fisikal bisa dideskripsikan dari segi medan atau partikel. Tapi karena quintessence mempunyai densitas energi sedemikian rendah dan berubah-ubah begitu perlahan, partikel quintessence akan luar biasa ringan dan besar—seukuran supergugus galaksi. Jadi deskripsi medan lebih berguna. Secara konseptual, medan merupakan distribusi energi berketerusan yang memberikan, kepada setiap titik di ruang, harga numeris yang dikenal sebagai kekuatan medan. Energi yang dibubuhkan oleh medan ini memiliki komponen kinetik, yang bergantung pada variasi waktu kekuatan medan, dan komponen potensial, yang hanya bergantung pada harga kekuatan medan. Begitu medan berubah, keseimbangan energi kinetik dan potensial bergeser.

Untuk energi vakum, ingat bahwa tekanan negatif adalah hasil langsung kekekalan energi, yang mendikte bahwa suatu perubahan pada densitas energi berbanding dengan jumlah densitas energi (bilangan positif) dan tekanan. Untuk energi vakum, perubahannya nol, sehingga tekanan pasti negatif. Untuk quintessence, perubahannya cukup perlahan sehingga tekanan pasti masih negatif, meski agak kurang. Kondisi ini sama saja dengan memiliki lebih banyak energi potensial daripada energi kinetik.

Karena tekanannya kurang negatif, quintessence tidak mengakselerasi alam semesta sekuat energi vakum. Akhirnya, beginilah para pengamat memilih antara keduanya. Bagaimanapun, quintessence lebih konsisten dengan data yang tersedia, tapi untuk sementara perbedaan ini tidak signifikan secara statistik. Perbedaan lain adalah bahwa, tak seperti energi vakum, medan quintessence mungkin mengalami segala macam evolusi kompleks. Harga w mungkin positif, lalu negatif, lalu positif lagi. Ia mungkin memiliki harga berlainan di tempat berlainan. Walaupun ketidakseragaman ini dianggap kecil, ini mungkin dapat dideteksi dengan mempelajari radiasi gelombang mikro kosmik latar.

Perbedaan selanjutnya, quintessence bisa diperturbasi. Gelombang-gelombang akan menjalar menerobosnya persis seperti gelombang suara dapat menerobos udara. Istilahnya, quintessence [bersifat] “lunak”. Konstanta kosmologis Einstein, sebaliknya, kaku—tidak bisa dipermainkan. Semua bentuk energi yang dikenal adalah lunak sampai taraf tertentu. Barangkali kekakuan merupakan idealisasi yang tidak eksis dalam realita, sehingga konstanta kosmologis adalah kemustahilan. Quintessence dengan w hampir -1 mungkin merupakan penaksiran masuk akal yang paling dekat.

Quintessence di Bran
Mengatakan bahwa quintessence adalah medan merupakan langkah pertama dalam menjelaskannya. Dari mana medan seaneh itu berasal? Fisikawan partikel punya penjelasan atas fenomena-fenomena mulai dari struktur atom hingga sumber massa, tapi quintessence seperti anak yatim. Teori-teori fisika partikel modern memasukkan banyak jenis medan yang memang memiliki perilaku yang disyaratkan, tapi tidak cukup banyak yang diketahui tentang energi kinetik dan potensialnya untuk mengatakan mana yang, jika ada, bisa menghasilkan tekanan negatif hari ini.

