Setelah Big Bang, Semesta hampir seragam sempurna, dan penuh dengan materi, energi dan radiasi dalam keadaan berkembang pesat. Seiring berjalannya waktu, Alam Semesta tidak hanya membentuk unsur, atom, dan molekul yang berkelompok dan berkelompok, mengarah ke bintang dan galaksi, tetapi mengembang dan mendingin sepanjang waktu. (NASA / GSFC)

Bagaimana Alam Semesta Mengembang Menjadi 46 Miliar Tahun Cahaya Hanya Dalam 13,8 Miliar Tahun?

Jika Anda berpikir itu berkembang lebih cepat dari kecepatan cahaya, Anda perlu membaca ini.

Jika Alam Semesta berumur 13,8 miliar tahun, dan kecepatan cahaya benar-benar batas kecepatan kosmik kita, seberapa jauh kita bisa melihat? Jawabannya tampak jelas: 13,8 miliar tahun cahaya, karena tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya dalam setahun, dan tidak ada yang bisa lebih cepat dari itu.

Sayangnya, seperti banyak sekali jawaban yang tampak jelas ketika Anda menerapkan akal sehat Anda kepada mereka, itu bukan cara kerja yang sebenarnya. Pada kenyataannya, jika Anda melihat hal yang paling jauh dari semua yang mungkin dapat Anda lihat, dan bertanya "seberapa jauh itu," jawabannya jauh lebih jauh dari itu: 46 miliar tahun cahaya. Itu mungkin terdengar mustahil, tetapi tidak. Anda hanya perlu mengembangkan cara berpikir Anda.

Konsep asli ruang, terima kasih kepada Newton, sebagai tetap, absolut dan tidak berubah. Itu adalah tahap di mana massa bisa eksis dan menarik. (AMBER STUVER, DARI BLOGNYA, LIGO LIGO)

Secara tradisional, cara Anda paling sering memikirkan jarak adalah dengan mengambil dua titik dan menggambar garis di antara mereka. Itu adalah sesuatu yang kita pelajari untuk dilakukan sebagai anak-anak, dan tetap bersama kita sampai dewasa. Untuk sebagian besar aplikasi, tidak ada masalah dalam melakukan ini, apakah kita menggunakan penggaris, odometer, atau jam lampu: dengan mengukur jumlah waktu yang dibutuhkan sinyal cahaya untuk melakukan perjalanan satu arah atau pulang pergi.

Tetapi asumsi ini tidak sepenuhnya benar ketika datang ke Semesta. Jarak tidak harus ditentukan oleh garis lurus, jarak juga tidak akan tetap sama dari waktu ke waktu. Alasan untuk ini adalah sesuatu yang tidak kita pikirkan dalam pengalaman kita sehari-hari: ruang tidak datar, dan itu juga terkait erat dengan waktu, dalam bentuk ruangwaktu.

Perilaku gravitasi Bumi di sekitar Matahari bukan karena tarikan gravitasi yang tidak terlihat, tetapi lebih baik dijelaskan oleh Bumi yang jatuh bebas melalui ruang melengkung yang didominasi oleh Matahari. Jarak terpendek antara dua titik bukanlah garis lurus, melainkan geodesi: garis lengkung yang ditentukan oleh deformasi gravitasi ruangwaktu. (LIGO / T. PYLE)

Bagian "ruang tidak rata" mungkin lebih mudah dimengerti. Ketika Anda berpikir tentang Bumi yang berputar mengelilingi Matahari, Anda mungkin memikirkannya dengan cara yang sama seperti yang dilakukan Newton: dalam hal gaya menarik yang tidak terlihat yang bekerja dari satu objek (Matahari) pada objek lain (Bumi).

Ini adalah cara kita berpikir tentang gravitasi selama berabad-abad, dan benar-benar membutuhkan kejeniusan di tingkat Einstein untuk melampauinya. Bukannya massa pada jarak tertentu menyebabkan suatu gaya, tetapi massa itu adalah jenis energi, dan energi menyebabkan jalinan alam semesta melengkung. Struktur Alam Semesta bukan hanya ruang, tetapi kuantitas yang dikenal sebagai ruangwaktu, tempat siapa pun dan apa pun di dalamnya mengalami ruang dan waktu bersama, tergantung pada bagaimana mereka bergerak relatif terhadap segala hal lain di Alam Semesta.

