Pandangan sekilas ke bagian yang sangat jauh dari Semesta mengungkapkan galaksi bergerak dengan kecepatan tinggi dari kita. Pada jarak seperti itu, lebih banyak galaksi yang terlihat, mereka lebih kecil dalam ukuran, tidak begitu berkembang dan menjauh dengan pergeseran merah besar daripada yang terletak di dekatnyaKetika Anda melihat Alam semesta yang jauh, Anda melihat galaksi di mana-mana - di semua arah, jutaan dan milyaran tahun cahaya. Sekitar dua triliun galaksi tersedia bagi umat manusia untuk diobservasi, dan jumlah total semua yang ada di Semesta jauh lebih besar dan lebih luar biasa daripada yang bisa kita bayangkan. Salah satu fakta yang paling membingungkan adalah bahwa semua galaksi yang kita lihat taat pada satu aturan rata-rata: semakin jauh mereka dari kita, semakin cepat, tampaknya, mereka menjauh dari kita. Penemuan ini, yang dibuat oleh Edwin Hubble dan asistennya di tahun 1920-an, membawa kami ke sebuah gambaran tentang alam semesta yang mengembang. Tetapi apa artinya bahwa alam semesta mengembang? Ilmu pengetahuan mengetahui hal ini, dan sekarang Anda akan tahu!
Semakin jauh kita melihat, semakin kuno dan tidak berkembangnya Semesta yang kita lihat. Tetapi ini hanya jika Teori Relativitas Umum berlaku untuk Semesta dan mengendalikan perluasannya.1) Apa perluasan alam semesta? Ini adalah salah satu pertanyaan yang terdengar masuk akal, karena segala sesuatu yang dapat berkembang, terdiri dari materi dan ada dalam ruang dan waktu Semesta. Tetapi Semesta itu sendiri adalah ruang dan waktu, dan ia mengandung semua materi dan energi yang tersedia. Berbicara tentang "perluasan Alam Semesta," yang kami maksudkan adalah ruang berkembang, dan kami melihat bahwa galaksi-galaksi individu dan kelompok-kelompoknya tersebar satu sama lain. Visualisasi terbaik dari proses ini adalah adonan kismis yang naik akibat dipanggang dalam oven.
Model "roti dengan kismis" dari perluasan Semesta, di mana jarak relatif meningkat dengan perluasan ruang (uji).Adonan adalah bahan ruang, kismis adalah struktur terkait (galaksi atau kelompok / kelompok galaksi), dan dari sudut pandang kismis apa pun, semua yang lain menjauh darinya, dan semakin jauh kismis, semakin cepat kismis, semakin cepat ia lari. Hanya dalam kasus alam semesta tidak ada kompor dan tidak ada udara di luar adonan; hanya ada adonan (spasi) dan kismis (materi).
Redshift bukan disebabkan oleh pergerakan galaksi dari kita - pergeseran merah cahaya yang bergerak dari titik-titik ruang yang jauh ke kita adalah karena peregangan ruang antara kita dan galaksi2) Bagaimana kita tahu bahwa struktur ruang berkembang - mungkin hanya galaksi yang bergerak dengan kecepatan berbeda? Jika objek bergerak dari Anda ke segala arah, maka mungkin ruang antara Anda dan mereka berkembang; tapi ini hanya salah satu kemungkinan. Kedengarannya masuk akal bahwa Anda bisa berada di pusat ledakan, dan banyak objek kebetulan berada lebih jauh dari Anda dan bergerak lebih cepat hari ini karena mereka memperoleh lebih banyak energi selama ledakan. Jika demikian, maka dua bukti ini akan menonjol:
- Pada jarak yang jauh, galaksi dengan kecepatan tinggi akan lebih kecil karena mereka akan terbang terpisah di ruang angkasa seiring waktu.
- Rasio pergeseran merah dan jangkauan pada jarak yang jauh akan memiliki bentuk yang sangat pasti, berbeda dari kasus ketika jaringan ruang angkasa mengembang.
Perbedaan antara penjelasan berdasarkan gerakan sederhana (garis putus-putus) dan prediksi GR (solid) untuk jarak di alam semesta yang mengembang. Pengamatan kami tidak ambigu konsisten dengan prediksi GR.Pada jarak yang jauh, kepadatan galaksi lebih tinggi daripada di dekat kita. Ini bertepatan dengan gambaran di mana ruang mengembang, karena mengintip kejauhan sama dengan mengintip ke masa lalu, di mana ekspansi tidak begitu kuat. Kita juga melihat bahwa rasio pergeseran merah terhadap jarak pada galaksi yang jauh bertepatan dengan gambar perluasan jalinan ruang, dan tidak bertepatan dengan kasus ketika galaksi hanya bergerak menjauh dari kita. Ilmu pengetahuan memberikan jawaban untuk pertanyaan ini dalam dua cara yang sangat berbeda, dan kedua jawaban mendukung opsi dari perluasan alam semesta.
