Galaxy cluster LCDCS-0829, seperti yang diamati oleh Hubble Space Telescope. Gugus galaksi ini melaju jauh dari kita, dan hanya dalam beberapa miliar tahun akan menjadi tidak terjangkau, bahkan dengan kecepatan cahaya. Kredit gambar: ESA / Hubble & NASA.

Bagaimana kita memahami jurang kosmik?

Melihat ke dalam, kegelapan yang tidak diketahui adalah misteri selama ribuan tahun. Tidak lagi!

"Sains tidak bisa memberi tahu teologi bagaimana membangun doktrin penciptaan, tetapi Anda tidak bisa membangun doktrin penciptaan tanpa memperhitungkan usia alam semesta dan karakter evolusi dari sejarah kosmik." -John Polkinghorne

Pandangan ke langit malam menimbulkan pertanyaan yang mungkin ditanyakan oleh orang yang cerdas dan penasaran:

  • Apa titik-titik cahaya di langit?
  • Apakah ada Matahari lain seperti kita, dan jika demikian, apakah mereka memiliki planet seperti kita?
  • Seberapa jauh bintang-bintang itu, dan berapa lama mereka hidup?
  • Apa yang ada di luar galaksi Bima Sakti kita?
  • Seperti apa seluruh alam semesta?
  • Dan bagaimana bisa menjadi seperti ini?

Selama ribuan tahun, ini adalah pertanyaan untuk penyair, filsuf dan teolog. Namun secara ilmiah, kami tidak hanya menemukan jawaban untuk semua pertanyaan ini, tetapi jawabannya telah mengangkat beberapa pertanyaan yang bahkan lebih besar yang tidak pernah dapat kami antisipasi.

Garis waktu kosmik standar dari sejarah Semesta kita. Kredit gambar: NASA / CXC / M.Weiss.

Dengan pengecualian beberapa benda di Tata Surya kita yang memantulkan cahaya Matahari kembali ke kita, setiap titik cahaya yang kita lihat di langit malam adalah bintang. Mereka datang dalam berbagai warna, dari merah ke oranye ke kuning ke putih ke biru, dan mereka datang dalam kecerahan yang berbeda, dari hanya sekitar 0,1% seterang Matahari kita hingga jutaan kali kecerahan Matahari. Mereka begitu jauh sehingga tampak berada dalam posisi yang sama tidak hanya malam demi malam, tetapi tahun demi tahun juga. Upaya pertama untuk mengukur jarak mereka didasarkan pada satu asumsi: jika bintang identik dengan Matahari, seberapa terang mereka? Berdasarkan pemahaman kami tentang bagaimana kecerahan dipengaruhi oleh jarak, bintang paling terang di langit malam itu, Sirius, diperkirakan berjarak 0,4 tahun cahaya, jarak yang luar biasa. Jika mereka tahu di tahun 1600-an berapa kali Sirius lebih terang daripada Matahari, perkiraan jaraknya akan kurang dari 10%.

Matahari kita adalah bintang kelas G. Meskipun yang lebih besar, lebih terang lebih mengesankan, jumlahnya jauh lebih sedikit. Sirius, bintang kelas A, 20–25 kali lebih terang dari Matahari kita, namun bintang O, B dan A hanya mewakili 1% dari total bintang * di * galaksi. Kredit gambar: pengguna Wikimedia Commons LucasVB.

Bahwa bintang-bintang lainnya adalah Matahari seperti milik kita tidak terbukti sampai ditemukannya spektroskopi, di mana kita dapat memecah cahaya menjadi panjang gelombang individu dan melihat tanda tangan apa yang ada pada atom dan molekul. Sekitar 90% bintang lebih kecil dan lebih redup daripada bintang kita, sekitar 5% lebih besar dan lebih terang, dan sekitar 5% lebih mirip matahari dalam massa, ukuran, dan kecerahannya. Selama 25 tahun terakhir, kami telah menemukan bahwa planet adalah norma di sekitar bintang, setelah mengkonfirmasi lebih dari 3.000 planet di luar Tata Surya kita. Pesawat ruang angkasa Kepler NASA sejauh ini merupakan alat penemuan planet terhebat yang pernah kami gunakan, menemukan sekitar 90% dari exoplanet yang kita kenal sekarang.