Kemungkinan eksotisnya adalah bahwa quintessence muncul dari fisika dimensi tambahan. Selama beberapa dekade belakangan, para teoris telah menggali teori string, yang mungkin dapat mengkombinasikan relativitas umum dan mekanika quantum dalam teori gaya-gaya fundamental terpadu. Fitur penting model-model string adalah bahwa mereka memprediksi 10 dimensi. Empat di antaranya adalah tiga dimensi ruang kita yang familiar, plus [satu dimensi] waktu. Enam sisanya pasti tersembunyi. Dalam beberapa rumusan, dimensi-dimensi itu tergulung seperti bola yang jari-jarinya terlampau kecil untuk dideteksi (setidaknya dengan instrumen sekarang). Sebuah ide alternatif ditemukan dalam ekstensi mutakhir teori string, dikenal sebagai teori-M, yang menambah dimensi ke-11: materi biasa terkurung di dua permukaan tiga-dimensi, dikenal sebagai bran (singkatan dari membran), yang dipisahkan oleh gap/renggang mikroskopis di sepanjang dimensi ke-11 [lihat “Dimensi-dimensi Alam Semesta yang Tak Terlihat”, hal. 66-].

Kita tak mampu melihat dimensi-dimensi tambahan itu, tapi jika mereka eksis, kita semestinya sanggup merasakannya secara tak langsung. Nyatanya, kehadiran dimensi tergulung atau bran dekat akan beraksi persis seperti medan. Harga numeris yang diberikan medan kepada setiap titik di ruang ekuivalen dengan jari-jari atau jarak gap. Jika jari-jari atau gap berubah perlahan selagi alam semesta mengembang, itu persis menyerupai medan quintessence hipotetis.

Apapun sumber quintessence, dinamismenya bisa memecahkan persoalan penyetelan halus (fine-tuning) yang menjengkelkan. Satu cara untuk menghadapi isu ini adalah dengan bertanya mengapa akselerasi kosmik dimulai pada momen tertentu dalam sejarah kosmik. Tercipta ketika alam semesta berumur 10-35 detik, dark energy harus tetap ada dalam bayangan selama hampir 10 miliar tahun—sebuah umur dengan faktor [sebesar] lebih dari 1050. Pada saat itu saja, data menunjukkan, ia menyusul materi dan menyebabkan alam semesta mulai berakselerasi. Bukankah suatu kebetulan, persis ketika makhluk berpikir berevolusi, alam semesta mendadak bertambah kecepatan? Nasib materi dan dark energy terasa berjalin. Tapi bagaimana?

Percaya Setelah Melihat

Data supernova mungkin merupakan suatu cara untuk memilih antara quintessence dan konstanta kosmologis. Konstanta kosmologis membuat alam semesta berakselerasi lebih cepat, sehingga supernova ber-redshift tertentu akan lebih jauh dan karenanya lebih redup. Teleskop-teleskop yang ada (data berwarna abu-abu) tidak dapat membedakan keduanya, tapi proposal Supernova Acceleration Probe semestinya mampu. Magnitudo supernova yang diprediksikan oleh empat model diperlihatkan dalam warna berlainan.

Jika dark energy adalah energi vakum, kebetulan ini hampir mustahil untuk diterangkan. Beberapa periset, termasuk Martin Rees dari Universitas Cambridge dan Steven Weinberg dari Universitas Texas di Austin, telah mengejar penjelasan antropik. Barangkali alam semesta kita hanyalah salah satu dari banyak alam semesta, yang di masing-masingnya energi vakum memikul harga berbeda. Alam semesta berenergi vakum jauh di atas 4 eV/m3 mungkin lebih lumrah, tapi mereka mengembang terlalu pesat untuk terbentuknya bintang, planet, atau kehidupan. Alam semesta berenergi vakum jauh lebih kecil amatlah langka. Alam semesta kita memiliki harga optimal. Hanya di “dunia terbaik” inilah bisa eksis makhluk berakal yang mampu merenungkan sifat alam semesta. Tapi fisikawan tak sepakat apakah argumen antropik merupakan penjelasan yang bisa diterima [lihat “Menjelajahi Alam Semesta Kita dan Alam Semesta Lainnya”, tulisan Martin Rees].

