Tanya Ethan: Seperti apa tepi jagat raya?

Simulasi struktur skala besar Alam Semesta menunjukkan gugus-gugus yang tidak berulang. Tetapi dari sudut pandang kami, kami dapat melihat volume terbatas Alam Semesta. Apa yang ada di baliknya?

13,8 miliar tahun yang lalu, Alam Semesta yang dikenal dimulai dengan Big Bang. Selama waktu ini, ruang meluas, materi mengalami tarikan gravitasi, dan sebagai hasilnya kita mendapatkan Semesta yang kita amati hari ini. Tetapi bahkan jika itu sangat besar, pengamatan kami memiliki batas. Pada jarak tertentu, galaksi menghilang, bintang-bintang memudar, dan kami tidak menerima sinyal dari bagian yang jauh dari Semesta. Tetapi apa yang melampaui batas ini? Minggu ini, pembaca bertanya:

Jika alam semesta dalam volume terbatas, di mana batasnya? Adakah yang bisa dekat dengannya? Akan seperti apa dia?

Mari kita mulai dengan lokasi kami saat ini dan melihat sejauh yang kami bisa.


Bintang-bintang dan galaksi yang kita lihat di dekatnya, terlihat seperti milik kita. Tetapi semakin jauh kita melihat, semakin dalam kita melihat ke masa lalu Alam Semesta: ada yang kurang terstruktur, lebih muda, dan tidak begitu berkembang

Di sekitar kita, alam semesta penuh bintang. Jika Anda terbang sejauh 100.000 tahun cahaya, maka Anda dapat memesan Bima Sakti. Di luarnya terdapat lautan galaksi - mungkin dua triliun di dalam Alam Semesta yang dapat diamati. Ada sejumlah besar varietas, bentuk, ukuran, dan massa. Tetapi melihat galaksi yang lebih jauh, Anda dapat melihat sesuatu yang tidak biasa: semakin jauh galaksi, semakin besar kemungkinannya dalam ukuran dan massa, dan bintang-bintangnya akan condong ke arah biru lebih kuat daripada galaksi terdekat.


Apa perbedaan antara galaksi pada waktu yang berbeda dalam sejarah alam semesta

Ini masuk akal jika alam semesta memiliki permulaan: ulang tahun. Itulah Big Bang, hari lahirnya alam semesta yang kita tahu. Zaman galaksi, yang relatif dekat dengan kita, bertepatan dengan usia kita. Tetapi melihat galaksi miliaran tahun cahaya, kita melihat cahaya yang harus miliaran tahun sebelum mencapai mata kita. Usia galaksi, yang cahayanya membutuhkan waktu 13 miliar tahun untuk mencapai kita, harus berusia kurang dari satu miliar tahun, dan melihat lebih dalam ke ruang angkasa, kita, pada kenyataannya, melihat ke masa lalu.


Gabungan ultraviolet, cahaya tampak dan inframerah yang diperoleh oleh proyek Hubble eXtreme Deep Field - yang terbesar dari gambar yang dirilis dari Universe yang jauh

Di atas adalah gambar proyek Hubble eXtreme Deep Field (XDF), gambar terdalam dari Universe yang jauh. Ribuan galaksi terlihat di sana, terletak pada jarak yang sangat berbeda dari kita dan dari satu sama lain. Tetapi dalam warna yang sederhana tidak mungkin untuk melihat bahwa setiap galaksi memiliki spektrum spesifik di mana awan gas menyerap cahaya dengan panjang gelombang yang sangat spesifik, berkat fisika sederhana dari atom. Dengan perluasan Alam Semesta, panjang ini memanjang, sehingga galaksi yang lebih jauh bagi kita tampak lebih merah. Fisika ini memungkinkan kita untuk membuat asumsi tentang jarak ke mereka, dan ketika kita mengatur jarak ini, ternyata yang termuda dan terkecil adalah galaksi yang paling jauh.



Di belakang galaksi-galaksi harus ada bintang-bintang pertama, dan kemudian hanya gas netral - ketika Semesta tidak punya waktu untuk menarik materi ke dalam struktur yang cukup padat untuk membentuk bintang. Setelah melewati beberapa juta tahun yang lalu, kita akan melihat bahwa radiasi di Semesta begitu panas sehingga atom-atom netral tidak dapat terbentuk di sana, yang berarti foton secara konstan memantul dari partikel bermuatan. Ketika atom-atom netral terbentuk, cahaya ini seharusnya berjalan lurus, dan berlangsung selamanya, karena tidak terpengaruh oleh apa pun kecuali ekspansi alam semesta. Penemuan sisa cahaya ini - radiasi peninggalan kembali - lebih dari 50 tahun yang lalu adalah konfirmasi terakhir dari Big Bang.


Diagram sistematis tentang sejarah alam semesta yang menggambarkan reionisasi . Sebelum pembentukan bintang dan galaksi, Semesta dipenuhi dengan atom netral yang menghalangi cahaya. Dan meskipun sebagian besar alam semesta mengalami reionisasi hanya setelah 550 juta tahun, beberapa situs yang lebih beruntung secara praktis direionisasi sebelum masa ini.