Di Semesta yang tidak berkembang, Anda dapat mengisinya dengan materi dalam konfigurasi apa pun yang Anda suka, tetapi itu akan selalu runtuh ke lubang hitam. Semesta seperti itu tidak stabil dalam konteks gravitasi Einstein, dan harus berkembang menjadi stabil, atau kita harus menerima nasibnya yang tak terhindarkan. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Salah satu hal yang kita pelajari tentang Semesta yang diatur oleh hukum Einstein - Relativitas Umum - adalah bahwa ia tidak bisa statis dan stabil jika memiliki masalah di dalamnya. Alam Semesta yang statis, di mana keseluruhan struktur ruangwaktu tidak berubah seiring waktu, akan bermasalah jika Anda memasukkan materi ke dalamnya. Seiring waktu, materi itu akan menarik secara gravitasi, dan akan menarik dirinya bersama menuju suatu titik. Dalam Alam Semesta yang statis yang penuh dengan materi, hanya ada satu kemungkinan nasib: menyusut ke lubang hitam.

Jangan khawatir; itu bukan nasib kita.

Model 'roti kismis' dari Semesta yang mengembang, di mana jarak relatif meningkat ketika ruang (adonan) mengembang. Semakin jauh dua kismis dari satu sama lain, semakin besar pergeseran merah yang diamati pada saat cahaya diterima. (NASA / TIM ILMU WMAP)

Karena Alam Semesta kita melakukan satu hal yang dapat dilakukan untuk mencegahnya: ia berkembang. Cara terbaik untuk membayangkan Semesta adalah sebagai sepotong adonan dalam oven tanpa gravitasi, di mana adonan diisi dengan kismis.

Setiap kismis individu mewakili struktur yang terikat secara gravitasi di Semesta: gugus bintang, galaksi, sekelompok galaksi, atau sesuatu yang bahkan lebih besar. Setiap kismis juga tidak terikat dengan kismis lain; mereka terpisah cukup jauh sehingga gravitasi tidak akan menyatukan mereka, bahkan diberikan waktu yang tak terbatas.

Mengapa? Karena adonan sedang naik. Dan adonan itu mewakili jalinan ruangwaktu. Seiring berjalannya waktu, Semesta mengembang, dan kismis jauh (galaksi) tampak saling menjauh.

Analogi balon / koin dari Semesta yang berkembang. Struktur individu (koin) tidak berkembang, tetapi jarak di antara mereka ada di alam semesta yang mengembang. Ini bisa sangat membingungkan jika Anda bersikeras mengaitkan gerakan nyata dari objek yang kita lihat dengan kecepatan relatifnya melalui ruang. Pada kenyataannya, itu adalah ruang di antara mereka yang berkembang. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Ini adalah poin kunci yang sangat sulit dipahami kebanyakan orang. Perluasan Alam Semesta bukan tentang kecepatan. Semesta tidak berkembang dengan kecepatan cahaya, kecepatan suara, atau kecepatan lainnya. Jika Anda melihat kismis yang berada di dekat Anda, itu akan tampak bergerak menjauh dari Anda relatif lambat, dan sinyal cahaya yang dikirim darinya kepada Anda hanya akan membutuhkan waktu singkat untuk sampai ke sana. Tetapi jika Anda melihat kismis yang jauh lebih jauh, itu akan tampak jauh lebih cepat surut. Sinyal cahaya yang dikirim darinya kepada Anda akan membutuhkan waktu yang sangat lama untuk sampai ke sana.

Alasannya adalah karena perluasan Semesta tergantung pada seberapa jauh suatu objek dari Anda. Itu bukan kecepatan; ini adalah kecepatan per unit-jarak.

