Lompat ke konten

Cari di ARSTEMA

Ketik nama bab, istilah, gejala, atau alat.

    Kembali ke atlas
    Fisika · Bab 41Kuantitatif

    Kosmologi: alam semesta yang mengembang dan hukum Hubble, Big Bang, radiasi latar gelombang mikro kosmik, unsur ringan pertama, materi gelap dan energi gelap, umur alam semesta, dan batas pengetahuan hari ini

    Tim teknik sebuah hotel resor diminta memperbarui papan informasi planetarium mini di lobi setelah seorang tamu menunjukkan bahwa papan itu menyebut Big Bang sebagai ledakan di satu titik dan bertanya apakah selisih nilai laju pengembangan berarti Big Bang sudah terbantah. Bab ini menjelaskan kosmologi pengamatan menurut OpenStax: hukum Hubble dan pergeseran merah kosmologis, model Big Bang dan prinsip kosmologi, garis waktu alam semesta awal, nukleosintesis unsur ringan, radiasi latar gelombang mikro kosmik, materi gelap, dan energi gelap. Bab menutup dengan umur alam semesta dan perdebatan tetapan Hubble per 22 Oktober 2026 dari sumber resmi, serta cara menulis angka yang masih bergerak secara jujur.

    22 menit

    Bagian yang sedang dibaca: Pembuka bab

    Sebuah hotel resor di pegunungan mengadakan malam pengamatan bintang di dek atap setiap bulan, dan lobinya memiliki planetarium mini berupa proyektor kubah kecil yang dirawat tim teknik. Papan di sampingnya ditulis bertahun-tahun lalu: "Alam semesta lahir dari ledakan di satu titik 13,7 miliar tahun lalu; galaksi menjauh 70 km/s setiap megaparsek." Seorang tamu, guru fisika, mengatakan bahwa Big Bang bukan ledakan di satu titik, bahwa angka umur yang ia baca 13,8 miliar tahun, dan bahwa para peneliti masih berselisih soal laju pengembangan. Ia bertanya apakah Big Bang sudah terbantah. Manajer meminta teknisi memperbarui papan dalam seminggu.

    Teknisi perlu memisahkan tiga hal: pengamatan yang sudah kokoh, angka yang berubah seiring pengukuran, dan pertanyaan yang masih terbuka per 22 Oktober 2026. Contoh 9 dan Latihan 6 memberi bahan untuk papan baru.

    Batas pembahasan

    Bab ini membahas kosmologi pengamatan dan teori baku, dari hukum Hubble sampai perdebatan yang masih terbuka. Sumber utamanya OpenStax University Physics Volume 3 subbab 11.6 dan 11.7, ditambah Volume 1 subbab 13.5 dan 13.7 untuk materi gelap. Parameter terbaru diambil dari makalah kolaborasi Planck, NOIRLab, dan NobelPrize.org lewat pencarian, dengan status setiap klaim di peta sumber.

    Rumus Doppler relativistik ada di Bab 37 tentang energi relativistik, relativitas umum dan pelensaan gravitasi di Bab 38, partikel, gaya dasar, dan antimateri di Bab 40 tentang Model Standar, radiasi benda hitam di Bab 29 dan hukum Wien di Bab 21, serta fusi inti di Bab 33 tentang fisika nuklir. Tafsir filosofis seperti penyetelan halus dan multiverse dibahas di Bab 42 tentang klaim populer kosmologi.

    Hukum Hubble dan pergeseran merah kosmologis

    Pada 1929 Edwin Hubble menerbitkan temuan bahwa galaksi tampak menjauhi Bumi dan bahwa kecepatan menjauhnya sebanding dengan jaraknya; keduanya ditentukan dari spektrum cahaya bintang. Hukum Hubble (Hubble's law) adalah hubungan sebanding antara kecepatan menjauh sebuah galaksi dan jaraknya dari pengamat. Rumusnya:

    v=H0 dv = H_0\,d

    dengan vv kecepatan menjauh (km/s), dd jarak (Mpc), dan H0H_0 tetapan Hubble, yang menurut OpenStax sekitar 70 km/s per Mpc. Satu megaparsek (Mpc) adalah sejuta parsek, dan satu parsek 3,26 tahun cahaya. Tetapan Hubble (Hubble constant) adalah nilai masa kini laju pengembangan yang menghubungkan kecepatan menjauh dan jarak galaksi. OpenStax menyebut namanya agak keliru karena nilainya berubah terhadap waktu, dan hukum ini menggambarkan perilaku rata-rata semua galaksi kecuali yang paling dekat.

