The Cosmic Microwave Background (CMB)

Latar Mikrogelombang Kosmik (CMB)

Radiasi warisan saka nalika alam semesta dadi tembus pandang ~380.000 taun sawisé Big Bang

Cosmic Microwave Background (CMB) asring digambaraké minangka cahya paling tuwa sing bisa diamati ing alam semesta—padhang alus sing meh seragam nyebar ing sakabehé ruang. Iki asalé saka jaman penting, watara 380.000 taun sawisé Big Bang, nalika plasma primordial saka elektron lan proton gabung dadi atom netral. Sadurungé wektu iki, foton kerep nyebar saka elektron bebas, nggawe alam semesta ora tembus pandang. Sawisé atom netral kabentuk kanthi cukup, panyebaran dadi luwih sithik, lan foton bisa lelungan bebas—momen iki diarani rekombinasi. Foton sing metu ing jaman iki wis lelungan liwat ruang nganti saiki, alon-alon adhem lan dawa gelombangé saya tambah amarga alam semesta ngembang.

Saiki, kita ndeteksi foton iki minangka radiasi microwave kanthi spektrum blackbody sing meh sampurna ing suhu watara 2.725 K. Ngliti CMB wis ngowahi kosmologi, maringi wawasan babagan komposisi, geometri, lan évolusi alam semesta—saka fluktuasi kerapatan paling awal sing nyebabaké galaksi nganti nilai tepat saka parameter kosmologis dhasar.

Ing artikel iki, kita bakal ngrembug:

  1. Panemuan Sejarah
  2. Alam Semesta Sadurungé lan Sajeroning Rekombinasi
  3. Sifat Kunci saka CMB
  4. Anisotropi lan Spektrum Daya
  5. Eksperimen CMB Utama
  6. Watesan Kosmologis saka CMB
  7. Misi Saiki lan Mangsa Ngarep
  8. Kesimpulan

2. Panemuan Sejarah

2.1 Prédhiksi Teoritis

Gagasan yèn alam semesta wiwitan iku panas lan padhet asalé saka karya George Gamow, Ralph Alpher, lan Robert Herman ing taun 1940-an. Dheweke nyadari yèn yèn alam semesta diwiwiti kanthi “Big Bang panas,” radiasi sing asalé metu ing jaman kuwi kuduné isih ana nanging wis adhem lan ngalami redshift menyang wilayah microwave. Dheweke prédhiksi spektrum blackbody kanthi suhu sawetara kelvin, nanging prédhiksi iki wiwitané ora nampa perhatian eksperimen sing jembar.

2.2 Penemuan Observasional

Ing taun 1964–1965, Arno Penzias lan Robert Wilson ing Bell Labs nyelidiki sumber swara ing antena radio berbentuk tanduk sing sensitif banget. Dheweke nemokake swara latar sing terus-terusan, isotropik (padha ing kabeh arah) lan ora mudhun sanajan wis dicoba kalibrasi. Ing wektu sing padha, kelompok ing Universitas Princeton (dipimpin dening Robert Dicke lan Jim Peebles) nyiapake kanggo nggoleki “radiasi sisa” saka alam semesta awal sing diprediksi. Sawise loro kelompok iki nyambung, dadi cetha yen Penzias lan Wilson wis nemokake CMB (Penzias & Wilson, 1965 [1]). Penemuan iki maringi dheweke Hadiah Nobel Fisika 1978 lan ngukuhake model Big Bang minangka teori utama asal-usul kosmik.

3. Alam Semesta Sadurunge lan Sajrone Rekombinasi

3.1 Plasma Primordial

Sajrone sawetara atus ewu taun sawisé Big Bang, alam semesta kebak plasma panas saka proton, elektron, foton, lan (sithik) inti helium. Foton terus-terusan nyebar saka elektron bebas (proses iki dikenal minangka panyebaran Thomson), nggawe alam semesta dadi mboten tembus pandang—kaya cahya sing ora gampang nembus plasma Srengenge.

