Gambar sinaran latar gelombang mikro kosmik, diambil oleh satelit Planck Agensi Angkasa Eropah (ESA) pada tahun 2013, menunjukkan variasi kecil melintasi langit
(Imej: © Kerjasama ESA / Planck)
Latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) dianggap sebagai sisa radiasi dari Big Bang, atau ketika alam semesta bermula. Seperti teori ini, ketika alam semesta dilahirkan, ia mengalami inflasi dan pengembangan yang cepat. (Alam semesta masih berkembang hari ini, dan kadar pengembangannya berbeza bergantung pada tempat anda melihat). CMB mewakili panas yang tersisa dari Big Bang.
Anda tidak dapat melihat CMB dengan mata kasar, tetapi ia ada di mana-mana di alam semesta. Ia tidak dapat dilihat oleh manusia kerana sangat sejuk, hanya 2.725 darjah di atas sifar mutlak (minus 459.67 darjah Fahrenheit, atau minus 273.15 darjah Celsius.) Ini bermaksud sinarannya paling banyak dilihat di bahagian gelombang mikro spektrum elektromagnetik.
Asal dan penemuan
Alam semesta bermula 13.8 bilion tahun yang lalu, dan CMB bermula sekitar 400.000 tahun selepas Big Bang. Ini kerana pada peringkat awal alam semesta, ketika ukurannya hanya seratus juta saat ini, suhunya sangat melampau: 273 juta darjah di atas sifar mutlak, menurut NASA.
Mana-mana atom yang ada pada masa itu dengan cepat dipecah menjadi zarah-zarah kecil (proton dan elektron). Sinaran dari CMB dalam foton (zarah yang mewakili kuantum cahaya, atau radiasi lain) tersebar dari elektron. "Oleh itu, foton mengembara di alam semesta awal, sama seperti cahaya optik yang mengembara melalui kabut yang lebat," tulis NASA.
Kira-kira 380,000 tahun selepas Big Bang, alam semesta cukup sejuk sehingga hidrogen dapat terbentuk. Kerana foton CMB hampir tidak terjejas dengan memukul hidrogen, foton bergerak dalam garis lurus. Ahli kosmologi merujuk kepada "permukaan hamburan terakhir" apabila foton CMB kali terakhir terkena; selepas itu, alam semesta terlalu besar. Oleh itu, ketika kita memetakan CMB, kita melihat kembali masa ke masa hingga 380.000 tahun setelah Big Bang, tepat setelah alam semesta legap ke radiasi.
Ahli kosmologi Amerika Ralph Apher pertama kali meramalkan CMB pada tahun 1948, ketika dia bekerja dengan Robert Herman dan George Gamow, menurut NASA. Pasukan ini melakukan penyelidikan yang berkaitan dengan nukleosintesis Big Bang, atau penghasilan unsur-unsur di alam semesta selain isotop hidrogen paling ringan (jenis). Hidrogen jenis ini diciptakan pada awal sejarah alam semesta.
Tetapi CMB pertama kali ditemui secara tidak sengaja. Pada tahun 1965, dua penyelidik dengan Bell Telephone Laboratories (Arno Penzias dan Robert Wilson) sedang membuat penerima radio, dan bingung dengan suara yang ditimbulkannya. Mereka segera menyedari bunyi itu datang secara seragam dari seluruh langit. Pada masa yang sama, sebuah pasukan di Princeton University (diketuai oleh Robert Dicke) berusaha mencari CMB. Pasukan Dicke mendapat percubaan Bell dan menyedari CMB telah dijumpai.
Kedua-dua pasukan dengan cepat menerbitkan makalah dalam Jurnal Astrofizik pada tahun 1965, dengan Penzias dan Wilson membincangkan apa yang mereka lihat, dan pasukan Dicke menjelaskan apa maksudnya dalam konteks alam semesta. (Kemudian, Penzias dan Wilson sama-sama menerima Hadiah Nobel dalam bidang fizik 1978).
Belajar dengan lebih terperinci
CMB berguna untuk para saintis kerana ia membantu kita mempelajari bagaimana alam semesta awal terbentuk. Ia berada pada suhu yang seragam dengan hanya turun naik kecil yang dapat dilihat dengan teleskop tepat. "Dengan mengkaji turun naik ini, ahli kosmologi dapat belajar tentang asal usul galaksi dan struktur galaksi berskala besar dan mereka dapat mengukur parameter asas teori Big Bang," tulis NASA.