Radiasi mengalami pergeseran merah saat Semesta mengembang, yang berarti ia lebih energik di masa lalu Semesta, dengan jumlah energi yang lebih besar per foton. Apakah Alam Semesta didominasi oleh materi atau radiasi tidak relevan; pergeseran merah itu nyata. (E. SIEGEL / DI LUAR GALAXY)

Inilah sebabnya, ketika kita berbicara tentang tingkat ekspansi yang diukur dari Semesta - apa yang kadang-kadang kita sebut konstanta Hubble - ia datang bersama dengan nilai-nilai asing yang aneh: sekitar ~ 70 km / s / Mpc. Ini memberitahu kita bahwa untuk setiap megaparsec (Mpc, atau sekitar 3,26 juta tahun cahaya), sebuah galaksi jauh dari galaksi lain, ia tampak surut dengan kecepatan 70 km / dtk.

Jadi, jika suatu objek saat ini 100 Mpc jauhnya dari kami, tampaknya ia bergerak dengan kecepatan 7.000 km / s.

Jika sebuah objek berjarak 4.300 Mpc dari kami, benda itu tampaknya bergerak dengan kecepatan sekitar 300.000 km / s, atau kecepatan cahaya.

Dan jika sebuah objek berjarak 14.100 Mpc dari kami, ia tampaknya bergerak dengan kecepatan sekitar 987.000 km / s, yang merupakan jumlah besar yang gila.

Relasi jarak / pergeseran merah, termasuk objek yang paling jauh dari semuanya, dilihat dari supernova tipe Ia. Data sangat mendukung Semesta yang mempercepat. Perhatikan bagaimana garis-garis ini berbeda satu sama lain, karena sesuai dengan Semesta yang terbuat dari bahan yang berbeda. (NED WRIGHT, BERDASARKAN DATA TERBARU DARI BETOULE ET AL.)

Tapi saya terus mengatakan sesuatu yang mungkin Anda sukai: tampaknya benda-benda ini menjauh dari kita dengan kecepatan ini. Pada kenyataannya, benda-benda itu sendiri tidak bergerak, seperti halnya kismis tidak bergerak relatif terhadap adonan yang ada di dalamnya. Sebaliknya, yang terjadi adalah bahwa struktur ruangwaktu itu sendiri mengembang, dan cahaya yang datang dari benda-benda ini semakin membentang - untuk panjang gelombang yang lebih panjang, lebih merah - saat Universe mengembang.

Inilah mengapa kita berbicara tentang pergeseran merah benda-benda yang jauh: karena cahayanya terentang saat jalinan alam semesta mengembang. Ini adalah kepadatan materi dan energi dari Semesta yang menentukan seberapa cepat Alam Semesta mengembang, dan kita harus menjumlahkan semua jenis energi yang berbeda, termasuk neutrino, radiasi, materi gelap, dan energi gelap, untuk mendapatkan jawaban yang tepat.

Bukan hanya galaksi-galaksi yang bergerak menjauh dari kita yang menyebabkan pergeseran merah, melainkan bahwa ruang antara diri kita dan galaksi mengubah cahaya perjalanannya dari titik yang jauh ke mata kita. Ini mempengaruhi semua bentuk radiasi, termasuk cahaya sisa dari Big Bang. (LARRY MCNISH / PUSAT KASAR RASC)

Hari ini, ada cahaya yang tiba di mata kita dari segala macam benda berbeda di segala macam jarak yang berbeda. Benda-benda yang berjarak 13,8 miliar tahun cahaya dari kita sekarang jauh lebih dekat di masa lalu yang jauh. Ketika mereka pertama kali memancarkan cahaya yang mencapai kita hari ini, ini terjadi pada waktu yang sudah miliaran tahun yang lalu. Galaksi itu mungkin berjarak 13,8 miliar tahun cahaya sekarang, tetapi cahaya itu tidak perlu melakukan perjalanan selama 13,8 miliar tahun untuk mencapai kita; ia menempuh jarak yang lebih pendek dan untuk waktu yang lebih singkat.

Faktanya, kita dapat melihat benda-benda yang lebih jauh dari 13,8 miliar tahun cahaya hari ini, semua karena fakta bahwa jalinan Semesta itu sendiri berkembang.

