Big Bang (Ledakan Besar)

Berdasarkan model dentuman besar, alam semesta mengembang dari keadaan awal yang sangat padat dan panas dan terus mengembang sampai sekarang. Secara umum, pengembangan ruang semesta yang mengandung galaksi-galaksi, dianalogikan seperti roti kismis yang mengembang. Gambar di atas merupakan gambaran konsep artis yang mengilustrasikan pengembangan salah satu bagian dari alam semesta rata.

Berdasarkan asal katanya, “Big Bang” berarti Ledakan Dahsyat atau Dentuman Besar. Dalam Ilmu Kosmologi, Big Bang dinyatakan sebagai salah satu teori ilmu pengetahuan yang menjelaskan perkembangan dan bentuk awal dari alam semesta, (dikenal juga dengan Teori Dentuman Besar atau Model Dentuman Besar). Teori ini menyatakan bahwa alam semesta ini terbentuk dari ledakan mahadahsyat yang terjadi sekitar 13,7 Milyar tahun lalu.

Orang sering kali salah mengartikan dentuman besar atau ledakan dahsyat (Big Bang), sebagai suatu ledakan yang menghamburkan materi dalam jumlah sangat besar, ke segala penjuru alam semesta,  ke ruang hampa, yang kemudian membentuk bintang, planet, debu kosmis, asteroid/meteor, energi, dan partikel lainnya di alam semesta ini. Padahal pengertian yang dimaksud dengan dentuman besar itu adalah suatu proses pengembangan alam semesta itu sendiri. Dentuman besar adalah proses pengembangan ruang-waktu.

Berdasarkan model dentuman besar ini, alam semesta, awalnya dalam keadaan sangat panas dan padat yang mengembang pesat, secara terus menerus hingga hari ini.

Berdasarkan pengukuran terbaik tahun 2009, keadaan awal alam semesta bermula dari ledakan satu titik tunggal bervolume nol dan berkerapatan tak terhingga, sekitar 13,7 miliar tahun lalu, yang kemudian selalu menjadi rujukan sebagai waktu terjadinya Big Bang tersebut. Teori ini telah memberikan penjelasan paling komprehensif dan akurat yang didukung oleh metode ilmiah beserta pengamatan.

Asal Mula Teori Big Bang

Adalah Georges Lemaître, seorang biarawan Katoli Romawi Belgia, yang mengajukan teori dentuman besar mengenai asal usul alam semesta, walaupun ia menyebutnya sebagai "hipotesis atom purba". Kerangka model teori ini bergantung pada relativitas umum, Albert Einstein, yang dapat dikombinasikan dengan hasil pemantauan dalam skala besar, pada pergerakan galaksi terhadap satu sama lain, dan beberapa asumsi-asumsi sederhana, seperti homogenitas dan isotropi ruang. Kerangka model teori ini meramalkan bahwa suatu saat alam semesta akan kembali atau terus. Konsekuensi alami dari Teori Big Bang yaitu pada masa lampau, alam semesta punya suhu yang jauh lebih tinggi dan kerapatan yang jauh lebih tinggi.

Adanya dua proyek besar pemetaan galaksi saat ini, telah mendukung bagi teori Big Bang. Hasil proyek tersebut berbentuk peta tiga dimensi dari sekitar 266.000 galaksi, dan perbandingannya dengan data dari Cosmic Background Radiation (Radiasi Latar Alam Semesta), telah membuat penemuan penting berkenaan dengan asal usul galaksi-galaksi. Disimpulkan bahwa galaksi-galaksi terbentuk dari materi sekitar 350.000 tahun setelah peristiwa Big Bang.

Persamaan yang mendeksripsikan teori dentuman besar dirumuskan oleh Alexander Friedmann.

Setelah Edwin Hubble, pada tahun 1929, menemukan bahwa jarak bumi dengan galaksi yang sangat jauh, umumnya berbanding lurus dengan geseran merahnya, sebagaimana yang disugesti oleh Lemaître pada tahun 1927, pengamatan ini dianggap mengindikasikan bahwa semua galaksi dan gugus bintang yang sangat jauh, memiliki kecepatan tampak yang secara langsung menjauhi titik pandang kita: semakin jauh, semakin cepat kecepatan tampaknya.