    Jarak galaksi dekat diukur dari bintang variabel Cepheid yang kecerahan mutlaknya diketahui: kecerahan tampaknya berkurang sebanding dengan kuadrat jarak. Pergeseran merah kosmologis (cosmological redshift) adalah pemanjangan panjang gelombang cahaya galaksi jauh karena ruang mengembang selama cahaya menempuh perjalanan. Besarnya dinyatakan dengan

    z=λobs−λemitλemitz = \frac{\lambda_{obs} - \lambda_{emit}}{\lambda_{emit}}

    dengan λobs\lambda_{obs} panjang gelombang teramati dan λemit\lambda_{emit} panjang gelombang saat dipancarkan. Menurut OpenStax, pergeseran ini hanya terukur untuk galaksi yang lebih jauh dari 50 juta tahun cahaya. OpenStax mengubah zz menjadi kecepatan dengan rumus Doppler relativistik di Bab 37, lalu memakai hukum Hubble untuk jarak. Hasilnya taksiran, karena menganggap laju pengembangan tetap sepanjang perjalanan cahaya (Contoh 2).

    Big Bang dan prinsip kosmologi

    Kosmologi (cosmology) adalah ilmu tentang asal-usul, evolusi, dan nasib akhir alam semesta. Big Bang adalah pengembangan cepat ruang yang menandai awal alam semesta. OpenStax menyebut awal itu sekitar 13,7 miliar tahun lalu dan menegaskan bahwa Big Bang bukan ledakan partikel di dalam ruang seperti kembang api, melainkan pengembangan ruang itu sendiri. Buku teks fisika dalam narasi menyebut kosmologi sebagai bidang lain tempat relativitas umum bangkit kembali.

    Model balon membantu. Titik di permukaan balon mewakili galaksi; ketika balon ditiup, setiap titik "melihat" titik lain menjauh. Pengembangan teramati sama oleh semua pengamat, sehingga tidak ada pusat pengembangan, dan Bumi tidak berada di pusat istimewa. Pengembangan ruang juga meregangkan cahaya, dan itulah sumber pergeseran merah kosmologis.

    Prinsip kosmologi (cosmological principle) adalah anggapan bahwa pada skala besar alam semesta isotropik, yaitu tampak sama ke segala arah, dan homogen, yaitu tampak sama di semua tempat. Survei galaksi APM tahun 1980-an dan 1990-an dengan lebih dari 2 juta galaksi mendukungnya. Dalam relativitas umum, keadaan alam semesta dinyatakan dengan metrik:

    ds2=c2dt2−a(t)2 dΣ2ds^2 = c^2 dt^2 - a(t)^2\,d\Sigma^2

    dengan a(t)a(t) faktor skala (tanpa satuan), dΣd\Sigma unsur panjang ruang, dan tetapan kelengkungan kk di dalam dΣd\Sigma yang membedakan alam semesta datar (k=0k = 0), tertutup (k>0k > 0), dan terbuka (k<0k < 0). Alam semesta mengembang bila da/dt>0da/dt > 0. Untuk alam semesta datar berisi materi berkerapatan ρ\rho dan bertekanan pp:

    d2adt2=−4πG3(ρ+3pc2)a\frac{d^2 a}{dt^2} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3p}{c^2}\right)a

    OpenStax menulisnya ρ+3p\rho + 3p tanpa faktor c2c^2; faktor itu ditambahkan penyusun agar satuannya konsisten (pengetahuan umum). Materi biasa membuat suku dalam kurung positif sehingga pengembangan melambat; pengembangan hanya makin cepat bila tekanannya negatif. Inflasi (inflation) adalah pengembangan sangat cepat pada saat paling awal alam semesta yang dipakai banyak ilmuwan untuk menjelaskan keadaan alam semesta sekarang.

    Garis waktu alam semesta awal

    OpenStax mengingatkan bahwa model alam semesta awal sangat spekulatif, dan garis waktunya hanya salah satu kemungkinan. Ringkasannya:

    TahapWaktu sejak Big BangKeadaan menurut OpenStax
    Big Bangkurang dari 10−4310^{-43} shukum fisika kini tidak berlaku; sekitar 103210^{32} K di akhir tahap
    Inflasi10−4310^{-43} sampai 10−3510^{-35} spengembangan eksponensial; gravitasi berpisah; sekitar 102710^{27} K
    Quark10−3510^{-35} sampai 10−510^{-5} sgaya kuat lalu gaya lemah berpisah; sup quark, lepton, foton
    Hadron dan lepton10−510^{-5} s sampai 10 sproton sekitar sama dengan neutron sampai sekitar 1 s; neutrino lepas; sekitar 10910^{9} K
    Nukleosintesis10 s sampai 20 menitdeuteron dan inti ringan terbentuk sampai litium-7
    Ion20 menit sampai 370.000 tahunterlalu panas untuk atom netral
    Atom370.000 sampai sekitar 10810^{8} tahundi bawah 4000 K atom terbentuk; foton lepas dari materi
    Bintang dan galaksi10810^{8} tahun sampai kinifusi di bintang membentuk unsur sampai besi; supernova membentuk unsur lebih berat