Jadi apa yang kita lakukan jika kita ingin tahu seberapa besar Semesta yang dapat diamati itu? Kita perlu mengajukan pertanyaan berikut:

Mengingat semua yang kita ketahui tentang Alam Semesta yang mengembang dan berapa jumlah yang berbeda dari semua jenis energi yang ada di dalamnya, seberapa jauh jarak sebuah benda saat ini jika cahayanya baru saja, baru saja, tiba setelah perjalanan 13,8 miliar tahun?

Jika Anda menghitung, Anda mendapatkan jawaban yang luar biasa: 46 miliar tahun cahaya. (Atau 46,1 miliar tahun cahaya jika Anda ingin menjadi lebih tepat.) Jika Alam Semesta kita memiliki lebih banyak energi gelap dan lebih sedikit materi, jawabannya akan sedikit lebih besar; jika Semesta memiliki lebih banyak materi dan lebih sedikit energi gelap, jawabannya akan sedikit lebih kecil. Tapi begitulah cara kita sampai ke tepi Alam Semesta yang bisa diamati.

Di dalam Alam Semesta yang dapat diamati (lingkaran kuning), ada sekitar 2 triliun galaksi. Galaksi lebih dari sekitar sepertiga dari jalan menuju batas apa yang dapat kita amati tidak akan pernah bisa dicapai karena ekspansi Semesta, hanya menyisakan 3% dari volume Semesta yang terbuka untuk penjelajahan manusia. Namun, kita masih bisa melihat galaksi-galaksi di luar itu, kecuali kita terbatas melihatnya seperti dulu. (WIKIMEDIA COMMONS MENGGUNAKAN AZCOLVIN 429 DAN FRÉDÉRIC MICHEL / E. SIEGEL)

Ini tidak berarti kita dapat mencapai segala sesuatu di bagian Semesta yang dapat kita lihat! Bagian-bagian yang paling jauh dari Semesta hanya terlihat selama tahap paling awal. Faktanya, segala sesuatu yang lebih jauh dari sekitar 4.300 Mpc (atau 14 miliar tahun cahaya) saat ini berada pada batas seberapa jauh kita dapat mencapai pada kecepatan cahaya. Objek yang lebih jauh dari itu masih bisa dilihat oleh kita, tetapi hanya seperti mereka di masa lalu; sama halnya, mereka hanya bisa melihat kita seperti dulu. Seseorang yang lebih jauh dari 14 miliar tahun cahaya dari kita, bahkan dengan teleskop yang sangat kuat, tidak pernah bisa mengamati peradaban manusia seperti saat ini di Bumi.

Grafik ukuran / skala dari Alam Semesta yang dapat diamati vs. perjalanan waktu kosmik. Ini ditampilkan pada skala log-log, dengan beberapa tonggak ukuran / waktu utama diidentifikasi. Perhatikan era awal yang didominasi radiasi, era yang didominasi materi baru-baru ini, dan era yang berkembang secara eksponensial saat ini dan masa depan. (E. SIEGEL)

Fakta bahwa kita dapat melihat Alam Semesta yang kita lakukan memberi tahu kita bahwa ia harus mengembang, pasangan teori dan pengamatan yang fantastis. Ini juga memberi tahu kita bahwa kita dapat memperkirakan kembali pada waktunya ke tahap awal seperti yang kita inginkan, dan menemukan segala macam tonggak menarik yang terjadi sejauh ukuran Semesta diperhatikan dibandingkan dengan usianya. Ketika Semesta berumur satu juta tahun, ujungnya sudah sekitar 100 juta tahun cahaya. Ketika baru berusia satu tahun, kita bisa melihat selama hampir 100.000 tahun cahaya. Ketika usianya baru sepersekian detik, kita sudah bisa melihat tahun cahaya ke segala arah.

Dan hari ini, 13,8 miliar tahun setelah Big Bang, hal terjauh yang bisa kita lihat, sesuai dengan cahaya yang dipancarkan pada saat Big Bang, berjarak 46,1 miliar tahun cahaya. Mengingat isi dari Alam Semesta kita, itu tidak mungkin berubah dengan cara lain.

Mulai Dengan Bang sekarang 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.