Jawaban lebih memuaskan, yang melibatkan sebentuk quintessence yang dikenal sebagai medan tracker, dipelajari oleh Ratra dan Peebles dan oleh Steinhardt dan Ivaylo Zlatev dan Limin Wang, kala itu di Universitas Pennsylvania. Persamaan yang mendeskripsikan medan-medan tracker memiliki perilaku menarik klasik seperti yang dijumpai pada beberapa sistem chaotik. Pada sistem-sistem demikian, gerakan bertemu di akhir yang sama, meski kisaran kondisi awal (initial condition)-nya luas. Sebuah kelereng yang dimasukkan ke dalam bak kosong, misalnya, akhirnya jatuh ke dalam saluran kuras di manapun titik tolaknya berada.

Demikian halnya, densitas energi awal medan tracker tidak harus disetel ke harga tertentu, sebab medan cepat menyesuaikan diri dengan harga tersebut. Ia terkunci ke dalam sebuah trek; pada trek itu densitas energinya tetap merupakan pecahan densitas radiasi dan materi yang nyaris konstan. Dalam pengertian ini, quintessence meniru materi dan radiasi, meskipun komposisinya sama sekali berbeda. Peniruan terjadi karena densitas radiasi dan materi menentukan laju perluasan kosmik, yang, pada gilirannya, mengendalikan laju perubahan densitas quintessence. Saat dicermati lebih seksama, kita menemukan bahwa pecahan tersebut lambat-laun tumbuh. Baru setelah berjuta-juta atau bermiliar-miliar tahunlah quintessence mengejar.

Lantas apa sebabnya quintessence mengejar? Akselerasi kosmik bisa bermula sama mudahnya di masa lampau ataupun di masa depan, tergantung pada pilihan konstanta dalam teori medan tracker. Ini membawa kita kembali ke kebetulan. Tapi barangkali suatu peristiwa di masa yang tak terlalu lampau memicu akselerasi. Steinhardt, bersama Christian Armendáriz Picon, kini di Universitas Chicago, dan Viatcheslav Mukhanov dari Universitas Ludwig Maximilians di Munich, telah mengajukan satu peristiwa demikian: transisi dari dominasi radiasi ke dominasi materi.

Menurut teori big bang, dahulu energi alam semesta terdapat utamanya pada radiasi. Namun, begitu alam semesta mendingin, radiasi kehilangan energi lebih cepat daripada materi. Pada saat alam semesta berumur beberapa puluh ribu tahun—relatif beberapa waktu lalu dalam istilah logaritma—keseimbangan energi bergeser dan menjadikan materi dominan. Perubahan ini menandai awal masa berdominasi materi yang kita warisi. Hanya saat itulah gravitasi dapat mulai menarik menyatukan materi untuk membentuk galaksi dan struktur-struktur skala besar. Pada waktu yang sama, laju perluasan alam semesta mengalami perubahan.

Dalam sebuah variasi terhadap model-model tracker, transformasi ini memicu serangkaian peristiwa yang membawa pada akselerasi kosmik hari ini. Sepanjang sebagian besar sejarah alam semesta, quintessence menjejaki energi radiasi, tetap sebagai komponen kosmos yang tak signifikan. Tapi ketika alam semesta jadi didominasi materi, perubahan laju perluasan menyentak quintessence dari perilaku peniruannya. Bukannya menjejaki radiasi atau bahkan materi, tekanan quintessence berubah ke harga negatif. Densitasnya nyaris tetap dan akhirnya menyusul densitas materi yang berkurang tadi. Dalam gambaran ini, fakta bahwa makhluk berpikir dan akselerasi kosmik mewujud pada waktu yang hampir bersamaan bukanlah sebuah kebetulan. Pembentukan bintang dan planet yang dibutuhkan untuk menopang kehidupan maupun transformasi quintessence menjadi komponen bertekanan negatif dipicu oleh bermulanya dominasi materi.