    Pada energi setinggi tahap awal, keempat gaya dasar diduga bersatu; cara dan alasan kesatuan itu pecah pada energi rendah masih soal terbuka, dan gaya-gaya itu dibahas di Bab 40. Untuk menerjemahkan suhu menjadi energi partikel, OpenStax memakai E=kBTE = k_B T dengan kBk_B tetapan Boltzmann. Nilainya 8,617×10−58{,}617 \times 10^{-5} eV/K; pada dua persamaan OpenStax tanda minus pangkatnya tidak tercetak, walau hasilnya benar (Contoh 4).

    Unsur ringan pertama

    Nukleosintesis Big Bang (Big Bang nucleosynthesis) adalah pembentukan inti ringan dari proton dan neutron dalam beberapa menit pertama alam semesta. Menurut OpenStax, proton dan neutron mula-mula membentuk deuteron 2^2H, lalu lewat triton 3^3H dan 3^3He terbentuk 4^4He. Saat itu perbandingan proton dan neutron sekitar 7 banding 1, sehingga hampir semua neutron habis menjadi 4^4He. Proses berlangsung sekitar 3 menit, dan hampir 25 persen materi menjadi 4^4He, ditambah sedikit 2^2H, 3^3H, 3^3He, dan sangat sedikit 7^7Li dan 7^7Be. Pengembangan mendinginkan alam semesta sampai reaksi berhenti.

    Bila setiap neutron berakhir di 4^4He, pecahan massa helium adalah (penalaran editorial):

    Y=2 (n/p)1+n/pY = \frac{2\,(n/p)}{1 + n/p}

    dengan YY pecahan massa helium dan n/pn/p perbandingan jumlah neutron dan proton. Untuk n/p=1/7n/p = 1/7 hasilnya tepat 0,25 (Contoh 5). OpenStax mencatat bahwa 25 persen helium terlalu banyak untuk dijelaskan oleh fusi di bintang, sehingga sebagian besar helium bersifat purba. Kelimpahan 2^2H, 4^4He, dan 7^7Li sangat bergantung pada kerapatan materi, dan taksiran kerapatan materi dari wahana WMAP cocok dengan ramalan model, bukti kuat bagi Big Bang. Unsur sampai besi dibentuk kemudian di bintang, dan unsur lebih berat di supernova; fisika fusinya ada di Bab 33. Glosarium OpenStax keliru menyebut nukleosintesis Big Bang sebagai pembentukan unsur berat.

    Radiasi latar gelombang mikro kosmik

    Radiasi latar gelombang mikro kosmik (cosmic microwave background radiation, CMBR) adalah radiasi termal sisa Big Bang yang kini teramati dari segala arah pada daerah gelombang mikro. Pada 1960-an Arno Penzias dan Robert Wilson dari Bell Laboratories mendapati derau samar yang tidak dapat dihilangkan dari sistem komunikasi mereka, dengan panjang gelombang orde sentimeter; derau itu kemudian dikaitkan dengan radiasi latar. Spektrumnya sangat cocok dengan kurva benda hitam bersuhu 2,7 K, dan hukum Wien memberi puncaknya:

    λmaks=2,898×10−3 m⋅KT\lambda_{maks} = \frac{2{,}898 \times 10^{-3}\ \text{m}\cdot\text{K}}{T}

    dengan TT suhu (K). Radiasi benda hitam dibahas di Bab 29 dan pemakaian hukum Wien di Bab 21.

    Foton latar lepas dari materi ketika atom netral terbentuk, karena atom netral jarang berinteraksi dengan cahaya. OpenStax menaksir suhu pelepasan dari kBT∼1k_B T \sim 1 eV, sekitar 10410^{4} K, dan menyebut hamburan terakhir terjadi sekitar 380.000 tahun setelah Big Bang; sebelum itu materi berupa plasma. Garis waktu OpenStax sendiri menulis 370.000 tahun dan suhu di bawah 4000 K untuk pembentukan atom, jadi angka-angka ini adalah taksiran orde besaran. Suhu radiasi berbanding terbalik dengan faktor pemanjangan panjang gelombang, T∝1/(1+z)T \propto 1/(1+z) (pengetahuan umum), sehingga cahaya bersuhu ribuan kelvin itu kini tiba sebagai gelombang mikro (Contoh 6).

