Alam semesta muncul ke dalam keberadaan 13,8 miliar tahun yang lalu. Apa yang terjadi pada saat itu sangat menarik bagi siapa pun yang mencoba memahami mengapa segalanya menjadi seperti sekarang ini.
“Saya pikir pertanyaan tentang apa yang terjadi di awal alam semesta adalah pertanyaan yang mendalam,” kata David Spergel, presiden Yayasan Simons, sebuah organisasi nirlaba yang mendukung penelitian di bidang matematika dan ilmu pengetahuan yang berada di garis depan. “Dan yang sangat menarik bagi saya adalah fakta bahwa kita dapat melakukan observasi yang dapat memberikan wawasan pada hal ini.”
Sebuah observatorium baru senilai $110 juta di gurun tinggi di utara Chile, $90 juta didanai oleh yayasan, bisa mengungkap petunjuk kunci tentang apa yang terjadi setelah Ledakan Besar dengan melihat partikel cahaya yang telah berkelana melintasi alam semesta sejak hampir awal dari waktu.
Data tersebut akhirnya bisa memberikan bukti yang mendukung ide fantastis yang dikenal sebagai inflasi kosmik. Ini menyatakan bahwa dalam sekejap setelah kelahiran alam semesta, struktur ruang-waktu berakselerasi ke luar dengan kecepatan jauh lebih cepat dari kecepatan cahaya.
Atau alternatifnya, pengukuran observatorium tersebut bisa melemahkan hipotesis ini, yang merupakan pilar dalam pemahaman kosmologi saat ini.
Observatorium tersebut dinamai menurut nama yayasan dan para pendirinya: Jim Simons, miliarder dana lindung dan filantropis yang meninggal pada 10 Mei, dan istrinya, Marilyn, seorang ekonom terlatih. Dua dari empat teleskop mulai mengambil pengukuran pada bulan April, tepat waktu untuk ulang tahun ke-86 Dr. Simons pada tanggal 25 April.
“Itu merupakan target yang pernah ditetapkan oleh Jim bertahun-tahun lalu untuk penyelesaian proyek,” kata Dr. Spergel. “Dan kita sampai di sana.”
Terletak di tengah lanskap gersang yang megah pada ketinggian 17.000 kaki, observatorium memiliki tiga teleskop kecil yang memiliki kemiripan dengan kerucut es krim dan satu teleskop yang lebih besar yang terdiri dari kotak yang dapat dipointing, yang terlihat seperti sepupu dari droid “Star Wars”.
Teleskop tersebut mengumpulkan mikrowave – panjang gelombang yang lebih lama dari cahaya terlihat tetapi lebih pendek dari gelombang radio. Dua teleskop kecil sudah mulai mengumpulkan data. Yang ketiga akan bergabung dalam beberapa bulan ke depan, dan yang keempat, jauh lebih besar, akan memulai operasinya tahun depan.
Sekitar 60.000 detektor dalam empat teleskop tersebut kemudian akan mempelajari cahaya kosmik dari mikrowave yang mengisi alam semesta.
“Ini merupakan instrumen unik,” kata Suzanne Staggs, seorang profesor fisika di Universitas Princeton dan co-direktur Observatorium Simons. “Kita memiliki begitu, begitu banyak detektor.”
Selama 380.000 tahun pertama masa bayi alam semesta, suhu begitu tinggi sehingga atom hidrogen tidak dapat terbentuk, dan foton – partikel cahaya – memantul dari partikel bermuatan, terus-menerus diserap dan dipancarkan. Tetapi begitu hidrogen dapat terbentuk, foton dapat bepergian tanpa halangan. Foton-foton tersebut telah mendingin menjadi hanya beberapa derajat di atas nol mutlak, dan panjang gelombangnya telah meregang ke dalam bagian mikrowave di spektrum.
Latar belakang mikrowave kosmik pertama kali diamati setengah abad yang lalu, sebuah siulan yang disenggol secara kebetulan oleh antena di Holmdel, N.J.
Pada tahun 1990-an, satelit NASA, Cosmic Background Explorer, mengungkapkan getaran suhu kecil di dalam mikrowave kosmik – sidik jari yang menunjukkan seperti apa awal alam semesta. Fluktuasi tersebut mencerminkan variasi kepadatan alam semesta, dan daerah-daerah yang lebih padat kemudian akan berkumpul membentuk galaksi dan struktur lebih besar lagi dari supergugus galaksi yang menyusun seperti jaring laba-laba kosmik.
