Apa Itu Kosmologi?
Kosmologi adalah salah satu cabang ilmu astronomi, dengan fokus utama pada alam semesta skala besar (cosmos). Yang dipelajari dalam kosmologi antara lain bagaimana terbentuknya alam semesta, proses-proses apa saja yang mungkin terjadi sejak awal terbentuk sampai sekarang, dan juga memprediksi bagaimana akhir alam semesta ini kelak – kalau ternyata alam semesta memiliki akhir.

Dalam mempelajari alam semesta, tentunya kita mesti tahu apa saja yang terdapat dalam alam semesta, dan juga bagaimana ’sifat-sifat fisis’ nya. Dengan teknologi yang dimiliki manusia sekarang, kita beruntung bahwa kita cukup memiliki data-data yang dibutuhkan. Namun perlu dicatat bahwa semua data itu tidak mampu memberikan gambaran eksak. Kita tak dapat memastikan apakah asumsi yang didapat dari hasil pengamatan astronomi sesuai dengan kenyataannya. Yang dapat dilakukan adalah mencocokkan asumsi dengan hukum-hukum fisika yang berlaku, sesuai dengan konsep tentang kebenaran ilmiah. Jadi selama cocok dengan hukum-hukum fisika, sebuah asumsi akan dikatakan ‘benar’.

Ukuran Semesta
Seberapa besar ukuran alam semesta tidak pernah diketahui manusia hingga saat ini. Namun, dari hasil pengamatan, kita dapat mengetahui berapa jarak benda-benda langit. Dengan mengetahui jarak benda-benda langit itu, kita dapat bayangkan berapa besarnya alam semesta.

Jarak dari bumi ke matahari mencapai 150 juta kilometer, atau dalam astronomi, sering disebut sebagai 1 AU (Astronomical Unit – Satuan Astronomis). Matahari (beserta benda-benda langit yang mengorbitnya) juga mengelilingi pusat Galaksi. Jarak dari matahari ke pusat Galaksi diperkirakan 26.000 ± 1400 LY (Light Year – Tahun Cahaya), sedangkan diameter Galaksi sendiri kira-kira 100.000 LY. Bentuk dari Galaksi Bima Sakti menurut perkiraan para ahli adalah seperti pada gambar diatas.

Sebagai catatan, ’satu tahun cahaya’ adalah besarnya jarak yang ditempuh oleh cahaya selama satu tahun. Karena satu tahun adalah sekitar 31.536.000 detik, dan kecepatan cahaya 300.000 km/s, maka satu tahun cahaya adalah 9.460.800.000.000 km!

Besaran jarak tadi baru untuk satu galaksi. Hasil pengamatan saja sudah menunjukkan bahwa jumlah galaksi di alam semesta ini sangat banyak. Jarak antar galaksi -tentu saja- juga sangat besar. Antara Bima Sakti dengan Andromeda misalnya, berjarak 2.54 ± 0.06 Mly. Andromeda itu galaksi yang masih relatif dekat. Terbayangkah berapa jarak antara Bima Sakti dengan galaksi-galaksi terjauh yang berhasil diamati manusia?

Demikianlah, bahwa alam semesta kita itu sangat besar! Namun ‘besar’ bukan berarti tak bisa dipelajari. Untuk mempelajari alam semesta sebesar ini, para ilmuwan telah melakukan banyak pendekatan-pendekatan, baik fisis maupun matematis. Satu hal yang sangat berperan dalam kosmologi adalah Teori Relativitas Umum dan Relativitas Khusus, yang dikeluarkan oleh Albert Einstein.

Pada postingan sebelumnya sudah diperkenalkan sedikit tentang keadaan alam semesta. Berikut ini adalah lanjutan pembahasan mengenai asal-usul alam semesta, yang dipelajari dalam Kosmologi.

Ruang dan Waktu
Terlebih dahulu kita perlu mendefinisikan ruang dan kaitannya dengan waktu. Ruang adalah tempat berlangsungnya sebuah kejadian. Misalnya, kita belajar didalam ruangan kelas. Kita dapat memandang sebuah kotak ‘memiliki ruang’. Jika sudut pandangnya diperluas, kita bisa mengatakan satu kota adalah sebuah ruang, satu bumi adalah sebuah ruang, dan—tentu saja, alam semesta adalah sebuah ruang.

Waktu, didefinisikan sebagai rentang antara dua atau lebih kejadian. Waktu membutuhkan titik acuan (awal dan akhir), dan acuannya itu adalah kejadian, sedang kejadian ada didalam ruang. Jadi, waktu ada setelah ada ruang. Tak ada ruang, pastilah tak ada waktu. Jika ruang hadir tanpa waktu, maka tentulah didalam ruang itu tak ada kejadian apa-apa. Tak ada makhluk, tak ada materi, tak ada hukum-hukum fisika. Kesimpulannya, ruang tanpa waktu itu juga tidak ada, sebab tak ada yang dapat menjadi petunjuk apakah ruang itu hadir atau tidak.

