Mengapa Galaksi masih Berlanggar dalam Alam Semesta yang Mengembang?

Oleh: Amelia Adam
Editor MajalahSains

Berikut merupakan artikel terjemahan berjudul ”Why do galaxies still collide in the expanding Universe?” oleh Ethan Siegel. Pautan untuk membaca artikel asal: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/why-galaxies- still-collide-expanding-universe/)

Poin Utama: *Pada skala kosmik yang paling besar, alam semesta sedang mengembang: galaksi semakin menjauh antara satu sama lain akibat pengembangan ruang antaranya. * Namun, walaupun dengan kehadiran tenaga gelap yang menyebabkan objek dalam alam semesta bergerak semakin laju menjauhi satu sama lain, galaksi masih bertembung dan bergabung. • Mengapa perkara ini berlaku? Bagaimana galaksi terus bertembung dan bergabung, sedangkan alam semesta yang mengembang sepatutnya menjauhkan segala- galanya?

“Jika alam semesta sedang mengembang seperti belon atau doh yang sedang dibakar dengan kismis di dalamnya (di mana kismis mewakili galaksi), bagaimana mungkin galaksi boleh berlanggar?”

Pada skala kosmik yang kecil, atau skala yang lebih kecil daripada kira-kira 1.4 bilion tahun cahaya, alam semesta adalah sangat tidak seragam. Terdapat kawasan yang hampir kosong sepenuhnya. Ada kawasan yang dilalui oleh satu atau lebih filamen besar, menjadikannya kaya dengan galaksi. Dan terdapat juga kawasan di mana pelbagai filamen saling bersambung— tempat di mana galaksi “jatuh” ke dalam kumpulan atau kelompok galaksi, sesetengahnya mengandungi ribuan galaksi bersaiz seperti Bima Sakti serta kuadrilion kali jisim Matahari.

Namun, pada skala kosmik yang besar, terutamanya apabila kita melihat skala puluhan bilion tahun cahaya, alam semesta sangat seragam—apa yang dikenali oleh ahli kosmologi sebagai isotropik dan homogen.

Sebab utama fenomena ini ialah alam semesta dan setiap bahagiannya terlibat dalam satu “perlumbaan kosmik” yang besar. Di satu pihak, terdapat pengembangan alam semesta. Di pihak lain, terdapat daya graviti, yang menarik semua bentuk jirim dan tenaga antara satu sama lain.

Siapa Yang Menang Dalam Perlumbaan Ini?

Jawapannya bukan sekadar bergantung kepada mana satu yang lebih kuat—pengembangan atau graviti. Ia juga bergantung pada berapa lama masa telah berlalu kerana walaupun alam semesta kini sangat luas, kelajuan graviti adalah terhad dan “hanya” bersamaan dengan kelajuan cahaya.

Ini ialah kunci untuk memahami bagaimana alam semesta berkembang. Bayangkan keadaan alam semesta pada awal Big Bang. Oleh sebab alam semesta sedang mengembang dan menyejuk hari ini, ia mestilah jauh lebih kecil, lebih padat dan lebih panas pada peringkat awalnya. (Pada waktu itu, pengembangannya juga jauh lebih pantas berbanding sekarang.)

Alam semesta tidak “dilahirkan” dalam keadaan yang sempurna seragam, tetapi muncul daripada satu tempoh awal yang dikenali sebagai cosmic inflation. Tempoh ini memberikan alam semesta ketidaksempurnaan ketumpatan yang wujud pada semua skala. Sesetengah kawasan terbentuk dengan ketumpatan berlebihan—mengandungi sekitar 0.003% lebih banyak jirim dan tenaga berbanding kawasan purata. Sesetengah kawasan mempunyai ketumpatan purata, hanya mengandungi jumlah jirim dan tenaga biasa. Selain itu, ada juga kawasan yang terbentuk dengan ketumpatan kurang, dengan sekitar 0.003% kurang jirim dan tenaga daripada kawasan purata.

Walaupun jarang berlaku, kadang-kadang terdapat ketumpatan yang lebih besar atau lebih rendah—sehingga 0.01% berbeza daripada purata. Namun, secara keseluruhan, alam semesta masih sangat seragam. Apa yang penting untuk diingati ialah kawasan berketumpatan tinggi dan rendah ini terdapat pada semua skala, daripada skala mikroskopik hingga kepada ribuan atau bahkan berbilion tahun cahaya.

Selepas alam semesta dilahirkan dengan sifat ini, ia mula mengembang, menyejuk dan mengalami daya graviti. Tetapi, apa yang berlaku pada setiap skala kosmik? Pada skala yang kecil, graviti mula mempengaruhi persekitaran sekelilingnya kerana sudah cukup masa berlalu untuk isyarat graviti merambat merentasi jarak yang diperlukan, walaupun alam semesta terus mengembang.

