Gugus galaksi yang sangat besar MACS J1149.5 + 223, yang cahayanya membutuhkan waktu lebih dari 5 miliar tahun untuk mencapai kita, adalah target dari salah satu program Hubble Frontier Fields. Objek masif ini secara gravitasi memberi lensa objek di belakangnya, merentangkan dan memperbesarnya, dan memungkinkan kita untuk melihat relung yang lebih jauh dari kedalaman ruang daripada di wilayah yang relatif kosong. Galaksi lensa adalah yang paling jauh dari semuanya, dan dapat digunakan untuk menguji sifat pergeseran merah di alam semesta kita. (NASA, ESA, S. RODNEY (JOHN HOPKINS UNIVERSITY, USA) DAN TIM FRONTIERSN; T. TREU (UNIVERSITAS CALIFORNIA LOS ANGELES, AS), P. KELLY (UNIVERSITAS CALIFORNIA BERKELEY, AS) DAN TIM KACA; LOTZ (STSCI) DAN TIM LAPANGAN FRONTIER; M. POSTMAN (STSCI) DAN TIM CLASH; DAN Z. LEVAY (STSCI))

Tanyakan Ethan: Mungkinkah 'Redshift Kosmik' Disebabkan Oleh Gerakan Galaksi, Daripada Memperluas Ruang?

Kedua efek tersebut dapat menyebabkan pergeseran merah. Tetapi hanya satu yang masuk akal untuk Alam Semesta kita.

Dalam fisika, seperti dalam kehidupan, seringkali ada beberapa solusi untuk masalah yang akan memberi Anda hasil yang sama. Akan tetapi, di Alam Semesta kita yang sebenarnya, hanya ada satu cara realitas itu sebenarnya terungkap. Tantangan besar yang muncul bagi para ilmuwan adalah untuk mencari tahu mana salah satu kemungkinan yang dimungkinkan oleh alam adalah yang menggambarkan realitas yang kita huni. Bagaimana kita melakukan ini dengan Semesta yang berkembang? Itulah yang ingin diketahui Vijay Kumar, bertanya:

Ketika kita mengamati galaksi yang jauh, cahaya yang datang dari galaksi itu berubah merah baik karena ekspansi ruang atau sebenarnya galaksi itu bergerak menjauh dari kita. Bagaimana kita membedakan antara pergeseran merah kosmologis dan pergeseran merah Doppler? Saya telah mencari jawaban di internet tetapi tidak bisa mendapatkan jawaban yang masuk akal.

Taruhannya ada di antara yang tertinggi di sana, dan jika kita melakukannya dengan benar, kita dapat memahami sifat Semesta itu sendiri. Tetapi kita harus memastikan bahwa kita tidak membodohi diri sendiri.

Pandangan ultra-jauh dari Semesta menunjukkan galaksi bergerak menjauh dari kita dengan kecepatan ekstrim. Pada jarak itu, galaksi tampak lebih banyak, lebih kecil, kurang berevolusi, dan surut pada pergeseran merah yang besar dibandingkan dengan yang di dekatnya. (NASA, ESA, R. WINDHORST DAN H. YAN)

Ketika Anda melihat benda yang jauh di langit, Anda bisa belajar banyak tentangnya dengan mengamati cahayanya. Bintang-bintang akan memancarkan cahaya berdasarkan suhu mereka dan tingkat di mana mereka memadukan unsur-unsur dalam inti mereka, memancar berdasarkan pada sifat fisik dari foto-foto mereka. Diperlukan jutaan, milyaran, atau bahkan triliunan bintang untuk membentuk cahaya yang kita lihat ketika kita meneliti galaksi yang jauh, dan dari sudut pandang kita di Bumi, kita menerima cahaya itu sekaligus.

Tetapi ada sejumlah besar informasi yang disandikan dalam cahaya itu, dan para astronom telah menemukan cara untuk mengekstraknya. Dengan memecah cahaya yang masuk ke panjang gelombang individu - melalui teknik optik spektroskopi - kita dapat menemukan fitur emisi dan penyerapan khusus di tengah kontinum latar belakang cahaya. Di mana pun ada atom atau molekul dengan tingkat energi yang tepat, ia menyerap atau memancarkan cahaya dari frekuensi karakteristik yang eksplisit.