Jika jarak antar gugus-gugus galaksi terus meningkat seperti yang terpantau sekarang, semuanya haruslah pernah berdekatan di masa lalu. Gagasan ini secara rinci mengarahkan pada suatu keadaan massa jenis dan suhu yang sebelumnya sangat ekstrim, dan untuk menguji kondisi tersebut, berbagai pemercepat partikel raksasa telah dibangun untuk percobaan dan menguji kondisi tersebut, yang menjadikan teori tersebut dapat dikonfirmasi dengan signifikan, walaupun pemercepat-pemercepat ini memiliki kemampuan yang terbatas untuk menyelidiki fisika partikel. 

Tanpa adanya bukti apapun yang berhubungan dengan pengembangan awal yang cepat, teori ledakan dahsyat tidak dan tidak dapat memberikan beberapa penjelasan seperti kondisi awal, melainkan mendeskripsikan dan menjelaskan perubahan umum alam semesta sejak pengembangan awal tersebut.

Kelimpahan unsur-unsur ringan yang terpantau di seluruh kosmos sesuai dengan prediksi kalkulasi pembentukan unsur-unsur ringan melalui proses nuklir di dalam kondisi alam semesta yang mengembang dan mendingin pada awal beberapa menit kemunculan alam semesta sebagaimana yang diuraikan secara terperinci dan logis oleh nukleosintesis ledakan dahsyat.

Fred Hoyle mencetuskan istilah Big Bang pada sebuah siaran radio tahun 1949. Dilaporkan secara luas bahwa, Hoyle yang mendukung model kosmologis alternatif "keadaan tetap" bermaksud menggunakan istilah ini secara peyoratif, namun Hoyle secara eksplisit membantah hal ini dan mengatakan bahwa istilah ini hanyalah digunakan untuk menekankan perbedaan antara dua model kosmologis ini. 

Hoyle kemudian memberikan sumbangsih yang besar dalam usaha para fisikawan untuk memahami nukleosintesis bintang yang merupakan lintasan pembentukan unsur-unsur berat dari unsur-unsur ringan secara reaksi nuklir. 

Setelah penemuan radiasi latar mikrogelombang kosmis pada tahun 1964, kebanyakan ilmuwan mulai menerima bahwa beberapa skenario teori dentuman besar haruslah pernah terjadi.

Sejarah dan perkembangan teori

Teori dentuman besar dikembangkan berdasarkan pengamatan pada stuktur alam semesta beserta pertimbangan teoritisnya. Pada tahun 1912, Vesto Slipher yang pertama mengukur Efek Doppler pada "nebula spiral" (nebula spiral merupakan istilah lama untuk galaksi spiral), dan kemudian diketahui bahwa hampir semua nebula-nebula itu menjauhi bumi. Ia tidak berpikir lebih jauh lagi mengenai implikasi fakta ini, dan sebenarnya pada saat itu, terdapat kontroversi apakah nebula-nebula ini adalah "pulau semesta" yang berada di luar galaksi Bima Sakti.

Sepuluh tahun kemudian, Alexander Friedmann, seorang kosmologis dan matematikawan Rusia, menurunkan persamaan Friedmann dari persamaan relativitas umum Albert Einstein. Persamaan ini menunjukkan bahwa alam semesta mungkin mengembang dan berlawanan dengan model alam semesta yang statis seperti yang diadvokasikan oleh Einstein pada saat itu.

Pada tahun 1924, pengukuran Edwin Hubble akan jarak nebula spiral terdekat menunjukkan bahwa ia sebenarnya merupakan galaksi lain. Georges Lemaître kemudian secara independen menurunkan persamaan Friedmann pada tahun 1927 dan mengajukan bahwa resesi nebula yang disiratkan oleh persamaan tersebut, diakibatkan oleh alam semesta yang mengembang.