21 planet Kepler ditemukan di zona layak huni bintang-bintang mereka, tidak lebih besar dari dua kali diameter Bumi. (Proxima b, tidak ditemukan dengan Kepler, akan membawa hitungan hingga 22.) Sebagian besar dunia ini mengorbit katai merah, lebih dekat ke

Dengan mengukur bagaimana sebuah bintang bergerak karena tarikan gravitasi planet-planetnya, kita dapat menyimpulkan massa dan periode orbitnya. Dengan mengukur seberapa banyak cahaya bintang redup akibat sebuah planet yang melintas di depannya, kita dapat mengukur periode dan ukuran fisiknya. Sejauh ini, lebih dari 20 dunia seukuran Bumi berbatu telah ditemukan di zona "berpotensi dihuni" di sekitar bintang mereka, yang berarti bahwa jika dunia ini memiliki atmosfer mirip Bumi, mereka akan memiliki suhu dan tekanan yang tepat untuk air cair di permukaan mereka. Baru-baru ini, Proxima Centauri, bintang terdekat dengan Matahari kita, telah ditemukan sebagai rumah bagi planet yang mungkin paling mirip Bumi, hanya berjarak 4,2 tahun cahaya.

Karya Proxima Centauri yang dibawakan oleh seorang seniman dilihat dari bagian “cincin” dunia, Proxima b. Itu akan menjadi lebih dari 3 kali diameter dan 10 kali luas yang diambil Matahari kita. Alpha Centauri A dan B (ditampilkan) akan terlihat di siang hari. Kredit gambar: ESO / M. Kornmesser.

Untuk mengukur jarak ke bintang secara akurat, teknik terbaik adalah mengukur posisi mereka setepat mungkin sepanjang tahun. Saat Bumi bergerak dalam orbitnya mengelilingi Matahari, menempuh jarak sejauh 300 juta kilometer dari lokasinya enam bulan sebelumnya, bintang-bintang terdekat akan tampak bergeser, seperti halnya ibu jari Anda tampak bergeser jika Anda memegangnya sejauh lengan dan menutupnya. mata pada awalnya, lalu buka dan tutup yang lain.

Metode paralaks, yang digunakan oleh GAIA, melibatkan mencatat perubahan nyata dalam posisi bintang terdekat relatif terhadap yang lebih jauh, latar belakang. Kredit gambar: ESA / ATG medialab.

Fenomena ini, yang dikenal sebagai paralaks, tidak pertama diukur secara akurat sampai pertengahan abad ke-19, memberi kita jarak ke bintang-bintang terdekat. Setelah Anda mengetahui seberapa jauh bintang itu dan mengukur sifat-sifat lainnya, Anda dapat menggunakan informasi itu untuk mengidentifikasi bintang lain seperti itu, dan karenanya menentukan seberapa jauh apa pun yang dapat Anda lihat di Semesta. Kita dapat melangkah dari bintang terdekat ke semua bintang di galaksi kita ke bintang di galaksi kita sendiri ke galaksi yang paling jauh yang bisa diamati.

Hubble eXtreme Deep Field (XDF), yang mengungkapkan sekitar 50% lebih banyak galaksi per derajat persegi daripada Ultra-Deep Field sebelumnya. Kredit gambar: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, dan P. Oesch, Universitas California, Santa Cruz; R. Bouwens, Universitas Leiden; dan Tim HUDF09.

Ini berfungsi seperti tangga, di mana Anda menginjak anak tangga pertama dan menggunakan langkah itu untuk sampai ke anak tangga berikutnya, dan setiap kali Anda mendapatkan sedikit lebih jauh dalam perjalanan Anda. Satelit GAIA dari Badan Antariksa Eropa, diluncurkan pada 2013, berupaya mengukur posisi paralaks jutaan bintang, memberi kami "anak tangga pertama" yang paling aman di tangga jarak kosmik sepanjang masa.

Peta kerapatan bintang di Bimasakti dan langit di sekitarnya, jelas menunjukkan Bimasakti, Awan Magellan besar dan kecil, dan jika Anda melihat lebih dekat, NGC 104 di sebelah kiri SMC, NGC 6205 sedikit di atas dan di sebelah kiri inti galaksi, dan NGC 7078 sedikit di bawah. Kredit gambar: ESA / GAIA.

Bintang membakar bahan bakarnya seperti Matahari: dengan mengubah hidrogen menjadi helium di inti mereka. Proses fusi nuklir ini memancarkan energi dalam jumlah besar oleh Einstein E = mc ^ 2, karena setiap inti helium yang Anda hasilkan dari empat inti hidrogen lebih ringan 0,7% dari yang Anda mulai. Lebih dari 4,5 miliar tahun sejarah Matahari kita, ia kehilangan kira-kira massa Saturnus dalam proses menyinari caranya. Tetapi pada titik tertentu, Matahari dan setiap bintang di Semesta akan kehabisan bahan bakar di intinya.

Anatomi Matahari, termasuk inti bagian dalam, yang merupakan satu-satunya tempat fusi terjadi. Kredit gambar: NASA / Jenny Mottar.