3.2 Rekombinasi

Nalika alam semesta ngembang, dadi adhem. Watara 380.000 taun sawisé Big Bang, suhu mudhun nganti kira-kira 3.000 K. Ing energi iki, elektron bisa gabung karo proton kanggo mbentuk atom hidrogen netral —proses iki diarani rekombinasi. Sawise elektron bebas dadi terikat ing atom netral, panyebaran foton mudhun kanthi drastis, lan alam semesta dadi transparan kanggo radiasi. Foton CMB sing kita ukur saiki yaiku foton sing padha sing dirilis ing wektu iki, sanajan wis lelungan lan ngalami redshift luwih saka 13 milyar taun.

3.3 Permukaan Panyebaran Pungkasan

Epok nalika foton pungkasan nyebar kanthi signifikan diarani permukaan panyebaran pungkasan. Ing praktik, rekombinasi ora kedadeyan kanthi instan; butuh wektu tartamtu (lan interval redshift) supaya mayoritas elektron bisa gabung karo proton. Senajan mangkono, kita bisa ngira proses iki minangka “lapisan” sing relatif tipis ing wektu—titik asal CMB sing kita deteksi.

4. Sipat Kunci saka CMB

4.1 Spektrum Blackbody

Salah siji pengamatan sing paling nyengsemake babagan CMB yaiku ngetutake distribusi blackbody sing meh sampurna kanthi suhu watara 2.72548 K (diukur kanthi tepat dening instrumen COBE-FIRAS [2]). Iki minangka spektrum blackbody paling tepat sing tau diukur. Sifat blackbody sing meh sampurna kuwi ndhukung banget model Big Bang: alam semesta awal sing banget termalisasi, ngembang lan adhem kanthi adiabatik.

4.2 Isotropi lan Homogenitas

Pengamatan awal nuduhake yen CMB meh isotropic (intensitas padha ing kabeh arah) nganti kira-kira siji bagian ing 105. Keseragaman iki nuduhake jagad raya banget homogen lan ana ing keseimbangan termal nalika rekombinasi. Nanging, penyimpangan cilik saka isotropi—dikenal minangka anisotropi—penting banget. Iki minangka benih paling awal saka pembentukan struktur.

5. Anisotropi lan Spektrum Daya

5.1 Fluktuasi Suhu

Ing taun 1992, eksperimen COBE-DMR (Differential Microwave Radiometer) ndeteksi fluktuasi suhu cilik ing CMB ing tingkat 10−5. Fluktuasi iki dipetakake ing “peta suhu” langit, nuduhake titik “panas” lan “adhem” cilik sing cocog karo wilayah sing rada luwih padhet utawa kurang padhet ing jagad raya awal.

5.2 Osilasi Akustik

Sadurunge rekombinasi, foton lan baryon (proton lan neutron) kenceng nyambung, mbentuk photon-baryon fluid. Gelombang kerapatan (osilasi akustik) nyebar ing cairan iki, digerakake dening gravitasi sing narik materi mlebu lan tekanan radiasi sing meksa metu. Nalika jagad raya dadi transparan, osilasi iki dadi “beku,” ninggalake puncak khas ing CMB power spectrum—ukuran carane fluktuasi suhu beda-beda miturut skala sudut. Fitur utama kalebu:

  • First Acoustic Peak: Gathuk karo mode paling gedhe sing nduweni wektu kanggo ngrampungake setengah osilasi sadurunge rekombinasi; menehi ukuran geometri jagad raya.
  • Subsequent Peaks: Menehi informasi babagan kerapatan baryon, kerapatan materi peteng, lan parameter kosmologis liyane.
  • Damping Tail: Ing skala sudut sing cilik banget, fluktuasi diredam dening difusi foton (Silk damping).

