Nobel Fisika 2006: Penjelasan Kelahiran Alam Semesta
Kompas, Kamis 12 Oktober 2006

Oleh Terry Mart

Hadiah Nobel Fisika tahun 2006 ini jatuh pada dua orang astrofisikawan eksperimen berkebangsaan Amerika, John C. Mather dan George F. Smoot, untuk jasa mereka dalam mengukur secara akurat radiasi latar belakang kosmik (cosmic microwave background atau CMB). John C. Mather adalah peneliti senior pada divisi sains astrofisika NASA, berusia 60 tahun, sedangkan George F. Smoot adalah profesor fisika di Universitas California Berkeley. Penemuan spektakuler mereka dipublikasikan pada Astrophysics journal tahun 1990 dan 1992. Penemuan yang dilakukan melalui satelit COBE ini semakin mengukuhkan teori Big Bang yang menyatakan bahwa alam semesta berawal dari suatu ledakan.

Radiasi Latar Belakang Kosmik

Cukup mencengangkan jika kita tahu bahwa CMB ditemukan secara tidak sengaja oleh dua orang fisikawan instrumen. Adalah Arno Penzias dan Robert Wilson yang berjasa menemukan CMB pertama kali pada tahun 1964 dalam bentuk derau (noise) radio yang pada saat itu sangat membingungkan mereka. Kedua ilmuwan tersebut bekerja di laboratorium Bell di New Jersey dengan sebuah teleskop radio ultrasensitif (saat itu) yang dirancang untuk menerima sinyal dari satelit. Teleskop tadi menangkap derau yang berasal jauh dari luar angkasa dan, yang paling membingungkan kedua ilmuwan, sinyal tersebut tidak bergantung pada arah fokus teleskop serta tidak bergantung pada waktu pengamatan. Pengukuran yang mereka lakukan mengantar pada kesimpulan bahwa derau tersebut adalah radiasi gelombang mikro dengan panjang gelombang 7 centimeter yang merupakan fosil ledakan Big Bang. Untuk penemuan yang sangat menghebohkan ini Penzias dan Wilson dianugrahi hadiah Nobel pada tahun 1978.

Dari sifat isotropiknya wajar jika diyakini bahwa radiasi CMB berasal dari tempat yang sangat jauh di jagat raya. Namun bagaimana para ilmuwan dapat yakin bahwa radiasi ini merupakan fosil dari ledakan maha dahsyat di masa lampau saat alam semesta tercipta?

Lebih dari duapuluh tahun sebelum penemuan CMB, George Gamow, seorang profesor fisika pada George Washington University di Washington D.C., bersama dengan mahasiswanya mengusulkan teori penciptaan alam semesta melalui ledakan sangat dahsyat yang mereka sebut teori Big Bang. Dua orang mahasiswanya, Ralph Alpher dan Robert Herman, pada tahun 1949 memperkirakan bahwa temperatur rata-rata alam semesta saat ini sebagai konsekuensi dari ledakan besar di masa lalu serta berkembangnya alam semesta pada kisaran 5 derajat Kelvin (minus 268 derajat Celsius). Sayangnya mereka tidak sempat mengusulkan eksperimen dengan menggunakan teleskop radio.

Menariknya, hubungan antara derau statik gelombang mikro dengan temperatur alam semesta merupakan kisah sukses fisika selain mekanika kuantum dan relativistik. Di dalam termodinamika, salah satu cabang fisika yang banyak membahas hubungan antara temperatur dan sifat suatu zat, dikenal hukum Wien yang menyatakan bahwa untuk distribusi radiasi benda hitam perkalian antara panjang gelombang radiasi berintensitas maksimum dengan temperaturnya ekivalen dengan bilangan 0,3. Pengukuran yang dilakukan oleh Penzias dan Wilson tidak persis tepat pada puncak distribusi, namun karena kegigihan dan keyakinan para ilmuwan, pengukuran-pengukuran yang dilakukan selama lebih dari dua dekade, hingga tahun 1991 dengan menggunakan satelit COBE, berhasil mengkonfirmasi distribusi radiasi benda hitam dari CMB dengan akurasi yang sangat mengesankan (lihat Gambar 1). Dari distribusi tersebut diperoleh kesimpulan bahwa temperatur alam semesta saat ini, lebih dari 10 milyar tahun setelah Big Bang, adalah 2,726 Kelvin.


Gambar 1. Perbandingan antara distribusi benda hitam teori Big Bang (garis) dan hasil pengukuran COBE (kotak). Gambar diambil dari jurnal Astrophysics tahun 1990.

Variasi temperatur CMB


Satelit COBE yang menghasilkan pengukuran super akurat seperti terlihat pada gambar 1 sebenarnya dirancang juga untuk eksperimen lain, yaitu pengukuran variasi temperatur CMB pada arah-arah berbeda. Secara teoritis, variasi yang sangat kecil pun dapat memberi petunjuk bagaimana galaksi dan bintang-bintang mulai terbentuk. Pertanyaan dasarnya adalah mengapa hanya di tempat-tempat tertentu di jagat raya materi menggumpal dan, dengan bantuan gravitasi, melahirkan galaksi.

Penjelasan teoritis proses ini menyangkut masalah fluktuasi mekanika kuantum yang terjadi sesaat setelah jagat raya mulai berkembang. Saat satelit COBE dirancang, diperkirakan variasi temperatur yang diperlukan untuk menjelaskan hal ini berkisar seper seribu derajat Celsius. Namun beberapa saat kemudian para ilmuwan menemukan "materi gelap" (dark matter) yang juga dapat mempengaruhi variasi temperatur pada orde seper seratus ribu derajat. Secara teoritis materi gelap ini merupakan agen penting pada proses akumulasi materi, dengan kata lain untuk menjawab pertanyaan dasar tadi instrumen pada COBE harus dirancang ulang lebih presisi.
Meski hasil yang lebih akurat diberikan oleh pengukuran berikutnya yang dinamakan WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), penelitian yang dipimpin oleh George F. Smoot berhasil membuktikan adanya variasi temperatur bahkan pada orde puluhan mikro Kelvin (lihat gambar 2).


Gambar 2. Variasi temperatur CMB pada orde milli dan mikro Kelvin yang berhasil diukur oleh COBE. Diambil dari situs Nobel.

"Precision Science"


Selain berhasil mengukuhkan teori Big Bang, kedua hasil pengukuran pemenang nobel fisika tahun ini memperlihatkan bahwa kosmologi bukan lagi merupakan spekulasi filosopis seperti sebelumnya. Untuk pertamakalinya perhitungan-perhitungan kosmologi dapat dibandingkan dengan data eksperimen yang sangat akurat. Kosmologi modern disebut-sebut sebagai "precision science". Hasil yang diperoleh COBE dan WMAP juga mengantarkan kita ke informasi tentang bentuk dasar jagat raya yang disebut
Euclidian, atau, dalam bahasa awam, intuisi kita yang menyatakan bahwa dua garis lurus paralel tidak akan saling memotong tampaknya juga berlaku untuk skala jagat raya.

(Terry Mart, fisikawan UI, saat ini menjadi peneliti tamu di Institut fuer Kernphysik, Universitaet Mainz, Jerman. Artikel populer tentang kronologi alam semesta dapat diperoleh dari:
http://staff.fisika.ui.ac.id/tmart/universe.html)