    Peta wahana WMAP memperlihatkan riak suhu kecil. Keterangan gambar OpenStax menyebut riak terbesar hanya satu bagian per sejuta, sedangkan sebuah ulasan akademik tentang Hadiah Nobel astrofisika mencatat riak yang diukur George Smoot sekitar satu bagian per 100.000. Dokumen latar ilmiah Hadiah Nobel Fisika 2011 menyebut penemuan variasi suhu radiasi latar dengan satelit COBE sebagai karya yang diganjar Hadiah Nobel Fisika 2006 bagi John Mather dan George Smoot.

    Materi gelap

    Vera Rubin meneliti galaksi spiral pada 1970-an dan mendapati bagian terluarnya berputar secepat bagian tengahnya, berlawanan dengan ramalan. Bila massa galaksi hanya berasal dari bintang yang terlihat, kecepatan orbit jauh dari pusat mengikuti v=GM/rv = \sqrt{GM/r}, yang turun sebanding dengan 1/r1/\sqrt{r}. Kecepatan terukur jauh lebih tinggi, sehingga Rubin mengusulkan materi tak terlihat dalam jumlah besar di dalam dan di sekitar galaksi; masalah ini disebut masalah rotasi galaksi. Istilah materi gelap sudah dipakai Fritz Zwicky pada 1933 ketika ia mendapati keganjilan serupa pada gugus galaksi.

    Materi gelap (dark matter) adalah materi yang tidak memancarkan cahaya dan keberadaannya disimpulkan dari pengaruh gravitasinya pada gerak bintang, galaksi, dan cahaya. Pelensaan gravitasi (gravitational lensing) adalah pembelokan cahaya oleh medan gravitasi materi yang dapat menghasilkan dua bayangan atau sebuah cincin dari satu sumber jauh. Gumpalan materi gelap di antara Bumi dan sebuah galaksi jauh dapat membuat dua bayangan galaksi yang sama; pembelokan cahaya oleh gravitasi dibahas di Bab 38.

    Menurut OpenStax Volume 3, yang diketahui hanyalah bahwa materi gelap dingin, bergerak lambat, dan berinteraksi lemah dengan materi biasa; kandidatnya antara lain neutralino dari teori supersimetri. Volume 1 menyebut dua gagasan utama, WIMP (partikel masif berinteraksi lemah) dan MACHO (benda mampat halo dari materi barionik biasa), dan menegaskan keduanya masih bermasalah. Contoh neutrino untuk WIMP di Volume 1 tidak cocok dengan sifat dingin dan lambat, karena neutrino bergerak hampir secepat cahaya (pengetahuan umum).

    Energi gelap dan susunan alam semesta

    Pengukuran alam semesta yang makin teliti menunjukkan pergeseran merah galaksi jauh yang lebih besar daripada perkiraan, artinya alam semesta mengembang makin cepat. Energi gelap (dark energy) adalah bentuk energi yang diduga menyebabkan pengembangan alam semesta makin cepat. Menurut OpenStax, hampir tidak ada yang diketahui tentang sifatnya. Pada persamaan percepatan di atas, pengembangan makin cepat hanya bila ρ+3p/c2<0\rho + 3p/c^2 < 0, jadi energi gelap harus bertekanan negatif (penalaran editorial).

    Hadiah Nobel Fisika 2011 diberikan setengah kepada Saul Perlmutter dan setengah lagi kepada Brian P. Schmidt dan Adam G. Riess "atas penemuan pengembangan alam semesta yang makin cepat melalui pengamatan supernova jauh". Dua tim mengamati supernova tipe Ia pada jarak sekitar 6 miliar tahun cahaya, dan percepatan itu umumnya dikaitkan dengan energi vakum yang disebut energi gelap.

    OpenStax membagi energi alam semesta menjadi 68,3 persen energi gelap, 26,8 persen materi gelap, dan 4,9 persen materi biasa. Kolaborasi Planck, dalam makalah 2018 tentang parameter kosmologi, memberi kerapatan materi total Ωm=0,315±0,007\Omega_m = 0{,}315 \pm 0{,}007, sejalan dengan jumlah materi gelap dan materi biasa itu. Hal lain yang belum terjelaskan adalah dominasi materi atas antimateri: langkanya sinar gama 0,511 MeV dari anihilasi elektron dan positron menunjukkan antimateri jarang, padahal menurut Model Standar perilaku keduanya hanya sedikit berbeda. Antimateri dibahas di Bab 40.

