Jumat, 25 September 2020, Program Studi Astronomi Institut Teknologi Bandung (ITB) telah mengadakan kuliah umum daring berjudul The New Quests for Physics of the Early Universe. Kuliah umum kali ini mengundang Eiichiro Komatsu, astronom dari Max-Planck-Institut for Astrophysics, Jerman sebagai pembicara, dengan ketua kelompok keahlian galaksi dan kosmologi Premana W. Premadi bertindak sebagai moderator. Kegiatan ini juga sebagai penanda berakhirnya summer school Galaksi dan Kosmologi yang telah dilaksanakan pada 14-25 September 2020.

Kuliah umum ini dibuka oleh Komatsu dengan penjelasan umum terkait batas terjauh dari alam semesta yang dapat kita amati. Komatsu menunjukkan ilustrasi pemetaan alam semesta yang didapat dari satelit WMAP. Ketika kita mengamati seluruh langit pada panjang gelombang mikro, kita akan mendapati langit dipenuhi foton latar belakang dengan temperatur 2,73 Kelvin. Itulah yang disebut sebagai Cosmic Microwave Background (CMB), foton tertua yang dapat kita amati di alam semesta.

Lantas, bagaimana dengan masa sebelum CMB? Sebelum itu, alam semesta masih sangat panas dan rapat. Ketika itu, foton dan atom yang ada bergabung menjadi satu dan berperilaku seperti fluida. Kemudian ketika terjadi fluktuasi densitas alam semesta, mereka mulai merambat seperti gelombang suara. Perambatan itulah yang kita lihat saat ini, yang akan menuntun kita menuju pengetahuan di masa sebelum CMB terjadi. Prediksi terkait hal tersebut pertama kali dicetuskan oleh James Peebles pada tahun 1970, yang mengantarkannya meraih penghargaan nobel di bidang fisika tahun 2019.

Meskipun diprediksi pada tahun 1970, gelombang suara di awal alam semesta baru berhasil dideteksi pada tahun 1999. Dengan mendekomposisi fluktuasi temperatur pada CMB, kita akan melihat pola seperti gelombang. Metode mendeteksi tersebut dikenal sebagai power spectrum. Dengan menggunakan power spectrum, kita juga dapat menentukan komposisi dari alam semesta, seperti materi baryonik , materi gelap, hingga energi gelap.

Pertanyaan selanjutnya adalah, apa yang menyebabkan adanya fluktuasi kerapatan di awal alam semesta? Ide yang tercetus adalah, kuantum mekanik berlaku di awal alam semesta. Akan tetapi ide ini bermasalah. Ide ini hanya berlaku untuk alam semesta ketika masih dalam skala mikroskopik, dan menjadi tidak relevan lagi begitu alam semesta berubah menjadi skala makroskopik. Kemudian muncul Kembali pertanyaan berikutnya, apa yang menjadi hubungan antara alam semesta skala besar dan skala kecil?

Prediksi yang dibuat oleh para astronom adalah, adanya pengembangan alam semesta secara eksponensial yang disebut sebagai inflasi. Kuantum mekanik yang berlaku dalam skala mikroskopik diregangkan hingga skala makroskopis selama inflasi terjadi. Hal tersebut seperti mengubah satu atom menjadi seukuran tata surya selama inflasi.

Inflasi ini memberikan kita prediksi yang baru. Pertama adalah, selama inflasi berlangsung, jarak antara kedua titik akan mengembang dengan sebuah faktor skala. Lalu laju pengembangan alam semesta akan konstan selama inflasi berlangsung, kemudian turun secara perlahan setelah mengalami inflasi hingga saat ini. Semakin awal fluktuasi terjadi, inflasi akan membuat mereka meregang dengan sudut yang makin lebar. Karena laju pengembangan alam semesta setelah inflasi akan bergerak turun, maka fluktuasi densitas pada skala besar akan lebih besar daripada fluktuasi pada skala yang lebih kecil. Dengan pengetahuan tersebut kita dapat memprediksi bahwa fluktuasi densitas terjadi setelah masa inflasi.

Untuk semakin meyakinkan bahwa inflasi benar-benar terjadi, astronom menginginkan bukti lain. Karena itulah astronom kemudian meneliti tentang gelombang gravitasi di awal alam semesta.

Astronom sendiri telah melakukan berbagai penelitian terkait gelombang gravitasi. Ada empat kondisi yang harus dipenuhi untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Yang pertama, arah dari distorsi gelombang gravitasi harus tegak lurus dengan arah rambatnya, seperti gelombang elektromagnetik. Kemudian, gelombang gravitasi tidak boleh mengubah densitas dari area sekitarnya.

Lalu, bagaimana para astronom mendeteksi gelombang gravitasi? Jawabannya adalah dengan menggunakan Teknik laser interferometer yang telah digunakan oleh LIGO dan VIRGO, dua observatorium yang memfokuskan penelitiannya pada deteksi gelombang gravitasi. Idenya adalah dengan meletakkan dua cermin yang dipisah oleh pemecah sinar yang dihubungkan oleh detektor. Kedua cermin diletakkan pada jarak yang sama dengan pemecah sinar, sehingga apabila tidak ada gangguan apapun, detektor tidak akan menerima sinyal sama sekali. Namun ketika muncul distorsi dari gelombang gravitasi, salah satu cermin akan terdorong menjauhi pemecah sinar, sehingga jaraknya akan berbeda dengan jarak cermin kedua terhadap pemecah sinar. Perbedaan itulah yang menjadi sinyal dan kemudian ditangkap oleh detektor. Sayangnya, metode ini tidak dapat digunakan untuk mendeteksi gelombang gravitasi di awal alam semesta.

Oleh karena itu, diusulkan metode lain, yakni pendeteksian melalui CMB. Apabila CMB mengalami distorsi oleh gelombang gravitasi, CMB akan terpolarisasi secara linear. Efek polarisasi tersebut yang akan coba dideteksi. Memahami hal ini sendiri tidak mudah, sehingga Komatsu juga menambahkan ilustrasi yang memudahkan pemirsa untuk memahami.

Polarisasi tersebut berhasil dideteksi dalam dua mode. Yang pertama adalah mode-E, yakni efek polarisasi akan sejajar atau tegak lurus terhadap arah rambat gelombang gravitasi, dan yang kedua adalah mode-E, dengan efek polarisasi akan miring sebesar 45 derajat dari arah rambat gelombangnya. Astronom sendiri telah berhasil mengukur power spectrum terpolarisasi yang berasal dari fluktuasi densitas.

Yang masih menjadi tantangan adalah untuk mendapatkan pengetahuan terkait power spectrum dari gelombang gravitasi awal alam semesta pada mode-B, demi mendapatkan pengetahuan penuh terkait inflasi. Saat ini dan untuk 10 tahun ke depan, kita berharap dapat menemukan bukti dari gravitasi di awal alam semesta tersebut dengan menggunakan pengamatan dari bumi, karena pengukuran yang lebih akurat akan dating dari misi luar angkasa LiteBIRD di awal tahun 2030. [Achmad Zulfikar]