Sebuah tim ilmuwan telah mengusulkan sebuah pengujian terbaru yang ampuh untuk inflasi kosmik, sebuah teori yang mengatakan bahwa alam semesta secara dramatis berkembang dalam ukuran sepersekian detik setelah Big Bang. Tujuan mereka adalah memberi wawasan tentang pertanyaan yang sudah lama ada: seperti apa jagat raya sebelum Big Bang?
Teori inflasi menjawab permasalahan klasik dalam kosmologi Big Bang (Ledakan Dahsyat), mengapa alam semesta tampak datar, seragam, dan isotropik, sementara berdasarkan fisika Big Bang, alam semesta seharusnya melengkung dan beragam? Inflasi juga menjelaskan asal usul struktur kosmos yang besar.
Walaupun inflasi kosmik terkenal karena menyelesaikan beberapa misteri penting tentang struktur dan evolusi alam semesta, teori lain yang sangat berbeda juga dapat menjelaskan misteri ini. Dalam beberapa teori ini, keadaan alam semesta sebelum Big Bang – yang disebut alam semesta primordial – berkontraksi bukannya berkembang, dan Big Bang dengan demikian merupakan bagian dari Big Bounce.
Sederhananya, Big Bounce adalah hipotesis yang dibuat untuk menjelaskan bagaimana alam semesta terbentuk. Berbeda dengan model Big Bang, yang menyatakan bahwa Alam Semesta kita lahir dari kehancuran yang sangat dahsyat dari sebuah titik yang sangat padat, Big Bounce mengusulkan bahwa Alam Semesta terus-menerus mengembang dan berkontraksi.
Ini berarti bahwa Semesta bekerja seperti balon, di mana ia mengembang dari satu titik, tumbuh dan tumbuh hingga mencapai jarak maksimum, dan kemudian berkontraksi kembali ke titik semula, lalu memulai seluruh proses lagi
Untuk membantu memutuskan antara inflasi dan ide-ide lainnya ini, masalah dari falsiabilitas (keplasuan)- yaitu, apakah sebuah teori dapat diuji untuk berpotensi menunjukkan itu salah – telah muncul. Beberapa peneliti, termasuk Avi Loeb dari Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) di Cambridge, Mass., Telah menimbulkan kekhawatiran tentang inflasi, menunjukkan bahwa kemampuan beradaptasi yang tampaknya tak ada habisnya membuat semuanya mustahil untuk diuji dengan benar.
“Kepalsuan harus menjadi ciri khas dari teori ilmiah mana pun. Situasi inflasi saat ini adalah bahwa itu adalah ide yang fleksibel, tidak dapat dipalsukan secara eksperimental,” kata Loeb. “Tidak peduli berapa nilai yang diukur orang untuk beberapa atribut yang dapat diamati, selalu ada beberapa model inflasi yang dapat menjelaskannya.”
Sekarang, tim ilmuwan yang dipimpin oleh Xingang Chen CfA, bersama dengan Loeb, dan Zhong-Zhi Xianyu dari Departemen Fisika Universitas Harvard, telah menerapkan gagasan yang mereka sebut “jam standar primordial” pada teori-teori non-inflasi, dan meletakkan metode yang dapat digunakan untuk memalsukan inflasi secara eksperimental. Studi ini akan muncul dalam Physical Review Letters.
Dalam upaya untuk menemukan beberapa karakteristik yang dapat memisahkan inflasi dari teori-teori lainnya, tim mulai dengan mengidentifikasi sifat-sifat yang menentukan dari berbagai teori – evolusi ukuran alam semesta purba.
“Misalnya, selama inflasi, ukuran alam semesta tumbuh secara eksponensial,” kata Xianyu. “Dalam beberapa teori alternatif, ukuran alam semesta menyusut. Beberapa di antaranya sangat lambat, sementara yang lain sangat cepat.
“Atribut yang diajukan orang sejauh ini untuk mengukur biasanya memiliki kesulitan membedakan antara teori yang berbeda karena mereka tidak secara langsung berkaitan dengan evolusi ukuran alam semesta purba,” lanjutnya. “Jadi, kami ingin menemukan atribut apa yang dapat diamati yang dapat dihubungkan langsung dengan sifat-sifat yang menentukan itu.”
Sinyal yang dihasilkan oleh jam standar primordial dapat membantu tujuan seperti itu. Jam itu adalah semua jenis partikel elementer berat di alam semesta purba. Partikel seperti itu seharusnya ada dalam teori apa pun dan posisinya harus berosilasi pada frekuensi reguler, seperti detak pendulum jam.
Alam semesta primordial tidak sepenuhnya beraturan. Ada kepadatan kecil yang tidak beraturan pada skala sangat kecil yang menjadi benih dari struktur skala besar yang diamati di jagat raya saat ini. Ini adalah sumber utama informasi yang diandalkan oleh para fisikawan untuk mengetahui apa yang terjadi sebelum Big Bang. Detik-detik dari jam standar menghasilkan sinyal yang dicetak ke dalam struktur penyimpangan itu. Jam standar dalam teori yang berbeda dari alam semesta purba memprediksi pola sinyal yang berbeda, karena sejarah evolusi alam semesta berbeda.
“Jika kita membayangkan semua informasi yang telah kita pelajari sejauh ini tentang apa yang terjadi sebelum Big Bang dalam sebuah gulungan bingkai film, maka jam standar memberi tahu kita bagaimana bingkai ini harus dimainkan,” jelas Chen. “Tanpa informasi jam, kita tidak tahu apakah film itu harus diputar ke depan atau ke belakang, cepat atau lambat, sama seperti kita tidak yakin apakah alam semesta primordial menggembung atau menyusut, dan seberapa cepat itu terjadi. Di sinilah masalahnya terletak. Jam standar memberi cap waktu pada masing-masing bingkai ini ketika film diambil sebelum Big Bang, dan memberi tahu kita cara memutar filmnya.”
Tim menghitung bagaimana sinyal jam standar ini harus terlihat dalam teori non-inflasi, dan menyarankan bagaimana harus dicari dalam pengamatan astrofisika. “Jika pola sinyal yang mewakili alam semesta yang berkontraksi ditemukan, itu akan memalsukan seluruh teori inflasi,” kata Xianyu.
Keberhasilan gagasan ini terletak pada eksperimen. “Sinyal-sinyal ini akan sangat halus untuk dideteksi,” kata Chen, “jadi kita mungkin harus mencari di banyak tempat yang berbeda. Radiasi gelombang mikro kosmik adalah salah satu tempat seperti itu, dan distribusi galaksi adalah yang lainnya. Kita sudah mulai mencari sinyal-sinyal ini dan sudah ada beberapa kandidat yang menarik, tetapi kami membutuhkan lebih banyak lagi datanya.”
Berbagai survei galaksi akan banyak dilakukan di masa depan, seperti LSST AS, Euclid Eropa dan proyek yang baru disetujui oleh NASA, SphereX, diharapkan memberikan data berkualitas tinggi yang dapat digunakan untuk mencapai tujuan.
Pracetak makalah ini tersedia di: https://arxiv.org/abs/1809.02603 . Karya sebelumnya yang terkait dapat ditemukan di: https://arxiv.org/abs/1509.03930 .
