Pada hari Kamis, para astronom yang sedang melakukan survei terbesar dan paling presisi sepanjang sejarah alam semesta mengumumkan bahwa mereka mungkin telah menemukan cacat besar dalam pemahaman mereka tentang energi gelap, kekuatan misterius yang mempercepat perluasan kosmos.
Energi gelap diasumsikan sebagai kekuatan konstan dalam alam semesta, baik saat ini maupun sepanjang sejarah kosmik. Tetapi data baru menunjukkan bahwa energi gelap mungkin lebih berubah, menjadi lebih kuat atau lebih lemah dari waktu ke waktu, berbalik arah atau bahkan memudar.
“Seperti yang akan dikatakan Biden, ini adalah B.F.D.,” kata Adam Riess, seorang astronom di Universitas Johns Hopkins dan Institut Ilmu Teleskop Luar Angkasa di Baltimore. Dia berbagi Hadiah Nobel Fisika 2011 dengan dua astronom lain atas penemuan energi gelap, tetapi tidak terlibat dalam studi baru ini. “Ini mungkin menjadi petunjuk nyata pertama yang kita dapatkan tentang sifat energi gelap dalam 25 tahun,” katanya.
Kesimpulan tersebut, jika dikonfirmasi, dapat membebaskan astronom – dan kita semua – dari prediksi lama yang suram tentang nasib terakhir alam semesta. Jika kinerja energi gelap konstan dari waktu ke waktu, akhirnya akan mendorong semua bintang dan galaksi sehingga jauh terpisah sehingga bahkan atom akan terbelah, menyedot alam semesta dari semua kehidupan, cahaya, energi, dan pikiran, serta mengutuknya pada kasus abadi dari ketidakberdayaan kosmik. Sebaliknya, tampaknya energi gelap mampu mengubah arah dan mengarahkan kosmos menuju masa depan yang lebih kaya.
Kata kunci utamanya adalah “mungkin” dan “bisa”. Temuan baru ini memiliki sekitar satu dari 400 kemungkinan menjadi kesalahan statistik, tingkat ketidakpastian yang disebut tiga sigma, yang jauh dari standar emas untuk penemuan, yang disebut lima sigma: satu peluang dari 1,7 juta. Dalam sejarah fisika, bahkan peristiwa lima sigma telah menguap saat data lebih lanjut atau penafsiran data yang lebih baik muncul.
Berita ini datang dalam laporan kemajuan pertama, yang dipublikasikan dalam serangkaian makalah, oleh sebuah kolaborasi internasional besar yang disebut Dark Energy Spectroscopic Instrument, atau DESI. Kelompok ini baru saja memulai upaya lima tahun untuk membuat peta tiga dimensi posisi dan kecepatan 40 juta galaksi selama 11 miliar tahun waktu kosmik. Peta awalnya, berdasarkan tahun pertama pengamatan, mencakup hanya enam juta galaksi. Hasilnya dirilis hari ini dalam pertemuan American Physical Society di Sacramento, Calif., dan di konferensi Rencontres de Moriond di Italia.
“Sejauh ini kita melihat kesepakatan dasar dengan model terbaik kita dari alam semesta, tetapi kita juga melihat beberapa perbedaan yang mungkin menarik yang bisa menunjukkan bahwa energi gelap sedang berkembang dari waktu ke waktu,” kata Michael Levi, direktur DESI, dalam sebuah pernyataan yang dikeluarkan oleh Lawrence Berkeley National Laboratory, yang mengelola proyek ini.
Tim DESI tidak mengharapkan untuk segera menemukan hasil yang menguntungkan, kata Nathalie Palanque-Delabrouille, seorang astrofisikawan di laboratorium Lawrence Berkeley dan juru bicara proyek tersebut, dalam sebuah wawancara. Hasil tahun pertama dirancang hanya untuk mengkonfirmasi apa yang sudah diketahui, katanya: “Kami berpikir bahwa kita pada dasarnya akan memvalidasi model standar.”
Tetapi yang tidak diketahui melonjak keluar pada mereka.
Ketika para ilmuwan menggabungkan peta mereka dengan data kosmologis lainnya, mereka kaget menemukan bahwa itu tidak sepenuhnya sesuai dengan model standar alam semesta yang sejauh ini dapat diandalkan, yang mengasumsikan bahwa energi gelap adalah tetap dan tidak berubah. Energi gelap yang bervariasi lebih cocok dengan titik data.
“Ini pasti lebih dari sekadar rasa ingin tahu,” kata Dr. Palanque-Delabrouille. “Saya akan menyebutnya sebagai petunjuk. Ya, ini belum merupakan bukti, tetapi ini menarik.”
Namun, para kosmolog serius mengambil petunjuk ini.
Wendy Freedman, seorang astrofisikawan di Universitas Chicago yang telah memimpin upaya untuk mengukur perluasan alam semesta, memuji survei baru ini sebagai “data yang sangat baik.” Hasilnya, kata dia, “membuka potensi untuk jendela baru dalam pemahaman energi gelap, komponen dominan alam semesta, yang tetap menjadi misteri terbesar dalam kosmologi. Sangat menarik.”
Michael Turner, seorang profesor emeritus di Universitas Chicago yang mencetuskan istilah “energi gelap,” mengatakan dalam sebuah email: “Meskipun menggabungkan set data sulit, dan ini adalah hasil awal dari DESI, bukti kemungkinan bahwa energi gelap tidak konstan adalah berita terbaik yang pernah saya dengar sejak percepatan kosmik didirikan dengan kuat lebih dari 20 tahun yang lalu.”