Ketika itu terjadi, itu akan berkembang dan berubah menjadi raksasa merah, menggabungkan helium menjadi karbon. Bahkan bintang yang lebih masif akan memadukan karbon menjadi oksigen, oksigen menjadi silikon, sulfur dan magnesium, dan bintang yang paling masif akan memadukan silikon menjadi besi, kobalt dan nikel. Bintang-bintang seperti Matahari kita akan mati dengan lembut, meniup lapisan terluarnya dalam nebula planet, sedangkan bintang-bintang paling masif akan mati dalam ledakan supernova yang dahsyat, dengan keduanya mendaur ulang elemen-elemen berat yang terbentuk di belakang ke dalam medium antarbintang.

Matahari kita akan memiliki total masa hidup sekitar 12 miliar tahun, sedangkan bintang bermassa terendah (sekitar 8% massa Matahari kita) akan membakar bahan bakarnya paling lambat, hidup selama lebih dari 10 triliun tahun: berkali-kali Masa kini Alam Semesta. Tetapi bintang-bintang paling masif membakar bahan bakar mereka lebih cepat, dengan beberapa bintang hanya hidup beberapa juta tahun sebelum mereka mati dan mengeluarkan elemen berat mereka kembali ke Semesta.

Sisa supernova N 49, ditemukan dalam Bima Sakti kita sendiri. Kredit gambar: NASA / ESA dan Tim Hubble Heritage (STScI / AURA).

Unsur-unsur berat seperti karbon, oksigen, nitrogen, fosfor, silikon, tembaga dan besi tidak hanya penting untuk kehidupan seperti yang kita ketahui, tetapi untuk menciptakan planet berbatu di tempat pertama. Dibutuhkan beberapa generasi bintang yang hidup, terbakar melalui bahan bakarnya, sekarat dan mendaur ulang bahan-bahan itu kembali ke ruang angkasa, tempat mereka membantu membentuk generasi bintang berikutnya, untuk membangkitkan dunia seperti Bumi. Dan di sini, dari sudut pandang kami, kami dapat melihat keluar ke Semesta, tidak hanya melintasi jarak kosmik yang hebat, tetapi kembali ke masa lalu Semesta.

Galaksi NGC 7331, dengan galaksi yang lebih jauh dan lebih dekat, bintang-bintang foreground juga dalam bingkai. Kredit gambar: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universitas Arizona.

Fakta bahwa kecepatan cahaya terbatas dan konstan, pada 299.792.458 m / s, tidak hanya berarti bahwa ada keterlambatan pengiriman sinyal melintasi jarak yang sangat besar. Ini berarti bahwa ketika kita melihat benda-benda yang jauh, kita melihat mereka bukan seperti sekarang, tetapi ketika mereka kembali ke masa lalu yang jauh di alam semesta. Lihatlah bintang yang berjarak 20 tahun cahaya, dan Anda melihatnya seperti 20 tahun yang lalu. Lihatlah sebuah galaksi yang berjarak 20 juta tahun cahaya, dan Anda melihatnya 20 juta tahun yang lalu.

Galaksi mirip dengan Bima Sakti seperti pada masa-masa sebelumnya di Semesta. Kredit gambar: NASA, ESA, P. van Dokkum (Universitas Yale), S. Patel (Leiden University), dan Tim 3D-HST.

Kita telah dapat melihat jauh ke belakang, berkat teleskop yang kuat seperti Hubble, bahwa kita dapat melihat galaksi di Semesta seperti miliaran tahun yang lalu, ketika Semesta hanya beberapa persen dari arusnya usia. Kita melihat bahwa galaksi di masa lalu lebih kecil, lebih kecil, lebih biru dalam warna intrinsik, membentuk bintang lebih cepat, dan kurang kaya akan unsur-unsur berat ini yang kita butuhkan untuk membentuk planet. Kita juga melihat bahwa, seiring waktu, galaksi-galaksi ini bergabung bersama untuk membentuk struktur yang lebih besar. Kita dapat menyatukan seluruh gambar ini, dan memvisualisasikan bagaimana Semesta telah berevolusi untuk menjadi seperti sekarang ini.

Seluruh Alam Semesta adalah jaring kosmik yang luas, tempat galaksi dan kelompok galaksi terbentuk di persimpangan filamen kosmik ini. Di antaranya, ada kekosongan kosmik yang luas tanpa bintang dan galaksi, di mana gravitasi di daerah yang lebih padat telah menarik materi itu untuk digunakan untuk keperluan lain. Kita melihat itu terjadi pada skala lokal kita hari ini, ketika galaksi-galaksi dalam kelompok lokal bergerak menuju satu sama lain. Pada titik tertentu, empat hingga tujuh miliar tahun di masa depan, tetangga besar terdekat kita, Andromeda, akan bergabung dengan Bima Sakti kita, menciptakan galaksi elips raksasa: Milkdromeda.