Spektrum cahaya Matahari yang terlihat, yang membantu kita memahami tidak hanya suhu dan ionisasi, tetapi juga banyaknya elemen yang ada. Garis yang panjang dan tebal adalah hidrogen dan helium, tetapi setiap garis lainnya berasal dari elemen berat yang harus dibuat dalam bintang generasi sebelumnya, bukan Big Bang yang panas. Semua elemen ini memiliki tanda tangan spesifik yang sesuai dengan panjang gelombang eksplisit. (NIGEL SHARP, NOAO / OBSERVATORI SURYA SURYA NASIONAL DI KITT PEAK / AURA / NSF)

Apakah atom netral, terionisasi satu, dua, atau tiga kali, atau terikat bersama dalam suatu molekul akan menentukan panjang gelombang spesifik apa yang dipancarkan atau diserapnya. Setiap kali kita menemukan banyak garis yang dipancarkan atau diserap oleh atom atau molekul yang sama, kita secara unik menentukan keberadaannya dalam sistem yang kita lihat. Rasio panjang gelombang yang berbeda dipancarkan dan diserap oleh jenis atom, ion, atau molekul yang sama tidak pernah berubah di seluruh alam semesta.

Tetapi meskipun atom, ion, molekul, dan aturan kuantum yang mengatur transisi mereka tetap konstan di mana-mana dalam ruang dan setiap saat, apa yang kita amati tidak konstan. Itu karena objek yang berbeda yang kita amati dapat memiliki cahayanya digeser secara sistematis, menjaga rasio panjang gelombang tetap sama, tetapi menggeser total panjang gelombang dengan faktor multiplisatif keseluruhan.

Pertama kali dicatat oleh Vesto Slipher pada tahun 1917, beberapa objek yang kami amati menunjukkan tanda-tanda spektral penyerapan atau emisi atom, ion, atau molekul tertentu, tetapi dengan pergeseran sistematis ke ujung spektrum cahaya merah atau biru. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

Pertanyaan yang kami ingin jawaban ilmiah, tentu saja, adalah "mengapa ini terjadi?" Mengapa cahaya yang kita amati dari objek yang jauh tampak bergeser sekaligus, dengan rasio yang sama untuk semua garis di setiap objek individu yang kita amati?

Kemungkinan pertama adalah yang kita temui sepanjang waktu: pergeseran Doppler. Ketika objek pemancar gelombang bergerak ke arah Anda, ada sedikit ruang di antara puncak gelombang yang Anda terima, dan karena itu frekuensi yang Anda amati bergeser ke nilai yang lebih tinggi daripada frekuensi yang dipancarkan dari sumber. Demikian pula, ketika emitor menjauh dari Anda, ada lebih banyak ruang di antara puncak, dan karenanya frekuensi yang Anda amati digeser ke arah nilai yang lebih panjang. Anda terbiasa dengan ini dari suara yang dipancarkan dari kendaraan yang bergerak - sirene polisi, ambulans, truk es krim - tetapi itu juga terjadi pada sumber cahaya.

Objek bergerak mendekati kecepatan cahaya yang memancarkan cahaya akan memiliki cahaya yang dipancarkannya tampak bergeser tergantung pada lokasi pengamat. Seseorang di sebelah kiri akan melihat sumber bergerak menjauh darinya, dan karenanya cahayanya akan di-redshift; seseorang di sebelah kanan sumber akan melihatnya berubah warna, atau bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi, ketika sumber bergerak ke arahnya. (PENGGUNA WIKIMEDIA COMMONS TXALIEN)

Namun, ada kemungkinan kedua yang masuk akal: ini bisa menjadi perubahan kosmologis. Dalam Relativitas Umum (teori gravitasi kita), secara fisik tidak mungkin untuk memiliki Alam Semesta statis yang dipenuhi dengan materi dan radiasi di dalamnya. Jika kita memiliki Alam Semesta yang, dalam skala terbesar, dipenuhi dengan jumlah energi yang sama di mana-mana, Alam Semesta terdorong untuk berkembang atau berkontraksi.

Jika Alam Semesta mengembang, cahaya yang dipancarkan dari sumber yang jauh akan memiliki panjang gelombang yang terentang saat struktur ruang itu sendiri mengembang, yang mengarah ke pergeseran merah. Demikian pula, jika Alam Semesta berkontraksi, cahaya yang dipancarkan akan memiliki panjang gelombang yang dikompresi, yang mengarah ke pergeseran warna biru.