Pada tahun 1931 Lemaître lebih jauh lagi mengajukan bahwa pengembangan alam semesta seiring dengan berjalannya waktu memerlukan syarat bahwa alam semesta mengerut seiring berbaliknya waktu sampai pada suatu titik di mana seluruh massa alam semesta berpusat pada satu titik, yaitu "atom purba" di mana waktu dan ruang bermula. 

Mulai dari tahun 1924, Hubble mengembangkan sederet indikator jarak yang merupakan cikal bakal tangga jarak kosmis menggunakan teleskop Hooker 100-inci (2.500 mm) di Observatorium Mount Wilson. Hal ini memungkinkannya memperkirakan jarak antara galaksi-galaksi yang pergeseran merahnya telah diukur, kebanyakan oleh Slipher. 

Pada tahun 1929, Hubble menemukan korealsi antara jarak dan kecepatan resesi, yang sekarang dikenal sebagai hukum Hubble. Lemaître telah menunjukan bahwa ini yang diharapkan, mengingat prinsip kosmologi.

 Semasa tahun 1930-an, gagasan-gagasan lain diajukan sebagai kosmologi non-standar untuk menjelaskan pengamatan Hubble, termasuk pula model Milne, alam semesta berayun (awalnya diajukan oleh Friedmann, namun diadvokasikan oleh Albert Einstein dan Richard Tolman) dan hipotesis cahaya lelah (tired light) Fritz Zwicky.

Setelah Perang Dunia II, terdapat dua model kosmologis yang memungkinkan. Satunya adalah model keadaan tetap Fred Hoyle, yang mengajukan bahwa materi-materi baru tercipta ketika alam semesta tampak mengembang. Dalam model ini, alam semesta hampirlah sama di titik waktu manapun.

Model lainnya adalah teori dentuman besar Lemaître, yang diadvokasikan dan dikembangkan oleh George Gamow, yang kemudian memperkenalkan nukleosintesis dentuman besar (Big Bang Nucleosynthesis, BBN) dan yang kaitkan oleh, Ralph Alpher dan Robert Herman, sebagai radiasi latar panjang gelombang kosmis (cosmic microwave background radiation, CMB). Ironisnya, justru adalah Hoyle yang mencetuskan istilah big bang untuk merujuk pada teori Lemaître dalam suatu siaran radio BBC pada bulan Maret 1949. Untuk sementara, dukungan para ilmuwan terbagi kepada dua teori ini. 

Di tahun 1960-an, para ilmuwan perumus teori ini menyatakan, jika alam semesta berasal dari ledakan besar, seharusnya terdapat sisa radiasi ledakan yang melingkupi seluruh alam semesta dalam bentuk panas.

Pada akhirnya, bukti-bukti pengamatan memfavoritkan teori dentuman besar. Penemuan dan konfirmasi radiasi latar belakang mikrogelombang kosmis pada tahun 1964 mengukuhkan dentuman besar sebagai teori yang terbaik dalam menjelaskan asal usul dan evolusi kosmos.

Tahun 1965, radiasi ini pertama kali ditemukan dan diakui sebagai bukti mutlak bagi Big Bang yang disertai berbagai pengkajian dan pengamatan, dan diteliti secara sangat mendalam. Berbagai kemajuan besar dalam kosmologi dentuman besar telah dibuat sejak akhir tahun 1990-an, utamanya disebabkan oleh kemajuan besar dalam teknologi teleskop dan analisa data yang berasal dari satelit-satelit seperti COBE, Teleskop luar angkasa Hubble dan WMAP.

Data yang diperoleh dari satelit COBE (Cosmic Background Explorer) pada tahun 1992 membenarkan perkiraan yang dibuat di tahun 1960-an ini dengan hasil sangat menakjubkan. Radiasi ini juga teramati di antara galaksi-galaksi, dalam bentuk gelombang-gelombang kecil oleh 2 kelompok ilmuwan (kelompok Dr. Colless dan kelompok Dr. Eisenstein.)

