Kita Bisa Melihat Galaksi Jutaan Tahun Cahaya Jauhnya, Jadi Kenapa Kita Tidak Bisa Melihat Ujung Alam Semesta?

Malam yang benar-benar gelap membuat langit terasa hampir tidak memiliki batas.

Bintang terlihat seperti titik kecil.

Beberapa planet dapat terlihat tanpa teleskop.

Dengan instrumen yang lebih kuat, kita bisa mengamati nebula, gugus bintang, dan galaksi yang berada sangat jauh dari Bumi.

Kemudian muncul pertanyaan yang terdengar sederhana:

Kalau teleskop terus dibuat semakin kuat, kenapa kita tidak mengarahkannya lebih jauh sampai akhirnya melihat ujung alam semesta?

Mungkin akan ada wilayah terakhir.

Setelah itu tidak ada apa-apa.

Atau mungkin sebuah batas seperti dinding kosmik raksasa.

Masalahnya, alam semesta tidak bekerja seperti ruangan yang memiliki tembok di kejauhan.

Ketika astronom melihat objek yang sangat jauh, mereka bukan hanya melihat tempat yang jauh.

Mereka juga sedang melihat masa lalu alam semesta.

Dan semakin jauh kita mencoba melihat, semakin dekat pengamatan tersebut membawa kita menuju kondisi awal kosmos.

Konsep inilah yang membuat observable universe menjadi salah satu gagasan paling menarik dalam kosmologi.

Kita tidak melihat seluruh alam semesta.

Kita hanya dapat melihat bagian yang cahayanya memiliki kesempatan untuk mencapai kita.

Melihat Jauh Berarti Melihat ke Masa Lalu

Cahaya bergerak sangat cepat.

Sekitar 300.000 kilometer per detik di ruang hampa.

Kecepatan itu luar biasa besar, tetapi tetap memiliki batas.

Artinya cahaya membutuhkan waktu untuk berpindah dari satu tempat ke tempat lain.

Cahaya Matahari membutuhkan sekitar delapan menit untuk mencapai Bumi.

Jadi ketika melihat Matahari, secara sederhana kita melihatnya seperti sekitar delapan menit sebelumnya.

Prinsip yang sama berlaku pada objek yang jauh lebih jauh.

Jika sebuah bintang berada 100 tahun cahaya dari kita, cahaya yang tiba malam ini memulai perjalanannya sekitar 100 tahun lalu.

Kita melihat masa lalunya.

Jika sebuah galaksi diamati dari jarak kosmologis yang sangat besar, kita melihat cahaya yang meninggalkannya ketika alam semesta masih jauh lebih muda.

Teleskop kemudian berubah menjadi sesuatu yang hampir menyerupai mesin waktu.

Bukan mesin yang membawa manusia ke masa lalu, melainkan alat yang memungkinkan kita menerima informasi yang dikirim dari masa lalu.

Tidak Ada Gambar Alam Semesta yang Benar-Benar “Live”

Ketika melihat Bulan, Matahari, bintang, atau galaksi, selalu ada keterlambatan.

Untuk objek dekat, keterlambatan itu kecil.

Untuk objek kosmik yang jauh, keterlambatan dapat mencapai jutaan atau bahkan miliaran tahun.

Karena itu, gambar deep-space bukan potret seluruh kosmos pada satu waktu universal yang sama.

Setiap bagian membawa informasi dari waktu yang berbeda.

Sebuah galaksi yang kita lihat hari ini bahkan mungkin sudah berubah secara signifikan dibandingkan bentuk yang terlihat dalam cahaya yang baru mencapai kita sekarang.

Semakin jauh objeknya, semakin tua informasi yang kita terima.

Ini merupakan salah satu alasan mengapa astronom dapat mempelajari evolusi galaksi.

Mereka tidak hanya mencari galaksi yang berbeda.

Mereka melihat galaksi pada berbagai tahap sejarah kosmik.

Lalu Apa Itu Observable Universe?

Bayangkan alam semesta memiliki usia tertentu.

Sejak kondisi awal kosmos, cahaya telah bergerak melintasi ruang.

Tetapi karena kecepatan cahaya terbatas dan alam semesta memiliki usia terbatas, tidak semua cahaya dari setiap lokasi mungkin sudah mencapai kita.

Wilayah yang secara prinsip dapat mengirimkan informasi kepada kita disebut bagian dari observable universe, atau alam semesta teramati.

Kata pentingnya adalah “observable.”

Bukan berarti di luar wilayah tersebut pasti tidak ada apa-apa.

Artinya kita memiliki batas terhadap apa yang dapat diamati dari posisi kita.