Energi gelap masuk dalam percakapan pada tahun 1998, ketika dua kelompok astronom bersaing, termasuk Dr. Riess, menemukan bahwa perluasan alam semesta semakin cepat daripada melambat, seperti yang sebagian besar astronom harapkan. Observasi awal itu tampaknya menunjukkan bahwa energi gelap ini bertindak seperti faktor penggila terkenal – dinotasikan dengan huruf Yunani Lambda – yang dimasukkan Einstein ke dalam rumusnya untuk menjelaskan mengapa alam semesta tidak runtuh dari gravitasinya sendiri. Ia kemudian menyebutnya kesalahannya yang terburuk.
Tetapi mungkin dia terlalu cepat berbicara. Yang dirumuskan oleh Einstein, Lambda adalah properti ruang itu sendiri: Semakin banyak ruang yang ada ketika alam semesta berkembang, semakin banyak energi gelap yang ada, mendorong semakin keras dan akhirnya menyebabkan masa depan yang gelap gulita.
Energi gelap menjadi bagian dari model standar alam semesta yang dikenal sebagai L.C.D.M., terdiri dari 70 persen energi gelap (Lambda), 25 persen materi gelap dingin (sekelompok partikel eksotis yang bergerak lambat) dan 5 persen materi atom. Sejauh ini model itu memanggil tetapi tidak rusak oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb yang baru. Tetapi bagaimana jika energi gelap tidak konstan seperti yang dianggap model kosmologi?
Masalahnya adalah parameter yang disebut w, yang merupakan ukuran kerapatan, atau kemarahan, energi gelap. Dalam versi Einstein tentang energi gelap, angka ini tetap konstan, dengan nilai -1, sepanjang hidup alam semesta. Kosmolog telah menggunakan nilai ini dalam model mereka selama 25 tahun terakhir.
Tetapi versi energi gelap ini hanyalah yang paling sederhana. “Dengan DESI kami sekarang telah mencapai presisi yang memungkinkan kita untuk melampaui model sederhana itu,” kata Dr. Palanque-Delabrouille, “untuk melihat apakah kerapatan energi gelap konstan dari waktu ke waktu, atau jika ada beberapa fluktuasi dan evolusi dengan waktu.”
Proyek DESI, yang berlangsung 14 tahun, dirancang untuk menguji kekonstanan energi gelap dengan mengukur seberapa cepat alam semesta berkembang pada berbagai waktu di masa lalu. Untuk melakukannya, para ilmuwan melengkapi teleskop di Observatorium Nasional Kitt Peak dengan 5.000 detektor serat optik yang dapat melakukan spektroskopi pada ribuan galaksi secara bersamaan dan mengetahui seberapa cepat mereka menjauh dari Bumi.
Sebagai ukuran jarak, para peneliti menggunakan tonjolan dalam distribusi galaksi kosmik, yang dikenal sebagai osilasi akustik barion. Tonjolan ini dicetak dalam kosmos oleh gelombang suara di plasma panas yang mengisi alam semesta ketika usianya baru 380.000 tahun. Saat itu, tonjolan itu memiliki diameter setengah juta tahun cahaya. Sekarang, 13,5 miliar tahun kemudian, alam semesta telah berkembang seribu kali lipat, dan tonjolan – yang sekarang memiliki diameter 500 juta tahun cahaya – berfungsi sebagai tongkat pengukuran kosmik yang nyaman.
Para ilmuwan DESI membagi sejarah kosmik 11 miliar tahun ke belakang menjadi tujuh periode waktu. (Alam semesta berusia 13,8 miliar tahun.) Untuk masing-masing, mereka mengukur ukuran tonjolan ini dan seberapa cepat galaksi di dalamnya bergerak menjauh dari kita dan dari satu sama lain.
Saat para peneliti menyatukan semuanya, mereka menemukan bahwa asumsi biasa – energi gelap konstan – tidak bekerja untuk menggambarkan perluasan alam semesta. Galaksi di tiga periode waktu paling belakang tampak lebih dekat daripada seharusnya, menunjukkan bahwa energi gelap bisa berkembang dengan waktu.
“Dan kami melihat, memang, petunjuk bahwa sifat energi gelap tidak sesuai dengan konstan kosmologi sederhana” tetapi mungkin “mempunyai beberapa penyimpangan,” kata Dr. Palanque-Delabrouille. “Dan ini adalah pertama kalinya kami melakukannya.” Tetapi, dia menekankan lagi, “Saya belum akan menyebutnya bukti. Ini terlalu, terlalu lemah.”
Waktu dan data lebih lanjut akan memberitahu nasib energi gelap, dan model alam semesta yang diuji dengan pertempuran para kosmolog
“L.C.D.M. sedang diuji dengan uji presisi datang padanya dari setiap arah,” kata Dr. Turner. “Dan ia menjalaninya dengan baik. Tetapi, ketika semuanya diambil bersama-sama, mulai tampak bahwa sesuatu tidak benar atau sesuatu yang hilang. Hal-hal tidak sesuai dengan sempurna. Dan DESI adalah indikasi terbaru.”
Dr. Riess dari Johns Hopkins, yang telah melihat secara dini hasil DESI, mencatat bahwa “petunjuk,” jika divalidasi, bisa menjatuhkan dasar dari pengukuran kosmologi lainnya, seperti usia atau ukuran alam semesta. “Hasil ini sangat menarik dan kita harus serius memperhatikannya,” tulisnya dalam emailnya. “Atau mengapa kita melakukan eksperimen ini?”