Dengan demikian telah dibuktikan secara pasti bahwa cikal bakal galaksi terbentuk di tempat-tempat di mana materi yang muncul 350.000 tahun menyusul peristiwa Big Bang saling berkumpul dengan kerapatan yang sedikit lebih besar.

Kebanyakan karya kosmologi zaman sekarang berkutat pada pemahaman bagaimana galaksi terbentuk dalam konteks dentuman besar, pemahaman mengenai keadaan alam semesta pada waktu-waktu terawalnya, dan merekonsiliasi pengamatan kosmis dengan teori dasar.

Tinjauan Garis waktu dentuman besar

Ekstrapolasi pengembangan alam semesta seiring mundurnya waktu menggunakan relativitas umum, menghasilkan kondisi masa jenis dan suhu alam semesta yang tak terhingga, pada suatu waktu di masa lalu. Singularitas ini mensinyalkan runtuhnya keberlakuan relativitas umum pada kondisi tersebut. Seberapa dekat kita dapat berekstrapolasi menuju singularitas diperdebatkan, namun tidaklah lebih awal daripada masa Planck.

Fase awal yang panas dan padat itu sendiri dirujuk sebagai "the Big Bang", dan dianggap sebagai "kelahiran" alam semesta kita. Didasarkan pada pengukuran pengembangan menggunakan Supernova Tipe Ia, pengukuran fluktuasi temperatur pada latar gelombang mikro kosmis, dan pengukuran fungsi korelasi galaksi, alam semesta memiliki usia 13,73 ± 0.12 miliar tahun. Kecocokan hasil ketiga pengukuran independen ini dengan kuat mendukung model ΛCDM yang mendeskripsikan secara mendetail kandungan alam semesta.

Fase terawal dentuman besar penuh dengan spekulasi. Model yang paling umumnya digunakan mengatakan bahwa alam semesta terisi secara homogen dan isotropis dengan rapatan energi yang sangat tinggi, tekanan dan temperatur yang sangat besar, dan dengan cepat mengembang dan mendingin. Kira-kira 10⁻³⁷ detik setelah pengembangan, fase transisi  menyebabkan inflasi kosmis, yang sewaktu itu alam semesta mengembang secara eksponensial. 

Setelah inflasi berhenti, alam semesta terdiri dari plasma kuark-gluon beserta partikel-partikel elementer lainnya. Temperatur pada saat itu sangat tinggi sehingganya kecepatan gerak partikel mencapai kecepatan relativitas, dan produksi pasangan segala jenis partikel terus menerus diciptakan dan dihancurkan. Sampai dengan suatu waktu, reaksi yang tak diketahui yang disebut bariogenesis melanggar kekekalan jumlah barion dan menyebabkan jumlah kuark dan lepton lebih banyak daripada antikuark dan antilepton sebesar satu per 30 juta. Ini menyebabkan dominasi materi melebihi antimateri pada alam semesta.

Ukuran alam semesta terus membesar dan temperatur alam semesta terus menurun, sehingga energi tiap-tiap partikel terus menurun. Fase transisi perusakan simetri membuat gaya-gaya dasar fisika dan parameter-parameter partikel elementer berada dalam kondisi yang sama seperti sekarang. Setelah kira-kira 10⁻¹¹ detik, gambaran dentuman besar menjadi lebih jelas oleh karena energi partikel telah menurun mencapai energi yang bisa dicapai oleh eksperimen fisika partikel. 

Pada sekitar 10⁻⁶ detik, kuark dan gluon bergabung membentuk barion seperti proton dan neutron. Kuark yang sedikit lebih banyak daripada antikuark membuat barion sedikit lebih banyak daripada antibarion. Temperatur pada saat ini tidak lagi cukup tinggi untuk menghasilkan pasangan proton-antiproton, sehingga yang selanjutnya terjadi adalah pemusnahan massal, menyisakan hanya satu dari 10¹⁰ proton dan neutron terdahulu. Setelah pemusnahan ini, proton, neutron, dan elektron yang tersisa tidak lagi bergerak secara relativistik dan rapatan energi alam semesta didominasi oleh foton (dengan sebagian kecil berasal dari neutrino).

