Sebuah solusi terhadap salah satu misteri besar kosmologi

Studi yang dilakukan oleh Universitas Bonn dan St Andrews ini menunjukkan kemungkinan penjelasan baru atas jitter Hubble.

Alam semesta sedang mengembang. Seberapa cepatnya dijelaskan oleh apa yang disebut konstanta Hubble-Lameter. Namun terdapat perbedaan pendapat mengenai ukuran sebenarnya dari konstanta ini: metode pengukuran yang berbeda memberikan nilai yang bertentangan. Apa yang disebut “ketegangan Hubble” ini menimbulkan misteri bagi para kosmolog. Kini para peneliti dari Universitas Bonn dan St Andrews mengusulkan solusi baru: dengan menggunakan teori gravitasi alternatif, perbedaan dalam nilai terukur dapat dengan mudah dijelaskan – jitter Hubble menghilang. Studi tersebut kini telah dipublikasikan di Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society (MNRAS).

Memahami perluasan alam semesta

Perluasan alam semesta menyebabkan galaksi-galaksi menjauh satu sama lain. Kecepatan mereka melakukan ini sebanding dengan jarak antara mereka. Misalnya, jika Galaksi A dua kali lebih jauh dari Bumi dibandingkan Galaksi B, maka jaraknya dari kita juga bertambah dua kali lebih cepat. Astronom Amerika Edwin Hubble adalah salah satu orang pertama yang menyadari hubungan ini.

Untuk menghitung seberapa cepat dua galaksi bergerak menjauh satu sama lain, perlu diketahui seberapa jauh jarak keduanya. Namun, hal ini juga memerlukan konstanta yang dengannya jarak ini harus dikalikan. Inilah yang disebut konstanta Hubble-Lameter, yang merupakan parameter fundamental dalam kosmologi. Nilainya dapat ditentukan, misalnya dengan melihat wilayah yang sangat jauh di alam semesta. Ini memberikan kecepatan sekitar 244.000 kilometer per jam per jam megaparsec Jarak (satu megaparsec sama dengan tiga juta tahun cahaya).

(Biru; titik kuning melambangkan masing-masing galaksi.) Bima Sakti (hijau) terletak di wilayah dengan sedikit materi. Galaksi-galaksi di dalam gelembung bergerak menuju kepadatan materi yang lebih tinggi (panah merah). Oleh karena itu, alam semesta tampak mengembang lebih cepat di dalam gelembung tersebut. Sumber gambar: AG Krupa/Universitas Bonn

Inkonsistensi dalam pengukuran

“Tetapi Anda juga dapat melihat benda-benda langit yang lebih dekat dengan kita – yang disebut supernova kelas 1A, yang merupakan jenis bintang yang meledak,” jelas Profesor Dr. Pavel Krupa dari Institut Radiasi dan Fisika Nuklir Helmholtz di Helmholtz Universitas. Universitas Bonn. Jarak Supernova 1a ke Bumi dapat ditentukan dengan sangat tepat. Kita juga tahu bahwa benda terang berubah warna saat menjauh dari kita, dan semakin cepat benda tersebut bergerak, semakin kuat perubahannya. Hal ini mirip dengan ambulans, yang sirenenya berbunyi lebih dalam ketika mereka menjauh dari kita.

Jika sekarang kita menghitung kecepatan supernova 1a dari perubahan warnanya dan menghubungkannya dengan jaraknya, kita mendapatkan nilai yang berbeda untuk konstanta Hubble-Lameter – hanya di bawah 264.000 kilometer per jam per juta jarak parsec. “Alam semesta nampaknya mengembang lebih cepat di sekitar kita – berjarak sekitar tiga miliar tahun cahaya – dibandingkan secara keseluruhan,” kata Krupa. “Dan hal itu seharusnya tidak terjadi.”

Namun, baru-baru ini muncul sebuah pengamatan yang dapat menjelaskan hal tersebut. Berdasarkan hal tersebut, Bumi terletak pada wilayah ruang angkasa yang jumlah materinya relatif sedikit, yaitu seperti gelembung udara pada kue. Kepadatan materi lebih tinggi di sekitar gelembung. Gaya gravitasi muncul dari material di sekitarnya, yang menarik galaksi-galaksi di dalam gelembung menuju tepi rongga. “Itulah mengapa mereka menjauh dari kita lebih cepat dari yang diperkirakan,” jelas Dr. Indranil Banik dari Universitas St Andrews. Oleh karena itu, anomali tersebut dapat dijelaskan secara sederhana dengan “penurunan kepadatan” lokal.

Faktanya, kelompok peneliti lain baru-baru ini mengukur kecepatan rata-rata sejumlah besar galaksi yang berjarak 600 juta tahun cahaya. “Ditemukan bahwa galaksi-galaksi ini bergerak menjauh dari kita empat kali lebih cepat dibandingkan model standar kosmologi,” jelas Sergey Mazurenko dari kelompok penelitian Krupa, yang berpartisipasi dalam penelitian ini.

Gelembung di adonan alam semesta

Hal ini karena Model Standar tidak menyediakan kepadatan rendah atau “gelembung” – gelembung-gelembung tersebut seharusnya tidak ada. Sebaliknya, materi harus didistribusikan secara merata di seluruh ruang. Namun, jika ini masalahnya, akan sulit menjelaskan gaya yang mendorong galaksi mencapai kecepatan tinggi.

“Model Standar didasarkan pada teori Albert Einstein tentang sifat gravitasi,” kata Krupa. “Namun, gaya gravitasi mungkin berperilaku berbeda dari prediksi Einstein.” Kelompok kerja dari Universitas Bonn dan St Andrews menggunakan teori gravitasi yang dimodifikasi dalam simulasi komputer. “Dinamika Newtonian yang Dimodifikasi” (singkatan: MOND) ini diusulkan empat dekade lalu oleh fisikawan Israel Profesor Dr. Mordehai Milgrom. Hal tersebut masih dianggap sebagai teori eksternal hingga saat ini. “Dalam perhitungan kami, MOND secara akurat memprediksi keberadaan gelembung tersebut,” kata Krupa.

Jika seseorang berasumsi bahwa gravitasi benar-benar berperilaku sesuai dengan asumsi Milgrom, ketegangan Hubble akan hilang: sebenarnya hanya ada satu konstanta untuk perluasan alam semesta, dan penyimpangan yang diamati akan disebabkan oleh distribusi materi yang tidak teratur.

Referensi: “Resolusi simultan tensor Hubble dan fluks massal yang diamati selama 250 jam −1 megaparsec” oleh Sergey Mazurenko, Indranil Banik, Pavel Krupa, dan Moritz Hasselbauer, 02 November 2023, Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stad3357

Selain Universitas Bonn, Universitas St. Andrews (Skotlandia) dan Universitas Charles di Praha (Republik Ceko) juga berpartisipasi dalam penelitian ini. Pekerjaan ini didanai oleh Dewan Fasilitas Sains dan Teknologi Inggris.