Observatorium Simons bertujuan untuk mengeksplorasi rincian lebih lanjut – pola pusaran cahaya yang disebut kosmolog B-modes – dalam mikrowave.
Alan Guth, seorang profesor di Institut Teknologi Massachusetts, mengusulkan ide inflasi kosmik 45 tahun yang lalu, sebagian untuk menjelaskan homogenitas yang datar dari alam semesta. Tidak peduli ke arah mana Anda melihat, sejauh mana pun Anda melihat, segalanya dalam latar belakang mikrowave kosmik tampaknya hampir sama.
Tetapi alam semesta yang diamati sangat besar sehingga tidak ada waktu yang cukup bagi foton untuk melakukan perjalanan melintasi agar suhu merata di mana-mana. Tetapi peregangan cepat ruang-waktu – inflasi – dapat mencapainya, meskipun peregangan ini akan berakhir ketika alam semesta berusia kurang dari triliun juta miliar miliar detik.
Observasi kosmologi saat ini sesuai dengan gambaran inflasi kosmik, kata Brian Keating, seorang profesor fisika di Universitas California, San Diego, dan salah satu pemimpin proyek tersebut.
Tetapi, Dr. Keating menambahkan, “sampai saat ini, belum ada bukti nyata.”
Ekspansi percepatan akan menghasilkan gelombang gravitasi raksasa yang akan mengguncang materi dengan cara yang akan meninggalkan B-modes di antara radiasi mikrowave primitif.
“B-modes, gelombang gravitasi yang meresap ke seluruh kosmos, akan setara dengan asap dari senjata api,” kata Dr. Keating.
Untuk B-modes, para ilmuwan akan memeriksa sifat cahaya yang dikenal sebagai polarisasi.
Cahaya terdiri dari medan listrik dan magnet yang bergetar pada sudut yang saling tegak lurus. Biasanya, medan-medan ini berorientasi dalam arah acak, tetapi saat cahaya memantul dari permukaan tertentu, medan-medan tersebut dapat terperosok ke dalam penyelarasan, atau terpolarisasi.
Polarisasi cahaya dapat dipelajari dengan filter, di mana hanya bagian cahaya yang dipolarisasi dalam arah tertentu yang akan lewat. (Itulah bagaimana kacamata hitam polarisasi mengatasi kilau. Ketika sinar matahari memantul dari air, sinar tersebut menjadi terpolarisasi, serupa dengan cara cahaya pada awal alam semesta menjadi terpolarisasi.)
Detector di observatorium pada dasarnya terdiri dari filter polarizer yang berputar. Jika mikrowave tidak terpolarisasi, maka kecerahan mikrowave akan tetap konstan. Jika mereka terpolarisasi, maka kecerahan akan naik dan turun – paling terang ketika filter sejajar dengan polarisasi, paling redup ketika filter berada pada sudut kanan terhadap polarisasi.
Mengulangi pengukuran tersebut di sepanjang langit akan mengungkapkan pola-pola polarisasi.
Ada dua jenis pola polarisasi. Salah satunya disebut mode E, untuk listrik, karena analog dari medan listrik yang berasal dari sebuah partikel bermuatan. Pengamatan mikrowave sebelumnya telah mendeteksi mode E di dalam mikrowave primitif, yang dihasilkan oleh variasi kepadatan alam semesta.
Pola polarisasi yang lain memiliki karakteristik yang ditemukan di dalam medan magnetik. Karena fisika menggunakan huruf B sebagai simbol untuk menunjukkan medan magnetik, hal ini dikenal sebagai mode B.
“Mereka terlihat seperti pusaran,” kata Dr. Spergel.
Gelombang gravitasi akan menggetarkan elektron dengan cara menghasilkan B-modes kecil di dalam mikrowave kosmik.
“Pendeteksian, itu akan menjadi Nobel Prize,” kata Gregory Gabadadze, seorang profesor fisika di New York University dan direktur asosiasi untuk fisika di Yayasan Simons. “Tidak peduli dengan Nobel Prize. Penemuan sebesar itu, siapa peduli dengan penghargaan yang diberikan padanya?”
Pengukuran mikrowave dapat mengungkap fenomena fisika besar lainnya juga, termasuk massa partikel-semacam partikel hantu yang dikenal sebagai neutrino, atau mengidentifikasi materi gelap, partikel misterius yang menyumbang 85 persen dari massa alam semesta.