Ada kemungkinan ruang berlanjut jauh melampaui bagian yang bisa kita lihat.

Seberapa jauh?

Itulah bagian yang jauh lebih sulit dijawab.

Kenapa Radiusnya Bisa Lebih Besar daripada Usia Alam Semesta dalam Tahun Cahaya?

Ini bagian yang sering membingungkan.

Jika alam semesta berusia sekitar 13,8 miliar tahun, kita mungkin langsung menyimpulkan bahwa objek terjauh seharusnya berjarak maksimal sekitar 13,8 miliar tahun cahaya.

Namun ruang itu sendiri mengalami ekspansi.

Selama cahaya melakukan perjalanan menuju kita, jarak kosmologis antara wilayah-wilayah alam semesta ikut berubah.

Karena ekspansi tersebut, objek yang cahayanya telah melakukan perjalanan selama miliaran tahun tidak harus sekarang berada pada jarak yang sama dengan waktu perjalanan cahayanya dikalikan kecepatan cahaya.

Dalam model kosmologi modern, radius alam semesta teramati saat ini diperkirakan sekitar 46 miliar tahun cahaya.

Diameter keseluruhannya kira-kira 93 miliar tahun cahaya.

Ini tidak berarti kita menerima cahaya yang telah berjalan selama 46 miliar tahun.

Perbedaannya muncul karena ruang mengembang selama perjalanan cahaya tersebut.

Ekspansi Alam Semesta Bukan Ledakan Biasa

Bayangkan sebuah bom meledak di ruang kosong.

Material bergerak dari pusat ledakan menuju ruang yang sudah ada di sekitarnya.

Gambaran ini mudah dipahami.

Tetapi Big Bang tidak sebaiknya dibayangkan seperti itu.

Model kosmologi modern tidak menggambarkan semua galaksi sebagai serpihan yang meledak dari satu titik di dalam ruang menuju kehampaan.

Yang mengalami evolusi adalah ruang itu sendiri.

Jarak antara struktur kosmik yang tidak terikat gravitasi dapat bertambah seiring ekspansi.

Karena itu pertanyaan:

“Di mana pusat ledakan Big Bang?”

menjadi bermasalah.

Tidak ada lokasi sederhana di langit yang dapat kita tunjuk lalu berkata bahwa seluruh alam semesta meledak dari titik tersebut ke arah kita.

Analogi Balon Membantu, tetapi Tidak Sempurna

Salah satu analogi populer menggunakan permukaan balon.

Bayangkan beberapa titik digambar pada permukaan balon.

Ketika balon mengembang, jarak antara titik-titik bertambah.

Dari sudut pandang setiap titik, titik lainnya tampak semakin jauh.

Tidak ada titik khusus pada permukaan yang harus menjadi pusat ekspansi permukaan tersebut.

Analogi ini membantu memahami bagaimana jarak dapat bertambah tanpa semua objek harus bergerak menjauhi satu titik pusat di dalam ruang yang sama.

Tetapi analogi balon memiliki keterbatasan.

Balon mengembang ke dalam ruang tiga dimensi di sekitarnya.

Kita tidak perlu menganggap alam semesta membutuhkan “ruangan luar” seperti itu agar ekspansi kosmik dapat terjadi.

Analogi adalah alat untuk memahami satu aspek konsep, bukan model literal alam semesta.

Apakah Alam Semesta Memiliki Tepi?

Kita belum memiliki bukti bahwa di suatu tempat terdapat tembok fisik yang menjadi akhir ruang.

Konsep “ujung” muncul karena pengalaman sehari-hari.

Meja memiliki ujung.

Rumah memiliki dinding.

Pulau memiliki garis pantai.

Kotak memiliki sisi.

Karena hampir semua objek yang kita temui memiliki batas, intuitif untuk membayangkan alam semesta juga harus memiliki batas seperti benda biasa.

Namun ruang tidak harus mengikuti intuisi tersebut.

Secara geometris, sesuatu bahkan dapat memiliki ukuran terbatas tanpa memiliki tepi seperti dinding.

Permukaan Bumi memberikan analogi sederhana.

Jika berjalan terus di permukaan planet tanpa hambatan, kita tidak akan menemukan titik tempat permukaan tiba-tiba berhenti dan berubah menjadi jurang.

Permukaannya terbatas tetapi tidak memiliki tepi dalam pengertian tersebut.

Geometri tiga dimensi alam semesta tentu jauh lebih kompleks, tetapi analogi ini menunjukkan mengapa “terbatas” dan “memiliki ujung” bukan hal yang sama.

