Cosmic Microwave Background: Radiasi Peninggalan Big Bang

Pada tahun 1964, dua orang ilmuwan Amerika serikat; Arno Penzias dan Robert Woodrow Wilson, secara tidak sengaja menemukan salah satu penemuan paling penting dalam astronomi dan astrofisika. Pada saat itu, mereka membangun sebuah radiometer untuk keperluan astronomi radio dan eksperimen komunikasi satelit di Bell Laboratories di Crawford Hill, New Jersey. Ketika Penzias dan Wilson memeriksa emisi gelombang radio dari galaksi Bima Sakti, mereka menemukan sebuah gangguan pada instrumen tersebut berupa "desisan" latar belakang (background), dengan kelebihan suhu pada antena sebesar 4 derajat Kelvin dari yang seharusnya.

Desisan atau noise atau kebisingan ini tidak bisa hilang, tidak peduli ke arah mana antena penerima tersebut diarahkan. Mereka juga menemukan bahwa kebisingan ini berlangsung sepanjang tahun dan bersifat isotropik, yang artinya memiliki intensitas yang sama ke segala arah. Penzias dan Wilson kemudian berusaha lewat berbagai cara untuk menjelaskan kebisingan ini. Mereka mencari berbagai penjelasan mulai dari hubungan pendek arus listrik (short circuits), peralatan yang malfunction (rusak), badai atmosfer, dan segala hal lain yang dapat mereka pikirkan sebagai penyebab-penyebab yang mungkin - bahkan mereka sempat mengira bahwa gangguan tersebut diakibatkan oleh kumpulan burung yang bersarang pada instrument radio tersebut.

Semua usaha dan penjelasan yang mereka upayakan ternyata gagal. Mereka tidak dapat menjelaskan apa penyebab kebisingan latar belakang pada instrumen yang mereka gunakan, meskipun alat itu dirancang khusus untuk mencegah penerimaan sinyal yang tidak diinginkan dan hanya mendeteksi frekuensi mendekati 4.080 megahertz. Pada bulan Desember 1964, dari seorang rekan, Penzias mengetahui tentang paper atau makalah yang akan segera diterbitkan oleh James Peebles, seorang kosmolog di Universitas Princeton yang bekerja dengan fisikawan Robert Dicke. Peebles meramalkan bahwa gelombang radio latar belakang yang dihasilkan dari panas yang hebat dari peristiwa big bang akan mengisi ruang secara seragam dan terus-menerus dan memiliki suhu sekitar 10 Kelvin (10 derajat di atas nol mutlak).

Penzias menelepon Robert Dicke, yang kemudian memeriksa perangkat dan data Penzias. Dicke menegaskan bahwa kebisingan latar belakang adalah radiasi yang tersisa dari asal mula alam semesta. Penzias dan Wilson kemudian mempresentasikan hasil dari temuan mereka dan memenangkan Hadiah Nobel fisika pada tahun 1978. Desisan latar belakang pada panjang gelombang mikro yang ditemukan Penzias dan Wilson ini kemudian dikenal sebagai radiasi latar gelombang mikro kosmik atau the cosmic microwave background radiation atau yang disingkat menjadi CMB atau CMBR.

Apa yang ditemukan Penzias dan Wilson sebenarnya sudah diprediksi sejak tahun 1940-an oleh George Gamow, Ralph Alpher, dan Robert Herman dari Universitas Johns Hopkins, dan sedang gencar-gencarnya diusahakan untuk dibuktikan oleh peneliti-peneliti dari universitas Princeton di awal tahun 1960-an - termasuk Robert Dicke. Prediksi akan radiasi latar belakang kosmik ini didasarkan pada gagasan bahwa alam semesta awal setelah big bang pastilah sangat padat dan panas, dan dipenuhi dengan radiasi termal berenergi tinggi. Dalam paper atau makalah yang diterbitkan sebelum penemuan Penzias dan Wilson, para ilmuwan meramalkan bahwa ketika alam semesta mengembang dan mendingin, frekuensi dari radiasi latar belakang yang ada sejak permulaan (primordial) ini akan bergeser dari spektrum gelombang sinar gamma, menuju ke spektrum sinar-X, kemudian ke sinar ultraviolet, dan hingga pada akhirnya ke gelombang radio. Pergeseran spektrum ini dikenal sebagai radiasi dari benda hitam teoretis, yang frekuensi radiasinya berkurang saat alam semesta mendingin dan mengembang.