    Umur alam semesta dan perdebatan tetapan Hubble per 22 Oktober 2026

    Taksiran paling kasar umur alam semesta adalah waktu Hubble 1/H01/H_0, waktu yang diperlukan galaksi untuk mencapai jaraknya sekarang bila laju pengembangannya selalu tetap (Contoh 3). OpenStax mencatat bahwa bila pengembangan makin cepat, laju pada masa lalu lebih lambat, sehingga umur sebenarnya lebih besar daripada taksiran itu. Untuk alam semesta datar berisi materi dan energi gelap, umurnya (pengetahuan umum):

    t0=23H0ΩΛ sinh⁡−1ΩΛΩmt_0 = \frac{2}{3H_0\sqrt{\Omega_\Lambda}}\,\sinh^{-1}\sqrt{\frac{\Omega_\Lambda}{\Omega_m}}

    dengan ΩΛ=1−Ωm\Omega_\Lambda = 1 - \Omega_m pecahan energi gelap dan radiasi diabaikan. Makalah Planck 2018 memberi H0=67,4±0,5H_0 = 67{,}4 \pm 0{,}5 km/s per Mpc dan Ωm=0,315\Omega_m = 0{,}315 dalam model baku, dan tidak menemukan bukti meyakinkan untuk perluasan model itu. Rumus di atas lalu memberi sekitar 13,8 miliar tahun (Contoh 9, penalaran editorial), lebih baru daripada angka 13,7 miliar tahun di OpenStax.

    Nilai H0H_0 sendiri belum disepakati. NOIRLab, dalam grafik "Graphic representation of the Hubble tension" bertanggal April 2026, menampilkan hasil H0 Distance Network Collaboration dari tangga jarak lokal, 73,50±0,8173{,}50 \pm 0{,}81 km/s per Mpc dengan ketelitian sedikit di atas 1 persen, berdampingan dengan nilai dari radiasi latar sekitar 67,2 km/s per Mpc. Ketegangan Hubble (Hubble tension) adalah selisih nilai tetapan Hubble yang diukur langsung dari galaksi dekat dan nilai yang disimpulkan dari radiasi latar dengan model kosmologi baku. Selisihnya sekitar 9 persen, jauh di atas gabungan ketidakpastian kedua hasil (Contoh 9). Per 22 Oktober 2026, sumber resmi yang ditemukan penyusun belum menunjukkan penyelesaian; galat sistematik yang belum dikenali dan fisika di luar model baku sama-sama masih berupa dugaan (penalaran editorial).

    GolonganContohCara menulis di papan publik
    Sudah kokohalam semesta mengembang; radiasi latar berspektrum benda hitam; kelimpahan helium sekitar 25 persensebagai fakta, dengan sumber
    Angka yang bergerakH0H_0, umur, susunan energidengan nilai, ketidakpastian, sumber, dan tanggal
    Masih terbukaketegangan Hubble; hakikat materi gelap dan energi gelap; asimetri materi; rincian inflasisebagai pertanyaan riset, tanpa jawaban pasti

    Contoh kerja

    Contoh 1: hukum Hubble. Galaksi berjarak 100 Mpc menjauh dengan v=70×100=7.000v = 70 \times 100 = 7.000 km/s. Galaksi yang menjauh 100.000 km/s berjarak d=100.000/70=1.430d = 100.000/70 = 1.430 Mpc, atau 1.430×3,26=4.6601.430 \times 3{,}26 = 4.660 juta tahun cahaya, sekitar 4,7 miliar tahun cahaya (penalaran editorial).

    Contoh 2: galaksi dengan z = 4,5. Rumus Doppler relativistik Bab 37 memberi β=(1+z)2−1(1+z)2+1=29,2531,25=0,936\beta = \frac{(1+z)^2 - 1}{(1+z)^2 + 1} = \frac{29{,}25}{31{,}25} = 0{,}936, atau 2,81×1082{,}81 \times 10^{8} m/s. OpenStax memakai H0=73,8H_0 = 73{,}8 km/s per Mpc pada contoh ini dan mendapat d=2,81×105/73,8=3,8×103d = 2{,}81 \times 10^{5}/73{,}8 = 3{,}8 \times 10^{3} Mpc; dengan 70 km/s per Mpc dari teks yang sama hasilnya 4,0×1034{,}0 \times 10^{3} Mpc. Pada zz sebesar ini hukum linear dan tafsir Doppler hanya pendekatan (pengetahuan umum), sehingga angka jarak ini tidak dipakai di papan.