Alam Semesta Bisa Jauh Lebih Besar daripada Bagian yang Kita Lihat

Observable universe adalah batas pengamatan kita, bukan otomatis batas keberadaan seluruh kosmos.

Bayangkan seseorang berdiri di tengah lautan pada hari berkabut.

Ia hanya dapat melihat sampai horizon tertentu.

Horizon itu bukan ujung lautan.

Itu adalah ujung dari bagian yang dapat dilihat dari posisinya.

Kosmologi memiliki konsep horizon yang jauh lebih kompleks, tetapi ide dasarnya membantu.

Ada wilayah yang dapat berkomunikasi dengan kita melalui cahaya.

Ada pula wilayah yang mungkin berada di luar jangkauan informasi yang dapat mencapai kita dalam kondisi kosmologis tertentu.

Karena itu, seluruh alam semesta bisa jauh lebih besar daripada bagian yang dapat diamati.

Bahkan kemungkinan ruang yang sangat besar atau tidak terbatas tidak dapat disingkirkan hanya dengan melihat horizon kita.

Pengamat di Galaksi Lain Akan Memiliki Observable Universe Sendiri

Ini salah satu bagian yang menarik.

Bayangkan ada pengamat di sebuah galaksi yang sangat jauh.

Ia juga melihat alam semesta dari lokasinya sendiri.

Horizon kosmiknya akan berpusat pada dirinya.

Apakah berarti Bumi adalah pusat alam semesta karena observable universe kita terlihat berpusat pada kita?

Tidak.

Itu hanya konsekuensi dari posisi pengamat.

Bayangkan berdiri di tengah padang luas.

Horizon terlihat mengelilingi Anda.

Berjalan beberapa kilometer dan horizon kembali terlihat mengelilingi posisi baru Anda.

Hal tersebut tidak membuktikan bahwa Anda adalah pusat permukaan Bumi.

Demikian pula, posisi kita menjadi pusat wilayah yang dapat kita amati karena kita adalah pengamatnya.

Apa Cahaya Tertua yang Bisa Kita Lihat?

Jika terus melihat semakin jauh, pada akhirnya kita mencapai masa ketika alam semesta sangat muda.

Namun ada masalah.

Alam semesta awal pernah berada dalam kondisi sangat panas dan padat.

Materi dan radiasi berinteraksi sedemikian rupa sehingga cahaya tidak dapat bergerak bebas seperti setelah alam semesta berkembang dan mendingin.

Kemudian datang periode ketika kondisi memungkinkan foton bergerak jauh lebih bebas.

Cahaya sisa dari era tersebut sekarang kita amati sebagai cosmic microwave background, atau CMB.

CMB menjadi salah satu sumber informasi terpenting mengenai alam semesta awal.

Kita dapat memetakan variasi temperatur yang sangat kecil di dalamnya dan menggunakan pola tersebut untuk mempelajari kondisi kosmos muda.

Jadi CMB Adalah Dinding di Ujung Alam Semesta?

Tidak.

Ini perbedaan penting.

CMB bukan tembok fisik.

Kita tidak sedang melihat permukaan keras yang menutup alam semesta.

Kita melihat batas elektromagnetik dari seberapa jauh ke masa lalu kita dapat mengamati menggunakan cahaya yang bergerak bebas sejak era tersebut.

Ada sejarah kosmik sebelum cahaya CMB dilepaskan.

Hanya saja kita tidak dapat melihat periode sebelumnya dengan cara yang sama menggunakan cahaya elektromagnetik biasa.

Para ilmuwan kemudian mencari pembawa informasi lain untuk mempelajari fase yang lebih awal.

Kita Tidak Hanya Menggunakan Cahaya Tampak

Ketika mendengar kata teleskop, banyak orang membayangkan alat yang memperbesar cahaya seperti mata manusia.

Astronomi modern jauh lebih luas.

Alam semesta mengirimkan informasi melalui berbagai bagian spektrum elektromagnetik.

Radio.

Microwave.

Infrared.

Visible light.

Ultraviolet.

X-ray.

Gamma ray.

Instrumen berbeda dirancang untuk mendeteksi jenis radiasi yang berbeda.

Objek yang terlihat biasa atau bahkan tidak terlihat pada satu panjang gelombang dapat memperlihatkan struktur yang sangat berbeda pada panjang gelombang lain.

Inilah alasan observatorium yang berbeda dapat memberikan gambaran berbeda terhadap objek kosmik yang sama.

Teleskop Lebih Besar Tidak Berarti Bisa Melihat Tanpa Batas

Mudah membayangkan bahwa masalahnya hanya teknologi.