Sebuah ilustrasi tentang bagaimana pergeseran merah bekerja di Universe yang berkembang. Saat galaksi semakin jauh, galaksi harus menempuh jarak yang lebih jauh dan untuk waktu yang lebih lama melalui alam semesta yang mengembang. Jika Semesta berkontraksi, cahaya akan muncul sebagai gantinya. (LARRY MCNISH PUSAT RASC CALGARY, VIA CALGARY.RASC.CA/REDSHIFT.HTM)

Ketika kita melihat galaksi-galaksi yang sebenarnya kita miliki di Semesta, sebagian besar dari mereka tidak hanya di-redshift, mereka juga di-redshift dengan jumlah yang sebanding dengan jarak mereka dari kita. Semakin jauh suatu galaksi, semakin besar pergeseran merahnya, dan hukum itu begitu baik sehingga kedua sifat ini meningkat dalam proporsi langsung satu sama lain.

Pertama kali diajukan pada akhir 1920-an oleh para ilmuwan seperti Georges Lemaitre, Howard Robertson, dan Edwin Hubble, ini bahkan diambil pada masa-masa awal itu sebagai bukti besar yang mendukung perluasan Semesta. Dengan kata lain, hampir seabad yang lalu, orang sudah menerima penjelasan bahwa itu adalah perluasan ruang dan bukan pergeseran Doppler yang bertanggung jawab atas hubungan jarak-merah yang diamati.

Seiring waktu, tentu saja, data semakin baik dalam mendukung undang-undang ini.

Pengamatan asli tahun 1929 tentang ekspansi Hubble di Semesta, diikuti dengan pengamatan yang lebih rinci, tetapi juga tidak pasti. Grafik Hubble dengan jelas menunjukkan hubungan redshift-distance dengan data superior kepada para pendahulunya dan para pesaingnya; padanan modern jauh lebih jauh. (ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))

Ternyata, sebenarnya ada total empat penjelasan yang mungkin untuk hubungan redshift-distance yang kita amati. Mereka adalah sebagai berikut:

  • Cahaya dari galaksi yang jauh ini menjadi "lelah" dan kehilangan energi saat mereka melakukan perjalanan melalui ruang angkasa.
  • Galaksi berevolusi dari ledakan awal, yang mendorong beberapa galaksi lebih jauh dari kita saat ini.
  • Galaksi-galaksi bergerak dengan cepat, di mana galaksi-galaksi redshift yang bergerak lebih cepat, lebih tinggi berakhir lebih jauh dari waktu ke waktu.
  • Atau jalinan ruang itu sendiri berkembang.

Untungnya, ada cara pengamatan untuk membedakan masing-masing alternatif ini dari satu sama lain. Hasil tes pengamatan kami menghasilkan pemenang yang jelas.

Menurut hipotesis cahaya yang lelah, jumlah foton-per-detik yang kita terima dari setiap objek turun sebanding dengan kuadrat jaraknya, sementara jumlah objek yang kita lihat bertambah sebagai kuadrat jarak. Objek harus lebih merah, tetapi harus memancarkan jumlah konstan foton per detik sebagai fungsi jarak. Namun, di alam semesta yang mengembang, kita menerima lebih sedikit foton per detik seiring berjalannya waktu karena mereka harus menempuh jarak yang lebih jauh ketika Alam Semesta mengembang, dan energinya juga dikurangi oleh pergeseran merah. Bahkan faktorisasi dalam evolusi galaksi menghasilkan kecerahan permukaan yang berubah yang lebih redup pada jarak yang jauh, konsisten dengan apa yang kita lihat. (WIKIMEDIA COMMONS PENGGUNA STIGMATELLA AURANTIACA)

Yang pertama adalah melihat kecerahan permukaan galaksi jauh. Jika Semesta tidak mengembang, galaksi yang lebih jauh akan tampak lebih redup, tetapi kerapatan galaksi yang seragam akan memastikan kita bertemu lebih banyak dari mereka, semakin jauh kita melihat. Di alam semesta di mana cahaya menjadi lelah, kita akan mendapatkan jumlah konstan foton dari galaksi yang semakin jauh. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa cahaya akan tampak semakin jauh semakin jauh galaksi-galaksi itu.

Ini dikenal sebagai uji Kecerahan Permukaan Tolman, dan hasilnya menunjukkan kepada kita bahwa kecerahan permukaan galaksi jauh berkurang sebagai fungsi pergeseran merah, daripada tetap konstan. Hipotesis lelah-cahaya tidak baik.