    Contoh 3: waktu Hubble. Dengan 1 Mpc =3,086×1019= 3{,}086 \times 10^{19} km (pengetahuan umum), 1/H01/H_0 untuk 70 km/s per Mpc adalah 3,086×1019/70=4,41×10173{,}086 \times 10^{19}/70 = 4{,}41 \times 10^{17} s, atau 4,41×1017/3,156×107=1,40×10104{,}41 \times 10^{17}/3{,}156 \times 10^{7} = 1{,}40 \times 10^{10} tahun. Untuk 67,4 km/s per Mpc waktunya 14,5 miliar tahun, dan untuk 73,5 km/s per Mpc 13,3 miliar tahun.

    Contoh 4: suhu dan energi partikel. Pada 103210^{32} K, kBT=(8,617×10−5)(1032)=8,6×1027k_B T = (8{,}617 \times 10^{-5})(10^{32}) = 8{,}6 \times 10^{27} eV, orde 101910^{19} GeV, jauh di atas akselerator buatan manusia yang menurut OpenStax kurang dari 10410^{4} GeV. Nukleon terbentuk sekitar 1.000 MeV, yaitu T=1.000/(8,617×10−11)=1,2×1013T = 1.000/(8{,}617 \times 10^{-11}) = 1{,}2 \times 10^{13} K. Energi ionisasi hidrogen 13,6 eV dari Bab 32 (OpenStax membulatkannya 13 eV) setara 1,6×1051{,}6 \times 10^{5} K, dan 1 eV setara 1,16×1041{,}16 \times 10^{4} K.

    Contoh 5: pecahan helium. Dari 16 nukleon dengan n/p=1/7n/p = 1/7, ada 2 neutron dan 14 proton. Dua neutron dan dua proton membentuk satu 4^4He bermassa 4 nukleon, dan 12 proton tersisa sebagai hidrogen, sehingga Y=4/16=0,25Y = 4/16 = 0{,}25. Rumus Y=2(1/7)/(1+1/7)=0,25Y = 2(1/7)/(1 + 1/7) = 0{,}25 memberi hasil yang sama dengan 25 persen OpenStax.

    Contoh 6: puncak radiasi latar. Untuk T=2,7T = 2{,}7 K, λmaks=2,898×10−3/2,7=1,07×10−3\lambda_{maks} = 2{,}898 \times 10^{-3}/2{,}7 = 1{,}07 \times 10^{-3} m, sekitar 1,1 mm seperti soal OpenStax. Energi foton puncaknya 1240/(1,07×106 nm)=1,16×10−31240/(1{,}07 \times 10^{6}\ \text{nm}) = 1{,}16 \times 10^{-3} eV. Bila atom terbentuk di bawah 4000 K, cahaya telah teregang sekitar 4000/2,7=1.4804000/2{,}7 = 1.480 kali, sehingga puncak saat dipancarkan sekitar 1,07/1.4801{,}07/1.480 mm =0,72= 0{,}72 µm, di batas merah cahaya tampak (penalaran editorial).

    Contoh 7: massa galaksi dari orbit bintang. Soal OpenStax Volume 1: Bima Sakti tampak bermassa 8,0×10118{,}0 \times 10^{11} massa Matahari, dan sebuah bintang tepi berjarak 6,0×1046{,}0 \times 10^{4} tahun cahaya, yaitu 5,68×10205{,}68 \times 10^{20} m. Massa itu meramalkan periode T=2πr3/GM=2,6×108T = 2\pi\sqrt{r^3/GM} = 2{,}6 \times 10^{8} tahun. Bila periodenya 6,0×1076{,}0 \times 10^{7} tahun, M=4π2r3/(GT2)=3,0×1043M = 4\pi^2 r^3/(GT^2) = 3{,}0 \times 10^{43} kg atau 1,5×10131{,}5 \times 10^{13} massa Matahari, sekitar 19 kali massa tampak; OpenStax menyebut selisih seperti ini sebagai petunjuk materi gelap.

    Contoh 8: susunan alam semesta. Dari 68,3, 26,8, dan 4,9 persen, materi total 26,8+4,9=31,726{,}8 + 4{,}9 = 31{,}7 persen, dekat Ωm=0,315\Omega_m = 0{,}315 Planck. Materi gelap 26,8/4,9=5,526{,}8/4{,}9 = 5{,}5 kali materi biasa, dan materi biasa hanya 4,9/31,7=154{,}9/31{,}7 = 15 persen dari seluruh materi.