Buat teleskop dua kali lebih besar.

Kemudian sepuluh kali.

Seratus kali.

Akhirnya kita melihat semuanya.

Tetapi batas pengamatan kosmik tidak hanya ditentukan oleh ukuran teleskop.

Ada batas yang berasal dari sifat alam semesta itu sendiri.

Jika informasi dari suatu wilayah belum memiliki kesempatan untuk mencapai kita, tidak ada teleskop yang dapat menangkap informasi yang belum tiba.

Teleskop yang lebih baik dapat mengumpulkan cahaya lebih sensitif, menghasilkan resolusi lebih baik, dan menemukan objek yang sebelumnya terlalu redup.

Tetapi teknologi tidak dapat begitu saja menghapus causal horizon.

Ekspansi Juga Mengubah Cahaya yang Kita Terima

Ketika ruang mengembang, panjang gelombang cahaya yang bergerak melaluinya dapat ikut meregang.

Fenomena ini berkaitan dengan cosmological redshift.

Semakin besar pergeseran tersebut, semakin banyak cahaya bergeser menuju panjang gelombang yang lebih panjang dibandingkan ketika dipancarkan.

Itulah salah satu alasan observasi infrared sangat penting untuk mempelajari alam semesta awal.

Cahaya yang awalnya dipancarkan pada panjang gelombang lebih pendek dapat mencapai kita setelah diregangkan oleh ekspansi kosmik.

Astronom kemudian menggunakan redshift bersama model kosmologi untuk mempelajari jarak dan sejarah objek jauh.

Ada Galaksi yang Cahaya Barunya Mungkin Tidak Akan Pernah Mencapai Kita

Bagian ini terasa aneh.

Kita dapat melihat cahaya lama dari beberapa objek yang sangat jauh.

Tetapi karena ekspansi alam semesta mengalami percepatan, ada horizon kosmik yang memengaruhi informasi apa yang dapat mencapai kita di masa depan.

Ini berarti kosmos memiliki wilayah yang hubungan kausalnya dengan kita dibatasi oleh ekspansi.

Dalam masa yang sangat panjang, gambaran langit kosmik dapat berubah secara drastis.

Galaksi-galaksi jauh dapat menjadi semakin sulit diamati ketika cahaya mereka semakin redshift dan kondisi kosmik terus berkembang.

Alam semesta masa depan tidak akan terlihat sama seperti alam semesta yang dapat dipelajari astronom hari ini.

Apakah Kita Sedang Melihat Galaksi yang Sudah Tidak Ada?

Dalam arti tertentu, mungkin.

Ketika melihat objek yang sangat jauh, kita melihat kondisi objek tersebut ketika cahaya meninggalkannya.

Selama perjalanan cahaya menuju Bumi, miliaran tahun dapat berlalu.

Dalam periode tersebut, galaksi dapat berevolusi.

Bintang lahir dan mati.

Galaksi dapat berinteraksi atau bergabung.

Strukturnya dapat berubah.

Jadi kita tidak otomatis mengetahui seperti apa kondisi objek tersebut “sekarang” hanya dari cahaya lama yang baru tiba.

Namun istilah “sekarang” sendiri menjadi lebih rumit ketika membicarakan jarak kosmologis sangat besar dan relativitas.

Karena itu, astronom biasanya bekerja dengan konsep seperti lookback time, redshift, dan usia kosmik daripada memperlakukan seluruh alam semesta seperti memiliki satu jam sederhana yang dapat dilihat secara bersamaan.

Kenapa Langit Malam Tidak Terang Seluruhnya?

Jika alam semesta berisi begitu banyak bintang, mengapa malam masih gelap?

Pertanyaan ini memiliki sejarah panjang dan berkaitan dengan apa yang dikenal sebagai Olbers’ paradox.

Dalam alam semesta yang statis, abadi, dan dipenuhi bintang secara merata tanpa batas, hampir setiap arah pandangan seharusnya pada akhirnya berakhir pada permukaan sebuah bintang.

Langit malam seharusnya sangat terang.

Tetapi alam semesta kita tidak memiliki kondisi seperti model sederhana tersebut.

Usianya terbatas.

Ia berevolusi.

Ia mengembang.

Cahaya dari semua wilayah belum tentu dapat mencapai kita, dan ekspansi juga memengaruhi energi radiasi yang kita terima.

Kegelapan malam ternyata menyimpan informasi mengenai sifat kosmos.

Setiap Foto Deep Space Sebenarnya Berisi Banyak Waktu Sekaligus

Lihat sebuah gambar deep-field.