Grafik laju ekspansi semu (sumbu y) versus jarak (sumbu x) bertepatan dengan Semesta, yang meluas lebih cepat di masa lalu, tetapi masih berkembang hingga saat ini. Ini adalah versi pengamatan modern yang memperpanjang jarak ribuan kali lebih banyak daripada yang dilakukan Hubble. Perhatikan bahwa poin tidak terletak pada garis lurus, yang menunjukkan perubahan dalam laju ekspansi dengan waktu3) Pernahkah Semesta selalu berkembang dengan kecepatan yang sama? Kami menyebut kecepatan ini konstanta Hubble, tetapi konstan di seluruh ruang, dan tidak sepanjang waktu. Alam semesta sekarang, hari ini, berkembang lebih lambat daripada di masa lalu [
Di sini Ethan menjelaskan mengapa ekspansi melambat, dan galaksi terbang terpisah lebih cepat / kira-kira. diterjemahkan.]. Ketika kita berbicara tentang kecepatan ekspansi, yang kita maksud adalah kecepatan per unit jarak: hari ini sekitar 70 km / s / Mpc (kilometer per detik per megaparsec; megaparsec - 3.260.000 tahun cahaya). Tetapi laju ekspansi tergantung pada kepadatan segala sesuatu yang ada di Semesta, termasuk materi dengan radiasi. Dengan perluasan Alam Semesta, materi dan radiasi di dalamnya menjadi kurang padat, dan dengan penurunan kepadatan materi dan radiasi, kecepatan ekspansi juga menurun. Alam semesta telah berkembang lebih cepat di masa lalu, dan telah melambat sejak Dentuman Besar. Konstanta Hubble tidak dinamai persis seperti itu; itu harus disebut parameter Hubble.
Pilihan untuk nasib jauh dari Semesta menawarkan beberapa kemungkinan, tetapi jika energi gelap benar-benar konstan, seperti yang ditunjukkan oleh data kami, Semesta akan terus mengikuti kurva merah4) Akankah Semesta mengembang selamanya, atau akan pernah berhenti, atau bahkan menyusut kembali? Selama beberapa generasi, pertanyaan ini telah menjadi cawan suci kosmologi dan astrofisika, dan adalah mungkin untuk menjawabnya hanya dengan menentukan laju ekspansi Semesta dan semua jenis dan jumlah energi yang ada di dalamnya. Sekarang kita telah berhasil mengukur berapa banyak materi normal, radiasi, neutrino, materi gelap dan energi gelap yang ada di dalamnya, serta kecepatan ekspansi Alam Semesta. Berdasarkan hukum fisika dan peristiwa masa lalu, tampaknya sangat mungkin bahwa Semesta akan berkembang selamanya. Meskipun probabilitas ini tidak sama dengan 100%; jika sesuatu, misalnya, materi gelap, akan berperilaku berbeda di masa depan, tidak seperti di masa lalu atau hari ini, semua kesimpulan kami harus ditinjau.
5) Apakah ada galaksi yang melarikan diri dari kita lebih cepat dari kecepatan cahaya, dan bukankah itu terlarang? Dari sudut pandang kami, ruang antara kami dan titik jauh pun berkembang. Semakin jauh sesuatu, semakin cepat ia menjauh dari kita. Sekalipun kecepatan ekspansi kecil, objek yang cukup jauh pada akhirnya akan mengatasi ambang batas kecepatan final apa pun, karena kecepatan ekspansi (kecepatan per satuan jarak) dikalikan dengan jarak yang cukup besar akan memberi Anda nilai kecepatan apa pun. Tapi GRT tidak melarang ini! Hukum yang melarang gerakan lebih cepat dari cahaya hanya berlaku untuk pergerakan benda di ruang angkasa, dan bukan pada perluasan ruang itu sendiri. Faktanya, galaksi-galaksi itu sendiri bergerak dengan kecepatan urutan ratusan atau ribuan km / detik, yang jauh lebih kecil dari 300.000 km / detik, batas kecepatan yang ditentukan oleh cahaya. Pelarian dan pergeseran merah disebabkan oleh ekspansi alam semesta, bukan pergerakan galaksi yang sebenarnya.
Di dalam Alam Semesta yang dapat diamati (lingkaran kuning) ada sekitar 2 triliun galaksi. Galaksi yang terletak pada jarak lebih besar dari sepertiga jalan dari kita ke perbatasan tidak akan pernah bisa dicapai karena perluasan Alam Semesta, oleh karena itu volume yang dibuka untuk studi manusia hanya 3% dari alam semesta yang diamatiPerluasan Alam Semesta adalah konsekuensi yang perlu dari keberadaan materi dan energi yang mengisi ruang-waktu, tunduk pada GR. Selama ada materi, ada gaya tarik gravitasi, sehingga gravitasi menang dan semuanya menyusut, atau gravitasi hilang dan memenangkan ekspansi. Tidak ada pusat ekspansi, tidak ada di luar ruang di mana Semesta akan berkembang; ekspansi dialami oleh jalinan alam semesta itu sendiri, di mana-mana dan terus-menerus. Dan apa yang paling menjengkelkan, bahkan jika kita meninggalkan Bumi hari ini dan menabrak jalan dengan kecepatan cahaya, hanya 3% galaksi dari seluruh Alam Semesta yang dapat diamati tersedia untuk kita; 97% dari mereka sudah melampaui kemampuan kami. Alam semesta bisa menjadi tempat yang sulit, tetapi setidaknya sekarang Anda tahu jawaban untuk lima pertanyaan yang paling membingungkan!