Dari lokasi kami saat ini, kami dapat melihat ke segala arah dan melihat arah sejarah ruang yang sama. Hari ini, 13,8 miliar tahun setelah Big Bang, kita memiliki galaksi dan bintang yang kita kenal. Sebelumnya, galaksi lebih kecil, lebih biru, lebih muda, dan kurang berkembang. Sebelum itu ada bintang pertama, dan sebelum itu - hanya atom netral. Sebelum atom netral ada plasma terionisasi, dan sebelum itu - proton dan neutron bebas, terjadinya materi dan antimateri secara spontan, quark dan gluon bebas, semua partikel tidak stabil dari Model Standar, dan, akhirnya, saat Big Bang. Untuk melihat jarak yang lebih jauh sama dengan melihat ke masa lalu.


Representasi seniman dalam bentuk konsep logaritmik dari Alam Semesta yang dapat diamati. Galaksi diikuti oleh struktur skala besar dan plasma Big Bang yang padat di halaman belakang. Tepi adalah batas hanya dalam waktu.

Meskipun ini mendefinisikan Alam Semesta yang dapat diamati - dengan batas teoretis Big Bang, yang terletak 46,1 miliar tahun cahaya dari lokasi kita - itu tidak akan menjadi batas ruang nyata. Itu hanya garis waktu; ada batasan untuk apa yang dapat kita lihat, karena kecepatan cahaya memungkinkan informasi untuk melakukan perjalanan hanya 13,8 miliar tahun dari masa Big Bang. Jarak ini lebih dari 13,8 miliar tahun cahaya, karena jalinan alam semesta telah meluas (dan terus meluas), tetapi tentu saja terbatas. Tetapi bagaimana dengan waktu sebelum Big Bang? Apa yang akan Anda lihat jika Anda mendapatkan sepersekian detik sebelum Semesta memiliki energi tertinggi, padat, panas, penuh materi, antimateri, dan radiasi?


Inflasi memberikan Big Bang yang panas dan memunculkan Semesta yang dapat diamati, yang dapat kita akses. Fluktuasi inflasi telah menanam benih yang telah tumbuh dalam strukturnya saat ini

Anda akan menemukan keadaan inflasi kosmik di mana Semesta berkembang sangat cepat, dan di mana energi yang melekat dalam ruang itu sendiri mendominasi. Ruang pada waktu itu diperluas secara eksponensial, direntangkan ke keadaan datar, memperoleh sifat yang sama di semua tempat, kemudian partikel-partikel yang ada tersebar di arah yang berbeda, dan fluktuasi yang melekat dalam medan kuantum direntangkan melintasi seluruh Semesta. Ketika inflasi berakhir di tempat di mana kita berada, sebuah Big Bang mengisi Alam Semesta dengan materi dan radiasi, dan menelurkan bagian Alam Semesta itu - Alam Semesta yang dapat diamati - yang kita lihat hari ini. Dan sekarang, 13,8 miliar tahun kemudian, kita memiliki apa yang kita miliki.


Alam Semesta yang dapat diamati dapat memperpanjang 46 miliar tahun cahaya ke segala arah dari sudut pandang kami, tetapi tentu saja ada bagian Alam Semesta yang lebih tak teramati, bahkan mungkin dalam jumlah tak terbatas, mirip dengan yang ada di mana kita berada.

Lokasi kami tidak berbeda, baik dalam ruang maupun waktu. Apa yang dapat kita lihat pada 46 miliar tahun cahaya tidak melekatkan signifikansi khusus pada perbatasan ini atau lokasi ini. Ini hanyalah batasan bidang pandang kami. Jika kita entah bagaimana dapat mengambil foto seluruh Semesta, melampaui batas yang diamati, seperti itu telah menjadi 13,8 miliar tahun setelah Big Bang, itu semua akan terlihat seperti bagian terdekat kita. Itu akan memiliki jaringan besar galaksi galaksi, kelompok, filamen galaksi , kekosongan kosmik yang melampaui area yang relatif kecil yang terlihat oleh kita. Setiap pengamat di mana saja akan melihat alam semesta yang sangat mirip dengan yang kita lihat dari sudut pandang kita.


Salah satu pengamatan paling jauh dari Alam Semesta menunjukkan bintang-bintang dan galaksi-galaksi terdekat, tetapi galaksi-galaksi dari daerah luar hanya terlihat lebih muda dan kurang berkembang. Dari sudut pandang mereka, mereka berusia 13,8 miliar tahun, dan mereka lebih maju, dan kita nampak seperti miliaran tahun yang lalu

Detail individu akan berbeda, seperti detail tata surya kita, galaksi, kelompok lokal, dll. Berbeda. dari detail pengamat lain. Tetapi Alam Semesta tidak terbatas dalam volume - hanya bagiannya yang kita amati terbatas. Alasan untuk ini adalah perbatasan sementara - Big Bang - yang memisahkan kita dari yang lain. Kita hanya bisa mendekatinya dengan bantuan teleskop, yang melihat ke masa-masa awal Semesta, dan secara teori. Sampai kita menemukan cara untuk mengecoh waktu satu arah saat ini, ini akan menjadi satu-satunya pendekatan kita untuk memahami "batas" Semesta. Namun di luar angkasa tidak ada batasan. Sejauh yang kita tahu, seseorang di tepi Alam Semesta yang dapat diamati kita hanya akan melihat kita di ujung Alam Semesta yang dapat diamati!

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika Semesta berkembang, mengapa kita tidak berkembang ; mengapa usia Alam Semesta tidak bertepatan dengan jari-jari bagian yang diamati .