Beberapa menit semasa pengembangan, ketika temperatur sekitar satu miliar kelvin dan rapatan alam semesta sama dengan rapatan udara, neutron bergabung dengan proton dan membentuk inti atom deuterium dan helium dalam suatu proses yang dikenal sebagai nukleosintesis dentuman besar. Kebanyakan proton masih tidak terikat sebagai inti hidrogen. 

Seiring dengan mendinginnya alam semesta, rapatan energi massa rihat materi secara gravitasional mendominasi. Setelah 379.000 tahun, elektron dan inti atom bergabung menjadi atom (kebanyakan berupa hidrogen) dan radiasi materi mulai berhenti. Sisa-sisa radiasi ini yang terus bergerak melewati ruang semesta dikenal sebagai radiasi latar gelombang mikro kosmis.

Medan Ultra Dalam Hubble memperlihatkan galaksi-galaksi dari zaman dahulu ketika alam semesta masih muda, lebih padat, dan lebih hangat menurut teori dentuman besar.

Selama periode yang sangat panjang, daerah-daerah alam semesta yang sedikit lebih rapat mulai menarik materi-materi sekitarnya secara gravitasional, membentuk awan gas, bintang, galaksi, dan objek-objek astronomi lainnya yang terpantau sekarang. Detail proses ini bergantung pada banyaknya dan jenis materi alam semesta. Terdapat tiga jenis materi yang memungkinkan, yakni materi gelap dingin, materi gelap panas, dan materi barionik. Pengukuran terbaik yang didapatkan dari WMAP menunjukkan bahwa bentuk materi yang dominan dalam alam semesta ini adalah materi gelap dingin. Dua jenis materi lainnya hanya menduduki kurang dari 18% materi alam semesta.

Bukti-bukti independen yang berasal dari supernova tipe Ia dan radiasi latar belakang mikrogelombang kosmis menyiratkan bahwa alam semesta sekarang didominasi oleh sejenis bentuk energi misterius yang disebut sebagai energi gelap, yang tampaknya menembus semua ruang. 

Pengamatan ini mensugestikan bahwa 72% total rapatan energi alam semesta sekarang berbentuk energi gelap. Ketika alam semesta masih sangat muda, kemungkinan besar ia telah disusupi oleh energi gelap, namun dalam ruang yang sempit dan saling berdekatan. Pada saat itu, gravitasi mendominasi dan secara perlahan memperlambat pengembangan alam semesta. Namun, pada akhirnya, setelah beberapa miliar tahun pengembangan, energi gelap yang semakin berlimpah menyebabkan pengembangan alam semesta mulai secara perlahan semakin cepat.

Segala evolusi kosmis yang terjadi setelah periode inflasioner ini dapat secara ketat dideskripsikan dan dimodelkan oleh model ΛCDM model, yang menggunakan kerangka mekanika kuantum dan relativitas umum Einstein yang independen. Sebagaimana yang telah disebutkan, tiada model yang dapat menjelaskan kejadian sebelum 10⁻¹⁵ detik setelah kejadian dentuman besar. Teori kuantum gravitasi diperlukan untuk mengatasi batasan ini.

Asumsi asumsi dasar

Teori dentuman besar bergantung kepada dua asumsi utama: hukum fisika dan prinsip kosmologi. Prinsip kosmologi menyatakan bahwa pada skala yang luas alam semesta adalah homogen dan isotropik.

Dentuman Besar dan Alam Semesta yang Mengembang

Pada tahun 1929 Astronom Amerika Serikat, Edwin Hubble melakukan pengamatan dan melihat Galaksi yang jauh dan bergerak selalu menjauhi kita dengan kecepatan yang tinggi. Ia juga melihat jarak antara Galaksi-galaksi bertambah setiap saat. Penemuan Hubble ini menunjukkan bahwa Alam Semesta kita tidaklah statis seperti yang dipercaya sejak lama, namun bergerak mengembang. Kemudian ini menimbulkan suatu perkiraan bahwa Alam Semesta bermula dari pengembangan di masa lampau yang dinamakan Dentuman Besar.