Menatap Masa Depan
Dalam jangka pendek ke depan, fokus kosmolog adalah mendeteksi eksistensi quintessence. Ia memiliki konsekuensi yang bisa diamati. Karena harga w-nya berbeda dari energi vakum, ia menghasilkan laju akselerasi kosmik yang berbeda. Pengukuran lebih presisi terhadap supernova-supernova di jarak lebih jauh mungkin dapat memisahkan kedua perkara. Astronom telah mengajukan dua observatorium—Supernova Accelerating Proba yang sedang mengorbit dan Large-Aperture Synoptic Survey Telescope yang berbasis di Bumi—untuk memecahkan isu ini. Selisih laju akselerasi juga menghasilkan selisih kecil pada ukuran angular titik-titik panas dan dingin pada radiasi gelombang mikro kosmik latar, sebagaimana dapat dideteksi, mestinya, oleh Microwave Anisotropy Probe (MAP) dan kapal antariksa Planck.

Pengujian lain mengukur bagaimana jumlah galaksi berubah-ubah seiring peningkatan redshift, untuk menyimpulkan bagaimana laju perluasan alam semesta berubah seiring waktu. Proyek darat yang dikenal sebagai Deep Extragalactic Evolutionary Probe akan mencari efek ini.

Dalam jangka panjang, kita semua akan merenungkan implikasi mendalam penemuan-penemuan revolusioner ini. Semua penemuan ini membawa pada penafsiran baru yang menenangkan akan kedudukan kita dalam sejarah kosmik. Di permulaan (atau setidaknya di masa terawal yang tentangnya kita tak punya petunjuk), ada inflasi, sebuah periode panjang akselerasi perluasan selama jenak-jenak awal setelah big bang. Ruang, saat itu, nyaris tanpa materi, dan medan quantum bertekanan negatif mirip quintessence berkuasa. Selama periode itu, alam semesta mengembang dengan faktor yang lebih besar daripada selama 15 miliar tahun sejak inflasi berakhir. Di akhir inflasi, medan tersebut membusuk menjadi gas panas berisi quark, gluon, elektron, cahaya, dan dark energy.

Selama ribuan tahun, ruang begitu pekat dengan radiasi sampai-sampai atom, apalagi struktur-struktur besar, tidak bisa terbentuk. Lalu materi mengambil kendali. Tahap berikutnya—masa kita—adalah pendinginan stabil, kondensasi, dan evolusi struktur ruwet yang ukurannya terus meningkat. Tapi periode ini sedang menuju akhir. Akselerasi kosmik telah kembali. Alam semesta yang kita kenal, dengan bintang, galaksi, dan gugus galaksinya, rupanya adalah selingan singkat. Sementara akselerasi berkuasa selama puluhan miliar tahun ke depan, materi dan energi di alam semesta akan semakin tipis dan ruang akan meregang terlalu pesat untuk memperkenankan terbentuknya struktur-struktur baru. Makhluk hidup akan mendapati kosmos kian tak bersahabat [lihat “Nasib Kehidupan di Alam Semesta”, Lawrence M. Krauss dan Glenn D. Starkman]. Jika akselerasi disebabkan oleh energi vakum, maka kisah kosmik sudah lengkap: planet, bintang, dan galaksi yang kita saksikan hari ini merupakan puncak evolusi kosmik.

Tapi jika akselerasi disebabkan oleh quintessence, akhir [cerita] masih harus ditulis. Alam semesta mungkin berakselerasi selama-lamanya, atau quintessence bisa membusuk menjadi bentuk-bentuk materi dan radiasi baru, mengisi kembali alam semesta. Karena densitas dark energy begitu kecil, kita bisa menduga bahwa material yang didapat dari pembusukannya akan memiliki energi terlalu kecil untuk berbuat sesuatu yang signifikan. Namun di bawah kondisi tertentu, quintessence bisa membusuk melalui nukleasi gelembung. Interior gelembung akan hampa, tapi dinding gelembung akan menjadi lokasi aktivitas hebat. Begitu dinding bergerak [membesar] ke luar, itu akan menyapu semua energi yang didapat dari pembusukan quintessence. Adakalanya, dua gelembung akan bertubrukan dalam pertunjukan kembang api fantastis. Dalam proses tersebut, partikel-partikel masif semisal proton dan neutron mungkin timbul—bahkan juga barangkali bintang dan planet.