Beberapa panjang gelombang dari radiasi latar belakang kosmik sulit diukur dari Bumi. Para ilmuwan menghabiskan bertahun-tahun penelitian, mencoba untuk melakukan pengukuran yang lebih baik untuk radiasi ini dengan menggunakan berbagai platform penelitian. Hingga akhirnya pada tahun 1989, NASA meluncurkan satelit Cosmic Background Explorer (COBE), untuk meneliti latar belakang kosmik pada panjang gelombang yang berbeda. Lewat bantuan COBE dapat diverifikasi bahwa intensitas radiasi latar belakang kosmik mirip dengan kurva radiasi dari sebuah benda hitam dengan suhu 2,7 Kelvin. COBE juga memverifikasi bahwa radiasi latar belakang kosmik sangat isotropik, yang artinya seragam pada semua arah yang berbeda.

Selain itu, COBE juga mendeteksi adanya pergeseran radiasi yang sangat kecil menuju arah spektrum biru pada arah yang menuju ke konstelasi Leo, dan bergeser menuju arah spektrum merah pada arah yang berlawanan. Pergeseran ini disamakan dengan pergeseran Doppler dari radiasi latar belakang yang disebabkan oleh gerakan Bumi di luar angkasa. Gerakan bumi menyebabkan radiasi bergeser menuju panjang gelombang yang lebih pendek dan lebih panas (biru) terhadap arah gerak bumi - hal ini disebabkan oleh kontraksi radiasi yang masuk. Sebaliknya, spektrum radiasi latar belakang bergeser menuju ke arah spektrum merah (lebih dingin) dalam arah yang berlawanan - ini dikarenakan radiasi harus melakukan perjalanan lebih jauh untuk mencapai titik observasi di bumi.

Untuk lebih mudah dipahami; radiasi yang berlawanan dengan arah gerak bumi menempuh jalur lebih pendek dan lebih cepat sampai ke bumi, sehingga spektrum radiasi bergeser ke arah biru yang lebih panas, sedangkan radiasi yang searah dengan arah gerak bumi harus 'mengejar' bumi, sehingga jalurnya lebih panjang. Akibatnya, radiasi latar belakang akan bergeser ke arah spektrum merah dengan panjang gelombang yang lebih panjang, dan sedikit lebih dingin.

Karena radiasi tidak dapat bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya, dan juga karena radiasi latar belakang kosmik datang dari jarak yang sangat jauh, maka radiasi latar belakang kosmik yang sekarang diamati dari bumi dipancarkan dari waktu yang sangat jauh di masa lalu, atau hampir sejak zaman awal alam semesta. Foton atau partikel cahaya yang sekarang diterima di Bumi sebagai radiasi latar belakang kosmik ini belum berinteraksi dengan materi apapun sejak alam semesta baru berusia sekitar 100.000 tahun atau sekitar 13 atau 14 miliar tahun yang lalu, yaitu ketika alam semesta masih berukuran kurang lebih satu per seribu dari ukurannya yang sekarang.

Jadi, radiasi latar gelombang mikro kosmik ini mewakili potret tertua tentang bagaimana alam semesta terlihat ketika masih muda.

Sumber:

Comins, Neil F. Discovering the Universe. 8th ed. New York, W. H. Freeman, 2008.

Kusky, Timothy. Encyclopedia of Earth and Space Science. New York, Facts On File, 2010.

Rosen, Joe and Gothard, L.Q. Encyclopedia of Physical Science. New York, Facts On File, 2010.