Pada saat itu dimana Alam Semesta memiliki ukuran nyaris nol, dan berada pada kerapatan dan panas tak terhingga; kemudian meledak dan mengembang dengan laju pengembangan yang kritis, yang tidak terlalu lambat untuk membuatnya segera mengerut, atau terlalu cepat sehingga membuatnya menjadi kurang lebih kosong. Dan sesudah itu, kurang lebih jutaan tahun berikutnya, Alam Semesta akan terus mengembang tanpa kejadian-kejadian lain apapun. Alam Semesta secara keseluruhan akan terus mengembang dan mendingin.

Alam Semesta berkembang, dengan laju 5%-10% per seribu juta tahun. Alam Semesta akan mengembang terus,namun dengan kelajuan yang semakin kecil,dan semakin kecil, meskipun tidak benar-benar mencapai nol. Walaupun andaikata Alam Semesta berkontraksi, ini tidak akan terjadi setidaknya untuk beberapa miliar tahun lagi.

Kesalahan Umum

Orang sering kali salah mengartikan dentuman besar sebagai suatu ledakan yang menghamburkan materi ke ruang hampa. Jika pengertiannya sedemikian, seharusnya ada suatu titik yang menjadi pusat ledakan. Padahal pusat suatu ledakan hanya ada jika ledakan tersebut terjadi dalam suatu ruang dan waktu, sedangkan untuk kasus alam semesta, ruang-waktu baru tercipta pada saat ledakan.  "Sebelum" BigBang tak ada yang namanya ruang dan waktu.

Jadi dentuman besar tersebut bukanlah suatu ledakan, bukan pula suatu penghamburan materi ke ruang kosong, melainkan suatu proses pengembangan alam semesta itu sendiri. Dentuman besar adalah proses pengembangan ruang-waktu. Bahkan istilah 'ledakan besar' sendiri merupakan istilah salah kaprah.

Pusat pengembangan berarti ya singularitas "sebelum" BigBang tersebut. Pusat biasanya adalah sebuah "titik", dan Singularitas memang adalah sebuah "titik" 0 / nol dimensi. Pusat tersebut, saat ini semakin mengembang menjadi Alam Semesta yang sekarang dan semakin mengembang dipercepat.
 

Sebuah "titik" nol dimensi singularitas saat ini sudah menjadi "titik" raksasa Alam Semesta. Sekali lagi, Pusat pengembangan Alam Semesta adalah Alam Semesta itu sendiri.

Akhir Alam Semesta

Meskipun Big Bang telah didukung dengan banyak bukti, muncul pertanyaan bagaimana akhir dari alam semesta. Menurut Friedmann ada tiga kemungkinan (model) yang akan terjadi pada alam semesta di masa mendatang:

• Alam semesta bersifat tertutup (closed universe). Untuk model ini alam semesta akan berhenti berkembang pada suatu masa dan gaya gravitasi akan kembali menyatukan semua galaksi menuju ke satu titik (Big Crunch), 
• Jika gaya gravitasi terlalu lemah untuk mengatasi proses pengembangan alam semesta, alam semesta akan terus menerus berkembang dengan cepat dan selamanya,
• Jika proses pengembangan alam semesta tidak terlalu cepat namun hanya cukup untuk mengeliminasi gaya gravitasi, alam semesta berkembang menuju ukuran tertentu dan kecepatan pengembangannya berkurang sedikit demi sedikit menuju nol, akhirnya alam semesta bersifat datar.

Sampai saat ini untuk pembahasan masalah Alam Semesta (terkait dengan Big Bang) ke depan masih dalam perdebatan, bukti-bukti teoretis dan eksperimen belum mengarah pada kesimpulan yang bulat.