Bagi penghuni di masa depan, alam semesta akan tampak amat tak homogen, kehidupan terkurung di planet-planet jauh yang dikelilingi oleh kehampaan luas. Akankah mereka membayangkan bahwa asal-usul mereka adalah alam semesta homogen dan isotropik yang kita saksikan di sekeliling kita hari ini? Akankah mereka tahu bahwa alam semesta pernah hidup lalu mati, hanya untuk diberi kesempatan kedua?

Atau barangkali revisi sejarah kosmik yang lebih radikal akan muncul. Terinspirasi oleh observasi mutakhir terhadap akselerasi kosmik, Steinhardt dan Neil Turok dari Universitas Cambridge mengajukan model “alam semesta siklis” di mana quintessence merupakan tahap tengah dan inflasi dihilangkan sama sekali. Dalam gambaran ini, ruang dan waktu eksis selamanya. Alam semesta menjalani rentetan siklus tanpa akhir di mana ia menyusut dalam big crunch lalu muncul kembali dalam big bang yang mengembang, dengan evolusi selama triliunan tahun di antara [kedua peristiwa tersebut]. Selama 15 miliar tahun pertama setiap siklus, alam semesta didominasi oleh radiasi dan materi, dan begitu alam semesta mendingin, galaksi dan bintang terbentuk. Kalau begitu, persis seperti yang kita saksikan hari ini, quintessence menginisiasi periode panjang akselerasi perluasan yang mengosongkan alam semesta [berisi] materi dan entropi yang tercipta dalam siklus sebelumnya. Quintessence memainkan peran esensial dalam menjadikan alam semesta homogen dan pada waktu bersamaan memflatkan geometri ruang—dua di antara fungsi-fungsi yang biasanya diatributkan pada inflasi.

Di samping itu, fluktuasi-fluktuasi di medan quintessence akhirnya membentuk benih-benih untuk pembentukan galaksi setelah big bang, fungsi ketiga yang dimainkan oleh inflasi. Begitu medan quintessence berevolusi, densitas dan tekanannya berubah sampai medan berhenti mendorong akselerasi dan justru menginisiasi periode penyusutan. Pada saat pemamahan (crunch) ini, sebagian energi medan quintessence dikonversi menjadi materi dan radiasi yang membakar dentuman (bang) dan periode baru perluasan, pendinginan, dan pembentukan struktur. Perlu dicatat, temperatur dan densitas naik ke harga yang tinggi tapi terhingga. Jadi model ini juga dapat menghindari ketakterhinggaan-ketakterhinggaan dalam pandangan big bang konvensional. Alam semesta panas dan homogen terbentuk dan terbentuk ulang secara abadi.

Skenario siklis memiliki penafsiran alami dari segi gambaran superstring tentang bran dan dimensi tambahan. Siklus-siklus dapat dideskripsikan sebagai rentetan tubrukan periodik tak terhingga antarbran. Setiap tubrukan menghasilkan bang di mana materi dan radiasi baru tercipta. Radiasi dan materi [baru] tersebut menyebabkan bran meregang—periode lazim perluasan kosmik. Tapi terdapat pula gaya di antara kedua bran yang menyumbang energi potensial positif kepada alam semesta ketika bran-bran terpisah jauh. Dalam skenario ini, quintessence merupakan energi potensial tersebut. Setelah 15 miliar tahun perluasan, energi potensial antarbran mendominasi alam semesta dan periode akselerasi kosmik dimulai. Bran-bran cukup meregang sehingga menipiskan densitas materi dan radiasi dan memflatkan kelengkungan atau kerutan pada permukaan bran.