5.3 Polarisasi

Saliyane fluktuasi suhu, CMB sebagian polarized amarga hamburan Thomson ing medan radiasi anisotropik. Ana loro mode polarisasi utama:

  • E-mode Polarization: Dihasilake dening gangguan kerapatan skalar; pisanan dideteksi dening eksperimen DASI ing taun 2002 lan diukur kanthi tepat dening WMAP lan Planck.
  • B-mode Polarization: Bisa muncul saka gelombang gravitasi primordial (contone, saka inflasi) utawa lensing saka E-modes. Deteksi B-modes primordial bisa dadi “bukti kuat” kanggo inflasi. Nalika lensing B-modes wis dideteksi (contone, kolaborasi POLARBEAR, SPT, lan Planck), panelusuran B-modes primordial terus dilakoni.

6. Eksperimen CMB Utama

6.1 COBE (Cosmic Background Explorer)

  • Diluncurake ing taun 1989 dening NASA.
  • FIRAS instrument negesake sifat blackbody saka CMB kanthi presisi luar biasa.
  • DMR instrument pisanan ndeteksi anisotropi suhu skala gedhe.
  • Langkah gedhe maju ing netepake teori Big Bang tanpa keraguan.
  • Penyelidik utama John Mather lan George Smoot nampa Hadiah Nobel Fisika (2006) kanggo karyaé ing COBE.

6.2 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

  • Diluncuraké taun 2001 déning NASA.
  • Nyedhiyakké peta lengkap langit suhu CMB (lan mengko polarisasi), nggayuh resolusi sudut nganti kira-kira 13 menit busur.
  • Ngresiki paramèter kosmologis utama kanthi presisi sing durung tau ana, contoné umur jagad raya, konstanta Hubble, kerapatan materi peteng, lan fraksi energi peteng.

6.3 Planck (Misi ESA)

  • Operasi saka taun 2009 nganti 2013.
  • Ningkataké resolusi sudut (nganti ~5 menit busur) lan sensitivitas suhu dibandhingaké karo WMAP.
  • Nggambar anisotropi suhu lan polarisasi ing sak langit kanthi pirang-pirang frekuensi (30–857 GHz).
  • Ngasilaké peta CMB paling rinci nganti saiki, nyempitaké paramèter kosmologis luwih lanjut lan nyedhiyakké konfirmasi kuat saka modèl ΛCDM.

7. Watesan Kosmologis saka CMB

Matur nuwun marang misi-misi iki (lan liyane), CMB saiki dadi pondasi kanggo mbatesi paramèter kosmologis:

  1. Geometri Jagad Raya: Lokasi puncak akustik pisanan nuduhaké yèn jagad raya meh rata sacara spasial (Ωtotal ≈ 1).
  2. Materi Peteng: Dhuwur relatif puncak akustik mbedakaké kerapatan materi peteng (Ωc) dibandhingaké karo materi baryonik (Ωb).
  3. Energi Peteng: Gabungan data CMB karo pengamatan liya (kaya jarak supernova lan osilasi akustik baryon) nemtokaké fraksi energi peteng (ΩΛ) ing jagad raya.
  4. Konstanta Hubble (H0): Ukuran skala sudut puncak akustik ngasilaké penentuan ora langsung saka H0. Asil adhedhasar CMB saiki (saka Planck) nuduhaké H0 ≈ 67.4 ± 0.5 km s−1 Mpc−1, sanadyan iki ana ketegangan karo sawetara ukuran tangga jarak lokal sing nemokaké H0 ≈ 73. Nglurug ketidaksesuaian iki—dikenal minangka ketegangan Hubble—dadi fokus utama riset kosmologi saiki.
  5. Paramèter Inflasi: Amplitudo lan indeks spektral saka fluktuasi primordial (As, ns) diwatesi déning anisotropi CMB, nempataké watesan marang modèl inflasi.