    Contoh 9: ketegangan Hubble dan papan baru. Selisih 73,50−67,4=6,173{,}50 - 67{,}4 = 6{,}1 km/s per Mpc, atau 9 persen dari nilai Planck. Ketidakpastian gabungan kasar 0,812+0,52=0,95\sqrt{0{,}81^2 + 0{,}5^2} = 0{,}95, sehingga selisihnya sekitar 6,4 kali ketidakpastian itu (penalaran editorial; analisis resmi kolaborasi lebih rinci). Dengan Ωm=0,315\Omega_m = 0{,}315, rumus umur memberi 13,8 miliar tahun untuk H0=67,4H_0 = 67{,}4 dan 12,7 miliar tahun untuk 73,5. Papan baru menulis umur "sekitar 13,8 miliar tahun menurut parameter Planck 2018" dan menyebut bahwa laju pengembangan 67 sampai 74 km/s per Mpc bergantung metode, masih diteliti per 22 Oktober 2026.

    Kondisi berhenti

    Hentikan kegiatan dan serahkan kepada penanggung jawab, pabrik, atau pemilik konten bila:

    1. Ada tamu atau staf yang hendak melihat Matahari lewat teleskop, teropong, atau kamera tanpa filter matahari khusus; cahaya terpusat dapat merusak mata seketika (pengetahuan umum).
    2. Laser penunjuk dipakai untuk menunjuk bintang di acara tamu; ikuti aturan keselamatan laser di Bab 32 dan jangan arahkan ke orang atau pesawat.
    3. Awan petir atau hujan mendekat saat acara di dek atap; hentikan kegiatan dan turunkan peserta, sesuai batas kerja di atap pada Bab 35 · Kelistrikan & Kendali.
    4. Proyektor planetarium atau kubah perlu dibuka atau diperbaiki; pekerjaan itu mengikuti manual pabrik.
    5. Teknisi diminta menulis jawaban pasti untuk soal yang masih terbuka, atau tafsir filosofis dan keagamaan, di papan publik; serahkan kepada pemilik konten dengan sumber bertanggal, dan rujuk Bab 42.

    Salah tafsir yang sering terjadi

    Tebak dulu di mana kelirunya, lalu buka penjelasannya.

    Anggapan keliru

    Big Bang adalah ledakan di satu titik di ruang kosong.

    Mengapa keliru?

    Big Bang adalah pengembangan ruang itu sendiri; tidak ada titik pusat di dalam ruang tempat semuanya meledak.

    Anggapan keliru

    Semua galaksi menjauhi kita, jadi Bumi pusat alam semesta.

    Mengapa keliru?

    Dalam model balon setiap pengamat melihat hal yang sama, sehingga tidak ada pusat istimewa.

    Anggapan keliru

    Selisih nilai tetapan Hubble berarti Big Bang terbantah.

    Mengapa keliru?

    Kedua metode sama-sama mengukur alam semesta yang mengembang dengan umur belasan miliar tahun; yang diperdebatkan adalah selisih sekitar 9 persen pada lajunya.

    Anggapan keliru

    Materi gelap hanyalah debu atau awan gelap biasa.

    Mengapa keliru?

    Materi gelap disimpulkan dari gravitasinya, dan OpenStax menyebutnya dingin, lambat, dan berinteraksi lemah; hakikatnya belum diketahui.

    Anggapan keliru

    Materi gelap dan energi gelap adalah hal yang sama.

    Mengapa keliru?

    Materi gelap menarik secara gravitasi dan menahan galaksi, sedangkan energi gelap dikaitkan dengan pengembangan yang makin cepat.

    Hubungan dengan bab lain

    Bab 37 memberi rumus Doppler relativistik, Bab 38 relativitas umum dan pelensaan gravitasi, dan Bab 40 gaya dasar serta antimateri. Bab 29 dan Bab 21 menjelaskan radiasi benda hitam dan hukum Wien, Bab 33 fusi inti yang melanjutkan nukleosintesis di bintang, dan Bab 32 serta Bab 35 · Kelistrikan & Kendali keselamatan laser dan kegiatan di atap. Bab 42 membahas tafsir filosofis atas temuan kosmologi.

    Latihan dan pembahasan

    Coba jawab dulu, lalu buka pembahasannya.

    1. Rata-rata seberapa jauh galaksi yang menjauh dengan kecepatan 2,0 persen kecepatan cahaya, dengan H0=70H_0 = 70 km/s per Mpc?

      Lihat pembahasan

      Kecepatannya 0,020×299.792=6.0000{,}020 \times 299.792 = 6.000 km/s, sehingga d=6.000/70=86d = 6.000/70 = 86 Mpc. Dengan 3,26 juta tahun cahaya per Mpc, jaraknya sekitar 280 juta tahun cahaya.