Bran-bran bersatu perlahan-lahan, tapi selagi mereka saling mendekat, energi potensial akhirnya menurun dari harga positif ke harga negatif. Medan quintessence kini menyebabkan peregangan berhenti dan menyebabkan bran-bran mencepat menuju tubrukan. Tubrukan dan lambungan dapat disamakan dengan pembalikan dari penyusutan menuju perluasan. Tapi hanya komponen dimensi-dimensi tambahan yang kolaps dan muncul kembali. Komponen tiga dimensi biasa tetap tak terhingga. Oleh sebab itu, densitas materi di bran-bran tetap kecil dan tipis, bahkan saat peristiwa crunch. Ketika kedua bran melambung terpisah, energi potensial terkembalikan ke harga awalnya dan quintessence tercipta kembali dalam persiapan untuk siklus berikutnya.

Eksperimen-eksperimen mungkin segera memberitahu kita mana yang menjadi masa depan kita. Kita percaya bahwa perbaikan akurasi uji kosmologis klasik, plus instrumen-instrumen pensurveyan yang dirancang khusus serta beberapa uji baru (barangkali memanfaatkan pelensaan gravitasi), akan memungkinkan hal ini. Akankah itu menjadi jalan buntu energi vakum ataukah potensi quintessence yang belum dimanfaatkan? Ujung-ujungnya jawabannya tergantung pada apakah quintessence memiliki tempat dalam kerja dasar alam—alam teori string, barangkali. Kedudukan kita dalam sejarah kosmik bergantung pada hubungan saling mempengaruhi antara sains [objek-objek] besar dan kecil.

Penulis
Jeremiah P. Ostriker dan Paul J. Steinhardt, keduanya profesor di Universitas Princeton, telah berkolaborasi selama tujuh tahun belakangan. Prediksi perluasan mencepat yang mereka kemukakan pada 1995 mendahului penemuan-penemuan pertama supernova beberapa tahun kemudian. Ostriker adalah salah satu ilmuwan pertama yang menyadari kelaziman dark matter dan signifikansi gas panas antargalaksi. Pada 2000 dia memenangkan US National Medal of Science. Steinhardt adalah salah satu inisiator teori inflasi dan konsep quasikristal. Dia memperkenalkan kembali istilah “quintessence” setelah putera termudanya, Will, dan puterinya, Cindy, memilihnya di antara beberapa alternatif.

Untuk Digali Lebih Jauh

  • Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation of State. Robert R. Caldwell, Rahul Dave, dan Paul J. Steinhardt dalam Physical Review Letters, Vol. 80, No. 8, hal. 1582-1585, 23 Februari 1998. Tersedia di xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9708069.
  • Cosmic Concordance and Quintessence. Limin Wang, R. R. Caldwell, J. P. Ostriker, dan Paul J. Steinhardt dalam Astrophysical Journal, Vol. 530, No. 1, Part 1, hal. 17-35, 10 Februari 2000. Tersedia di xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9901388.
  • Dynamical Solution to the Problem of a Small Cosmological Constant and Late-Time Cosmic Acceleration. C. Armendáriz Picon, V. Mukhanov, dan Paul J. Steinhardt dalam Physical Review Letters, Vol. 85, No. 21, hal. 4438-4441, 20 November 2000. Tersedia di xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0004134.
  • Why Cosmologists Believe the Universe Is Accelerating. Michael S. Turner dalam Type Ia Supernovae: Theory and Cosmology. Disunting oleh Jens C. Niemeyer dan James W. Truran. Cambridge University Press, 2000. Tersedia di xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9904049.
  • A Cyclic Model of the Universe. Paul J. Steinhardt dan Neil Turok dalam Science, Vol. 296, No. 5572, hal. 1436-1439, 2002.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s