8. Misi Saiki lan Mangsa Ngarep

8.1 Pengamatan Darat lan Balon

Sawisé WMAP lan Planck, akèh teleskop darat lan balon sing sensitif dhuwur terus ngasah pangerten kita babagan suhu lan polarisasi CMB:

  • Atacama Cosmology Telescope (ACT) lan South Pole Telescope (SPT): Teleskop apertur gedhe sing dirancang kanggo ngukur anisotropi CMB skala cilik lan polarisasi.
  • Eksperimen Balon: Kaya BOOMERanG, Archeops, lan SPIDER, sing nyedhiyakake ukuran resolusi dhuwur saka ketinggian cedhak angkasa.

8.2 Nggoleki B-Mode

Upaya kaya BICEP, POLARBEAR, lan CLASS fokus kanggo ndeteksi utawa matesi polarisasi B-mode. Yen B-mode primordial dikonfirmasi ing tingkat tartamtu, iki bakal menehi bukti langsung gelombang gravitasi saka jaman inflasi. Sanajan klaim awal (contone, BICEP2 ing 2014) banjur dianggep amarga kontaminasi bledug Galactic, upaya kanggo deteksi resik B-mode inflasi terus dilakoni.

8.3 Misi Generasi Sabanjure

  • CMB-S4: Proyek darat sing direncanakake sing bakal masang array teleskop gedhe, kanthi tujuan ngukur polarisasi CMB kanthi sensitivitas sing durung tau ana, utamane ing skala sudut cilik.
  • LiteBIRD (misi JAXA sing direncanakake): Satelit sing khusus kanggo ngukur polarisasi CMB skala gedhe, utamane nggoleki tandha B-mode primordial.
  • CORE (misi ESA sing diusulake, saiki durung dipilih): Bakal nambah sensitivitas polarisasi Planck.

9. Kesimpulan

Cosmic Microwave Background nyedhiyakake jendhela unik menyang alam semesta awal— bali nalika umure mung sawetara atus ewu taun. Ukuran suhu, polarisasi, lan anisotropi cilik wis ngonfirmasi model Big Bang, netepake eksistensi materi peteng lan energi peteng, lan menehi kita kerangka kosmologis sing tepat dikenal minangka ΛCDM. Luwih saka iku, CMB terus nyurung wates fisika: saka nggoleki gelombang gravitasi primordial lan nguji model inflasi nganti nyelidiki fisika anyar sing bisa ana gegayutan karo ketegangan Hubble lan liya-liyane.

Nalika eksperimen mbesuk nambah sensitivitas lan resolusi sudut, kita ngarepake panen data kosmologis sing luwih sugih. Apa iku ngasah kawruh kita babagan inflasi, nemtokake sifat energi peteng, utawa mbukak tandha alus saka fisika anyar, CMB tetep dadi salah siji piranti sing paling kuat lan padhang ing astrofisika lan kosmologi modern.

Referensi lan Wacan Luwih Jauh

  1. Penzias, A. A., & Wilson, R. W. (1965). “Ukuran Suhu Antena Kelebihan ing 4080 Mc/s.” The Astrophysical Journal, 142, 419–421. [Link]
  2. Mather, J. C., et al. (1994). “Ukuran Spektrum Cosmic Microwave Background dening Instrumen COBE FIRAS.” The Astrophysical Journal, 420, 439. [Link]
  3. Smoot, G. F., et al. (1992). “Structure in the COBE DMR First-Year Maps.” The Astrophysical Journal Letters, 396, L1–L5. [Link]
  4. Bennett, C. L., et al. (2013). “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 208, 20. [Link]
  5. Planck Collaboration. (2018). “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6. [arXiv:1807.06209]
  6. Peebles, P. J. E., Page, L. A., & Partridge, R. B. (eds.). (2009). Finding the Big Bang. Cambridge University Press. – Perspektif sejarah lan ilmiah babagan penemuan lan pentinge CMB.
  7. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Pangobatan komprehensif babagan fisika alam semesta awal lan peran CMB.
  8. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Diskusi jero babagan inflasi kosmik, anisotropi CMB, lan dhasar teoretis kosmologi modern.

 

← Artikel sadurunge                    Artikel sabanjure →

 

 

Bali menyang ndhuwur

Bali menyang Blog