Mungkin tantangan terbesar adalah bagi kosmolog untuk tidak menipu diri mereka sendiri.
Itulah yang terjadi sepuluh tahun yang lalu ketika ilmuwan yang bekerja pada eksperimen yang dikenal sebagai BICEP2, untuk Pencitraan Latar Belakang Polaritasi Ekstragalaksi Kosmik, mengumumkan bahwa mereka telah menemukan bukti keterlibatan gelombang gravitasi primitif dan inflasi kosmik.
Tetapi dalam waktu yang singkat, klaim tersebut runtuh. Mikrowave yang diamati bukan berasal dari Ledakan Besar dan inflasi tetapi justru dari debu di dalam galaksi Bima Sakti kami.
Agar tidak mengulangi kesalahan tersebut, Observatorium Simons akan melakukan pengamatan pada beberapa panjang gelombang. (Temuan BICEP2 bergantung pada satu panjang gelombang saja.)
Salah satu teleskop di Observatorium Simons akan didedikasikan untuk mendeteksi debu antar bintang, yang memancarkan pada suhu yang lebih tinggi. Sinyal tersebut kemudian akan dikurangkan, yang diharapkan membuat hanya latar belakang mikrowave kosmik yang tersisa.
“Kami terus melawan untuk mencegah terulangnya fiasco yang merugikan kami sebelumnya,” kata Dr. Keating. “Jika itu terjadi lagi, saya tidak pikir siapa pun akan pernah percaya pada bidang ini.”
Setelah kontroversi BICEP2, Dr. Simons meyakinkan kelompok penelitian yang bersaing untuk bekerja sama di Observatorium Simons. “Saya bercanda bahwa pada dasarnya ia memaksa untuk bergabung, dengan memanfaatkan pengalamannya di dunia dana lindung,” kata Dr. Keating.
Observatorium Simons mungkin masih gagal menemukan apa yang dicari, atau data mungkin ambigu. Mungkin emisi sembrono dari debu akan ternyata menjadi masalah yang lebih besar dari yang diharapkan, menyembunyikan B-modes primitif.
“Seperti melihat New York City melalui kaca jendela kotor,” kata Dr. Keating. “Alam tidak memiliki kontrak dengan kita untuk menghasilkan sinyal yang dapat diamati.”
Atau mungkin tidak ada B-modes sama sekali. Itu akan membuat senang kosmolog kontrarian yang tidak suka dengan ide inflasi kosmik. Salah satu konsekuensi yang tampaknya tidak terhindarkan dari inflasi adalah multiverse, bahwa alam semesta terus divergen menjadi tak berujung kemungkinan alternatif.
“Secara harfiah, setiap susunan materi dan ruang dan waktu dan energi muncul di suatu tempat dalam lanskap kosmik yang disebut multiverse,” kata Dr. Keating. “Beberapa orang menemukannya sangat menarik, dan orang lain menemukannya tidak enak.”
Namun, semua alternatif memperkirakan nol B-modes. Dengan demikian, deteksi sukses akan mengecualikan mereka.
“Itu masih tidak akan membuktikan inflasi,” kata Dr. Keating, “tapi akan menyempitkan pelakunya dari empat atau lima menjadi satu.”
Jika Observatorium Simons tidak mendeteksi B-modes apa pun, itu tidak secara definitif membantah inflasi kosmik. Tetapi akan lebih sulit untuk menyusun model-model teoritis dengan cara menghasilkan B-modes yang cukup kecil sehingga tidak terdeteksi.
“Paradigma inflasi akan dalam masalah besar,” kata Dr. Gabadadze. “Mayoritas akan meninggalkannya, dan kita akan mencari alternatif untuk inflasi.”
Memang, Dr. Keating mengatakan bahwa Dr. Simons, seorang ahli matematika terkemuka sebelum beralih ke dunia keuangan, termasuk di antara mereka yang akan senang melihat inflasi dilemparkan ke dalam tong sampah hipotesis ilmiah yang tidak terbukti.
“Itu kemudian sesuai dengan konsepnya tentang model yang bersifat siklik atau seumur hidup untuk alam semesta,” kata Dr. Keating. Tapi Dr. Simons juga bersedia untuk menginvestasikan uang untuk mencari tahu apakah dia bisa dibuktikan keliru.
“Cinta sejatinya adalah pada ilmu pengetahuan,” kata Dr. Keating.