Serangkaian gambar diam menunjukkan penggabungan Bima Sakti-Andromeda, dan bagaimana langit akan tampak berbeda dari Bumi saat itu terjadi. Kredit gambar: NASA; Z. Levay dan R. van der Marel, STScI; T. Hallas; dan A. Mellinger.

Dan sementara itu, Semesta terus berkembang, menuju nasib yang lebih dingin, lebih kosong, dan lebih jauh. Galaksi di luar kelompok lokal kita surut dari kita sendiri dan dari satu sama lain. Benda-benda yang terikat secara gravitasi bersama - planet, bintang, tata surya, galaksi, dan kluster galaksi - akan tetap terikat bersama selama bintang-bintang terbakar di Semesta kita. Tetapi setiap kelompok atau gugus galaksi individual akan surut dari yang lainnya, karena Semesta menjadi lebih dingin dan lebih sepi seiring berjalannya waktu.

Empat kemungkinan nasib Semesta dengan hanya materi, radiasi, kelengkungan, dan konstanta kosmologis yang diizinkan. “Nasib” terbawah didukung oleh bukti. Penghargaan gambar: E. Siegel, dari bukunya, Beyond The Galaxy.

Yang berarti, jika kita kembali ke awal, dan bertanya bagaimana semuanya terjadi, kita memiliki:

  • alam semesta yang dapat diamati yang dimulai dengan keadaan panas, padat, sebagian besar seragam yang dikenal sebagai Big Bang;
  • yang mendingin, memungkinkan materi dan antimateri untuk dimusnahkan, hanya menyisakan sejumlah kecil materi yang tersisa;
  • yang mendingin lebih jauh, memungkinkan proton dan neutron untuk menyatu bersama menjadi helium tanpa terpisah;
  • yang semakin dingin, memungkinkan terciptanya atom-atom yang stabil dan netral;
  • di mana ketidaksempurnaan gravitasi tumbuh dan tumbuh, yang menyebabkan gas menggumpal bersama di beberapa daerah, yang menjadi cukup padat untuk membentuk bintang-bintang pertama;
  • di mana bintang-bintang paling masif membakar bahan bakarnya, mati dan mendaur ulang unsur-unsurnya yang lebih berat kembali ke medium antarbintang;
  • gugusan bintang kecil dan galaksi bergabung bersama dan tumbuh, memicu gelombang baru pembentukan bintang;
  • di mana setelah milyaran tahun, bintang-bintang baru terbentuk dengan planet berbatu di atasnya dan bahan untuk kehidupan;
  • tempat galaksi-galaksi yang menampung mereka tumbuh menjadi raksasa spiral dan elips yang kita miliki saat ini;
  • dan di mana, 9,2 miliar tahun setelah Big Bang, gugus bintang run-of-the-mill dibentuk dalam galaksi spiral yang terisolasi, di mana 2% elemen sekarang lebih berat daripada hidrogen-dan-helium;
  • salah satunya adalah Matahari kita;
  • dan di mana, setelah tambahan 4,54 (atau lebih) miliar tahun, muncul spesies cerdas yang dapat mulai menyatukan potongan-potongan sejarah kosmik kita, memahami dari mana kita berasal untuk pertama kalinya.
Lukisan Bertini dari Galileo Galilei menunjukkan kepada Doge Venesia cara menggunakan teleskop, 1858.

Ada banyak hal yang telah kita pelajari, dan ada lebih mendalam untuk mengeksplorasi semua masalah ini. (Buku pertamaku, Beyond The Galaxy, melakukan persis seperti ini.) Ya, ada pertanyaan yang masih kami kerjakan, seperti bagaimana materi / antimateri asimetri terbentuk, bagaimana Big Bang dibentuk dan dimulai, dan bagaimana , tepatnya, Semesta akan menemui nasib pamungkasnya. Tetapi pertanyaan-pertanyaan tentang seperti apa Semesta, bagaimana menjadi seperti ini dan apa yang dilakukan secara fisik telah dijawab: bukan oleh para filsuf, penyair atau teolog, tetapi oleh upaya ilmiah. Dan jika pertanyaan-pertanyaan besar yang baru dijawab - yang merupakan jawaban dari pertanyaan-pertanyaan besar sebelumnya - itu, sekali lagi, akan menjadi sains yang menunjukkan jalan kepada kita.

Posting ini pertama kali muncul di Forbes, dan dibawa kepada Anda bebas iklan oleh para pendukung Patreon kami. Komentari di forum kami, & beli buku pertama kami: Beyond The Galaxy!