Rekonstruksi 3D 120.000 galaksi dan sifat pengelompokannya, disimpulkan dari pergeseran merah dan pembentukan struktur skala besar. Data dari survei ini memungkinkan kami untuk melakukan penghitungan galaksi yang dalam, dan kami menemukan bahwa data tersebut konsisten dengan skenario ekspansi, bukan ledakan awal. (JEREMY TINKER DAN KOLABORASI SDSS-III)

Hipotesis ledakan itu menarik, karena jika kita melihat galaksi bergerak menjauh dari kita ke segala arah, kita mungkin tergoda untuk menyimpulkan ada ledakan di masa lalu, dengan galaksi yang kita lihat berperilaku seperti pecahan peluru yang bergerak keluar. Ini harus mudah dideteksi jika demikian, karena harus ada jumlah galaksi yang lebih kecil per satuan volume pada jarak terjauh.

Di sisi lain, jika Alam Semesta mengembang, kita seharusnya benar-benar berharap galaksi dalam jumlah satuan lebih besar pada jarak terjauh, dan galaksi-galaksi itu seharusnya lebih muda, kurang berevolusi, dan lebih kecil dalam massa dan ukuran. Ini adalah pertanyaan yang dapat diselesaikan secara observasi, dan cukup definitif: jumlah galaksi yang dalam menunjukkan Alam semesta yang mengembang, bukan di mana galaksi terlempar jauh dari ledakan.

Perbedaan antara penjelasan berbasis gerak saja untuk pergeseran merah / jarak (garis putus-putus) dan prediksi Relativitas Umum (solid) untuk jarak di alam semesta yang mengembang. Secara definitif, hanya prediksi Relativitas Umum yang sesuai dengan yang kami amati. (WIKIMEDIA COMMONS PENGGUNA REDSHIFTIMPROVE)

Akhirnya, ada tes redshift-distance langsung yang dapat kita lakukan untuk menentukan apakah pergeseran merah itu disebabkan oleh gerakan Doppler atau karena Universe yang mengembang. Ada berbagai cara untuk mengukur jarak ke objek, tetapi dua yang paling umum adalah sebagai berikut:

  • jarak diameter sudut, di mana Anda tahu ukuran fisik suatu benda dan menyimpulkan jaraknya berdasarkan seberapa besar itu muncul,
  • atau jarak luminositas, di mana Anda tahu seberapa terang suatu objek secara intrinsik dan menyimpulkan jaraknya berdasarkan seberapa terang benda itu tampak.

Ketika Anda melihat ke arah Alam Semesta yang jauh, cahaya harus melintasi Semesta dari objek yang memancarkan ke mata Anda. Ketika Anda melakukan perhitungan untuk merekonstruksi jarak yang tepat ke objek berdasarkan pengamatan Anda, tidak ada keraguan: data setuju dengan prediksi Universe yang berkembang, bukan dengan penjelasan Doppler.

Gambar ini menunjukkan SDSS J0100 + 2802 (tengah), quasar paling terang di awal Semesta. Terang datang kepada kita sejak Semesta baru berusia 0,9 miliar tahun, versus usia 13,8 miliar tahun yang kita miliki saat ini. Berdasarkan sifat-sifatnya, kita dapat menyimpulkan jarak ke quasar ini ~ 28 miliar tahun cahaya. Kami memiliki ribuan quasar dan galaksi dengan ukuran yang sama, membuktikan tanpa keraguan bahwa pergeseran merah adalah karena perluasan ruang, bukan karena pergeseran Doppler. (SURVEI LANGIT LANGIT DIGITAL SLOAN)

Jika kita tinggal di Semesta di mana galaksi-galaksi yang jauh begitu redshifted karena mereka bergerak begitu cepat dari kita, kita tidak akan pernah menyimpulkan bahwa suatu objek lebih dari 13,8 miliar tahun cahaya, karena Semesta hanya berusia 13,8 miliar tahun (sejak Big Bang). Tetapi kami secara rutin menemukan galaksi yang berjarak 20 atau bahkan 30 miliar tahun cahaya, dengan cahaya paling jauh dari semuanya, dari Cosmic Microwave Background, datang kepada kita dari jarak 46 miliar tahun cahaya.

Penting untuk mempertimbangkan semua kemungkinan yang ada di luar sana, karena kita harus memastikan bahwa kita tidak membodohi diri sendiri dengan menggambar jenis kesimpulan yang ingin kita tarik. Sebagai gantinya, kita harus menyusun tes observasi yang dapat membedakan antara penjelasan alternatif untuk suatu fenomena. Dalam kasus pergeseran merah galaksi yang jauh, semua penjelasan alternatif telah hilang. Semesta yang berkembang, betapapun tidak intuitifnya, adalah satu-satunya yang sesuai dengan rangkaian data lengkap.

Kirim pertanyaan Ajukan Ethan Anda ke startwababang di gmail dot com!

Starts With A Bang sekarang ada di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.