Sementara bahagian CMB dipetakan dalam beberapa dekad berikutnya setelah penemuannya, peta langit penuh berasaskan ruang angkasa pertama berasal dari misi Cosmic Background Explorer (COBE) NASA, yang dilancarkan pada tahun 1989 dan menghentikan operasi sains pada tahun 1993. Ini "gambar bayi Alam semesta, seperti yang disebut NASA, mengesahkan ramalan teori Big Bang dan juga menunjukkan petunjuk struktur kosmik yang tidak pernah dilihat sebelumnya. Pada tahun 2006, Hadiah Nobel dalam bidang fizik dianugerahkan kepada saintis COBE John Mather di Pusat Penerbangan Angkasa Goddard NASA, dan George Smoot di University of California, Berkeley.
Peta yang lebih terperinci datang pada tahun 2003 berdasarkan Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), yang dilancarkan pada bulan Jun 2001 dan berhenti mengumpulkan data sains pada tahun 2010. Gambar pertama merangkumi usia alam semesta pada 13.7 bilion tahun (ukuran sejak diperbaiki menjadi 13.8 bilion tahun) dan juga mengejutkan: bintang-bintang tertua mula bersinar sekitar 200 juta tahun selepas Big Bang, jauh lebih awal daripada yang diramalkan.
Para saintis menindaklanjuti hasil tersebut dengan mengkaji tahap inflasi alam semesta yang sangat awal (pada triliun detik setelah pembentukan) dan dengan memberikan parameter yang lebih tepat mengenai ketumpatan atom, kekenyangan alam semesta dan sifat-sifat lain dari alam semesta sejurus selepas ia terbentuk. Mereka juga melihat asimetri aneh pada suhu rata-rata di kedua belahan langit, dan "tempat sejuk" yang lebih besar daripada yang dijangkakan. Pasukan WMAP menerima Hadiah Terobosan 2018 dalam Fizik Fundamental untuk kerja mereka.
Pada tahun 2013, data dari teleskop ruang angkasa Planck Agensi Angkasa Eropah dikeluarkan, menunjukkan gambar ketepatan tertinggi CMB. Para saintis menemui misteri lain dengan maklumat ini: Fluktuasi CMB pada skala sudut besar tidak sesuai dengan ramalan. Planck juga mengesahkan apa yang dilihat WMAP dari segi asimetri dan titik sejuk. Pelepasan data akhir Planck pada tahun 2018 (misi yang dikendalikan antara 2009 dan 2013) menunjukkan lebih banyak bukti bahawa bahan gelap dan tenaga gelap - kekuatan misteri yang mungkin di sebalik pecutan alam semesta - nampaknya wujud.
Usaha penyelidikan lain telah berusaha untuk melihat aspek CMB yang berbeza. Salah satunya adalah menentukan jenis polarisasi yang disebut E-mod (ditemui oleh Interferometer Skala Sudut Gelar Antartika pada tahun 2002) dan mod-B. Mod-B dapat dihasilkan dari lensa graviti E-mod (lensa ini pertama kali dilihat oleh Teleskop Kutub Selatan pada tahun 2013) dan gelombang graviti (yang pertama kali diperhatikan pada tahun 2016 menggunakan Advanced Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, atau LIGO). Pada tahun 2014, instrumen BICEP2 yang berpusat di Antartika dikatakan telah menemui mod gelombang B graviti, tetapi pemerhatian lebih lanjut (termasuk karya dari Planck) menunjukkan hasil ini disebabkan oleh debu kosmik.
Pada pertengahan tahun 2018, saintis masih mencari isyarat yang menunjukkan jangka masa pengembangan alam semesta yang cepat sejurus selepas Big Bang. Pada masa itu, alam semesta semakin besar dengan laju lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Sekiranya ini berlaku, para penyelidik mengesyaki ini mesti dilihat di CMB melalui bentuk polarisasi. Satu kajian pada tahun itu menunjukkan bahawa cahaya dari nanodiamond menghasilkan cahaya yang samar, tetapi dapat dilihat, yang mengganggu pemerhatian kosmik. Sekarang bahawa cahaya ini diperhitungkan, penyelidikan masa depan dapat menghapusnya untuk mencari polarisasi samar di CMB, kata penulis kajian pada masa itu.
Sumber tambahan
- NASA: Ujian Big Bang: CMB