Kita mungkin melihat ratusan atau ribuan galaksi dalam satu frame.

Secara visual semuanya berada di gambar yang sama.

Tetapi mereka tidak harus dilihat pada periode sejarah yang sama.

Galaksi yang lebih dekat terlihat pada masa yang lebih baru.

Galaksi sangat jauh terlihat ketika kosmos lebih muda.

Dengan kata lain, sebuah gambar kecil di layar dapat berisi potongan sejarah alam semesta yang membentang selama miliaran tahun.

Itulah yang membuat astronomi jauh lebih menarik daripada sekadar “melihat benda jauh.”

Kita sedang merekonstruksi sejarah menggunakan cahaya.

Jarak Kosmik Tidak Sesederhana Menggunakan Penggaris

Dalam kehidupan sehari-hari, pertanyaan “berapa jauh?” biasanya memiliki jawaban tunggal.

Rumah ke kantor 10 kilometer.

Jakarta ke kota lain sekian kilometer.

Dalam kosmologi, jarak bisa lebih rumit karena ruang mengembang.

Astronom dapat berbicara mengenai lookback time, comoving distance, luminosity distance, dan ukuran lain tergantung apa yang sedang dihitung.

Karena itu angka jarak kosmik yang muncul dalam artikel populer terkadang tampak berbeda meskipun membicarakan objek yang sama.

Bukan selalu berarti salah satunya keliru.

Bisa jadi definisi jarak yang digunakan berbeda.

Apakah Kita Akan Pernah Mengetahui Ukuran Seluruh Alam Semesta?

Mungkin tidak dengan kepastian sederhana seperti mengukur diameter sebuah planet.

Kita dapat mengukur sifat bagian alam semesta yang dapat diamati.

Kita dapat mempelajari geometri ruang dalam skala besar.

Kita dapat menguji model kosmologi terhadap observasi.

Kita dapat mempersempit kemungkinan.

Tetapi jika ruang memang meluas jauh di luar horizon yang dapat diamati, informasi langsung dari wilayah tersebut tidak tersedia bagi kita.

Ilmu pengetahuan bekerja berdasarkan bukti yang dapat diuji.

Karena itu, ada perbedaan penting antara mengatakan:

“Bagian alam semesta yang dapat diamati memiliki ukuran tertentu”

dan:

“Seluruh alam semesta pasti memiliki ukuran tersebut.”

Yang pertama berkaitan dengan horizon observasi.

Yang kedua membutuhkan klaim yang jauh lebih besar.

Keterbatasan Pengamatan Bukan Kegagalan Ilmu Pengetahuan

Ada kecenderungan menganggap pertanyaan yang belum memiliki jawaban lengkap sebagai kelemahan.

Padahal mengetahui batas pengetahuan justru bagian penting dari sains.

Kita mengetahui bahwa kecepatan cahaya terbatas.

Kita mengetahui bahwa melihat jauh berarti melihat masa lalu.

Kita memiliki bukti kuat bahwa alam semesta mengalami ekspansi.

Kita dapat mengamati CMB.

Kita dapat memetakan galaksi dalam skala luar biasa besar.

Pada saat yang sama, kita juga mengetahui bahwa observable universe tidak otomatis sama dengan seluruh realitas kosmik.

Menentukan mana yang diketahui, mana yang disimpulkan dari model, dan mana yang masih belum dapat diuji secara langsung adalah bagian dari proses ilmiah.

Kesimpulan

Teleskop modern memungkinkan manusia melihat begitu jauh sehingga cahaya yang kita terima telah melakukan perjalanan selama miliaran tahun.

Namun melihat lebih jauh tidak berarti kita sedang mendekati sebuah dinding di ujung ruang.

Kita sedang melihat semakin jauh ke dalam sejarah kosmos.

Observable universe adalah bagian alam semesta yang informasinya memiliki kesempatan untuk mencapai kita, bukan bukti bahwa ruang berhenti tepat di batas tersebut.

Karena alam semesta mengembang, ukuran wilayah teramati bahkan jauh lebih besar daripada angka sederhana yang diperoleh dengan mengalikan usia alam semesta dan kecepatan cahaya.

Di luar horizon pengamatan kita, ruang mungkin masih berlanjut sangat jauh.

Seberapa jauh keseluruhannya masih menjadi pertanyaan besar.

Dan mungkin justru di situlah salah satu hal paling menarik tentang kosmologi:

Semakin jauh manusia berhasil melihat, semakin jelas bahwa batas teleskop bukan selalu batas alam semesta.

Kadang itu hanyalah batas dari informasi yang sempat mencapai kita.