Dalam bahasan kita ini juga akan ditemui istilah ruang-waktu. Maksudnya adalah ruang yang selalu berkaitan dengan waktu. Dalam mekanika Newton, sistem koordinat ruang dipisahkan dengan waktu. Kita dapat menggambarkan dalam koordinat Cartesian, perpindahan benda dari titik (x₁, y₁) ke titik (x₂, y₂), tapi dalam sistem koordinat itu tidak digambarkan waktu perpindahan benda. Dalam mekanika relativistik yang digunakan untuk menjelaskan asal-usul alam semesta, ruang dan waktu dianggap sebagai satu kesatuan yang tak terpisahkan, dan disebut ruang-waktu (spacetime).

Homogen dan Isotropis
Alam semesta, jika ditinjau dalam skala besar, bersifat homogen dan isotropis. Homogen maksudnya sama, yakni kalau kita meninjau alam semesta bervolume 100 MPc³ atau lebih, semua yang ada di dalamnya memiliki parameter-parameter yang sama, entah itu kerapatan, struktur galaksi, dsb. Isotropis maksudnya, pada arah manapun kita melihat, tak ada bedanya. Atas, bawah, kiri, kanan, utara, selatan, yang akan didapati adalah keadaan yang sama.

Perlu diingat bahwa homogen dan isotropis ini hanya berlaku untuk alam semesta skala besar, yaitu yang mencakup jarak 100 MPc atau lebih. Jika anda membandingkan tata surya dengan sistem di bintang lain misalnya, maka homogen dan isotropis ini tidak berlaku, sebab tinjauan seperti itu hanya “skala kecil”. Karena itu akan ditemukan ada perbedaan parameter untuk masing-masing pengamatan, misalnya kerapatan awan antar bintang di sekitar tata surya dengan di sekitar bintang lain itu berbeda. Tapi kalau anda mengukur kerapatan semua obyek yang ada antara titik pengamatan hingga > 100 MPc ke arah utara kutub Galaksi, kemudian membandingkannya dengan hasil pengamatan untuk > 100 MPc ke arah selatan kutub Galaksi, yang akan didapati adalah hasil yang sama. Kerapatan bintang di kedua region itu sama, struktur galaksi juga sama, dsb.

Homogen dan Isotropis ini adalah prinsip dalam kosmologi. Dalam skala besar, tak ada satu titik pun yang akan dianggap istimewa. Bumi tidak istimewa, karena itu tidak digunakan anggapan bahwa bumi adalah pusat alam semesta. Lebih jauh, dimana pusat alam semesta pun merupakan sesuatu yang tak bisa didefinisikan.

Redshift
Pergeseran merah (redshift) merupakan perubahan spektrum ke arah panjang gelombang yang lebih besar (energi lebih kecil), didapatkan dengan melakukan observasi yang simultan. Misalkan anda mengamati spektrum sebuah galaksi dan mendapatkan spektrumnya, maka spektrum galaksi itu disebut mengalami pergeseran merah kalau dari hasil pengamatan berikutnya didapatkan spektrum yang relatif berbeda, dimana gambaran panjang gelombang yang didapatkan lebih besar.

Vesto Slipher pada 1925 mendapatkan bahwa hampir semua dari 40 spektrum galaksi yang dia amati mengalami pergeseran merah. Pada 1929, Edwin Hubble melakukan observasi dan studi lebih dalam, dan menyatakan bahwa semakin jauh galaksi, pergeseran merahnya makin besar.

Pergeseran merah diterjemahkan dengan menggunakan teori Doppler tentang gelombang—pelajar SMA barangkali pernah mendengar istilah Efek Doppler. Pada gelombang bunyi, jika sumber bunyi bergerak menjauh atau dijauhi, kekuatan bunyi yang terdengar akan berkurang, dengan kata lain panjang gelombangnya makin besar (panjang gelombang berbanding terbalik dengan energi). Begitu pula dengan gelombang elektromagnet, atau cahaya. Jadi kalau ada pergeseran merah, berarti sumber cahaya (misalnya galaksi) bergerak menjauh atau dijauhi. Kita anggap bahwa kita sebagai pengamat di bumi sedang diam, jadi disebut saja bahwa galaksi yang mengalami pergeseran merah sedang bergerak menjauh.

Galaksi yang jaraknya sangat jauh selalu mengalami pergeseran merah. Untuk galaksi dekat, bisa jadi justru galaksi itu mengalami pergeseran biru, alias mendekat. Disimpulkan bahwa benda-benda yang berjarak sangat jauh akan saling menjauh satu sama lain. Ini adalah efek global pada alam semesta yang homogen dan isotropis. Galaksi yang mendekat itu hanyalah efek gravitasi lokal—tidak dalam skala besar.

Gambaran galaksi yang saling menjauh pada gambar berikut

Gerak yang dialami adalah vektor antara benda satu dengan lainnya. Karena banyak benda dan masing-masing saling menjauh, vektornya dijumlahkan dan gerak saling menjauh itu adalah hasil penjumlahan vektor, dinyatakan dengan garis biru.

Bersambung

Gambar dari:

• http://www.wwu.edu/depts/skywise/a101_milkyway.html
• http://en.wikipedia.org/wiki/Andromeda_galaxy