    2. Sebuah galaksi berjarak 10 Mpc. Berapa kecepatan menjauhnya dan kira-kira berapa zz-nya?

      Lihat pembahasan

      Kecepatannya 70×10=70070 \times 10 = 700 km/s. Untuk kecepatan jauh di bawah cahaya z≈v/c=700/299.792=0,0023z \approx v/c = 700/299.792 = 0{,}0023, jadi panjang gelombang bertambah sekitar 0,23 persen.

    3. Berapa tetapan Hubble yang sesuai dengan umur alam semesta 101010^{10} tahun bila pengembangan tetap, dan apakah nilai itu cocok dengan pengukuran?

      Lihat pembahasan

      Dua galaksi yang terpisah 1 juta tahun cahaya setelah 101010^{10} tahun bergerak 9,46×1018/(3,156×1017)=309{,}46 \times 10^{18}/(3{,}156 \times 10^{17}) = 30 km/s, sehingga H0H_0 sekitar 30 km/s per juta tahun cahaya atau 98 km/s per Mpc. Nilai itu jauh di atas 67 sampai 74 km/s per Mpc, jadi alam semesta lebih tua dari 101010^{10} tahun.

    4. Foton radiasi latar 1,1 mm. Berapa energinya, berapa energi 10910^{9} foton seperti itu, dan bandingkan dengan energi diam setengah massa proton (469 MeV).

      Lihat pembahasan

      Energinya 1240/(1,1×106)=1,13×10−31240/(1{,}1 \times 10^{6}) = 1{,}13 \times 10^{-3} eV, dan 10910^{9} foton membawa 1,131{,}13 MeV. Angka itu sekitar 400 kali lebih kecil daripada 469 MeV, sehingga energi ruang antargalaksi kini dikuasai materi, bukan radiasi latar.

    5. Seorang anak bertanya di mana titik Big Bang terjadi dan apakah planetarium hotel menghadap ke sana. Bagaimana menjawabnya?

      Lihat pembahasan

      Big Bang terjadi di semua tempat sekaligus karena yang mengembang adalah ruang itu sendiri, sehingga tidak ada arah yang menunjuk ke titik asal. Radiasi latar tiba dari segala arah, dan setiap pengamat di galaksi mana pun melihat galaksi lain menjauh.

    6. Tulis ulang papan lama di kasus pembuka dalam tiga kalimat yang memisahkan fakta kokoh, angka bertanggal, dan soal terbuka.

      Lihat pembahasan

      Contoh: "Alam semesta mengembang dari keadaan sangat panas dan rapat; buktinya antara lain radiasi latar gelombang mikro dan helium purba sekitar 25 persen. Umurnya sekitar 13,8 miliar tahun menurut parameter Planck 2018. Laju pengembangannya terukur 67 sampai 74 km/s per megaparsek bergantung metode, dan selisih ini masih diteliti per 22 Oktober 2026."

    Referensi

    Sumber luar

    • OpenStax: University Physics Volume 3openstax.org
    • OpenStax: University Physics Volume 1openstax.org
    • Planck 2018 results. VI. Cosmological parametersui.adsabs.harvard.edu
    • Graphic representation of the Hubble tensionnoirlab.edu
    • The 2011 Nobel Prize in Physics - Press release - NobelPrize.orgnobelprize.org
    • Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2011nobelprize.org
    • The Nobel prizes in physics for astrophysics and gravitation and the Nobel prize for black holes: Past, present, and futurearxiv.org

    Bab terkait

    Uji diri · 3 soal

    Cek pemahaman sebelum berpindah bab

    Tulis jawaban dengan kata-kata Anda sendiri, lalu bandingkan dengan pembahasan dari latihan asli bab ini. Sistem tidak menebak benar-salah jawaban terbuka; Anda yang menilai bagian mana yang sudah dipahami.

    0/3dinilai
    1

    Rata-rata seberapa jauh galaksi yang menjauh dengan kecepatan 2,0 persen kecepatan cahaya, dengan H0=70H_0 = 70 km/s per Mpc?

    2

    Sebuah galaksi berjarak 10 Mpc. Berapa kecepatan menjauhnya dan kira-kira berapa zz-nya?

    3

    Berapa tetapan Hubble yang sesuai dengan umur alam semesta 101010^{10} tahun bila pengembangan tetap, dan apakah nilai itu cocok dengan pengukuran?

    Progres penilaian mandiri0%

    Bab terdekat