Pada skala yang lebih besar, graviti masih belum dapat mempengaruhi persekitarannya kerana ia memerlukan lebih banyak masa untuk isyarat graviti merentasi jarak yang lebih besar, mengambil kira pengembangan alam semesta. Apa yang menentukan sempadan antara skala yang cukup kecil untuk graviti dapat dirasakan dan skala yang terlalu besar untuk isyarat graviti sampai dalam usia alam semesta yang terhad?

Peranan Cosmic Horizon

Jawapannya bergantung kepada ciri-ciri pengembangan alam semesta:

1. Kadar pengembangan
2. Jenis-jenis jirim dan tenaga yang ada dalam alam semesta
3. Masa yang telah berlalu sejak permulaan Deguman Besar (Big Bang)

Gabungan faktor ini membolehkan kita menentukan satu konsep yang dikenali sebagai cosmic horizon—iaitu skala terbesar di mana isyarat graviti (atau apa-apa yang bergerak pada kelajuan cahaya) boleh sampai dalam tempoh masa kosmik yang telah berlalu.

Pada peringkat awal sejarah kosmik, kira-kira 380,000 tahun selepas Deguman Besar, alam semesta masih terlalu panas dan padat untuk atom neutral terbentuk dengan stabil. Setiap proton atau elektron dalam alam semesta dikelilingi oleh lebih sebilion foton tinggalan Deguman Besar. Alam semesta perlu menyejuk ke bawah 3,000 K (kira-kira separuh suhu permukaan Matahari) sebelum atom neutral boleh terbentuk.

Dalam tempoh ini, persaingan bukan sekadar antara graviti dengan pengembangan. ‘Tekanan’ daripada foton dan interaksinya dengan elektron menghasilkan ayunan ketumpatan pada skala kecil, di mana daya graviti diimbangi oleh tekanan radiasi. Hasilnya ialah satu corak turun naik (fluctuation) ketumpatan yang kompleks, dengan ketumpatan tertinggi berlaku pada skala sudut sekitar satu darjah, bersamaan dengan 800 juta tahun cahaya hari ini.

Pengaruh Graviti

1. Pada skala yang lebih kecil daripada cosmic horizon, graviti mula menarik jirim ke dalam kawasan berketumpatan tinggi, manakala kawasan berketumpatan rendah kehilangan jirim ke persekitaran yang lebih padat.
2. Pada skala yang lebih besar, graviti tidak dapat mempengaruhi kawasan ini sehingga cosmic horizon
3. Kawasan dengan ketumpatan tinggi akan terus berkembang sehingga mencapai sekitar 68% lebih padat daripada purata.

Proses ini mengambil masa yang lama: Puluhan juta tahun untuk gugusan bintang, ratusan juta tahun untuk galaksi besar dan berbilion tahun untuk kelompok galaksi terbesar.

Peranan Tenaga Gelap dalam Alam Semesta yang Mengembang

Namun, dalam alam semesta yang mengembang ini, bukan hanya jisim yang mengalami daya graviti—kita juga mempunyai tenaga gelap! Pada awalnya, tenaga gelap tidak begitu penting dalam konteks kosmik. Tetapi, ia mempunyai satu sifat yang unik: walaupun alam semesta mengembang, ketumpatan tenaga gelap tidak berkurang.

Tenaga gelap mengekalkan ketumpatannya, yang bermaksud bahawa kira-kira 6 bilion tahun yang lalu (atau 7.8 bilion tahun selepas Deguman Besar), pengembangan alam semesta mula mempercepat. Akibatnya, galaksi-galaksi yang jauh—terutama yang tidak terikat secara graviti antara satu sama lain—bukan sahaja bergerak menjauhi satu sama lain, tetapi juga bergerak semakin laju. Inilah maksud sebenar pengembangan yang semakin laju: kelajuan galaksi-galaksi yang menjauhi kita semakin bertambah dari semasa ke semasa.

Jadi, apabila kita melihat evolusi alam semesta hingga ke hari ini, apakah yang tinggal? Skala kecil melibatkan galaksi individu dan yang lebih kecil. Pada skala lebih besar (kelompok dan kumpulan galaksi), kesemuanya telah terikat secara graviti. Walaupun galaksi dalam kelompok ini masih boleh berlanggar dan bergabung, keseluruhan kumpulan atau kelompok itu sendiri kekal sebagai satu struktur yang padu.

Apa Yang Berlaku pada Skala Kosmik Yang Lebih Besar?

Pada skala lebih besar, sesetengah struktur mula terpisah. Namun, sesetengah kelompok galaksi berdekatan masih terikat secara graviti tetapi belum lagi bergabung, jadi ia akan terus bergabung pada masa depan.

Pada skala yang paling besar (lebih kurang 1.5 bilion tahun cahaya dan ke atas), tiada struktur kekal yang terikat secara graviti. Dakwaan bahawa terdapat struktur yang lebih besar daripada ini adalah hampir pasti tidak benar. Pendek kata, tenaga gelap akan menghalang pembentukan struktur baru. Segala sesuatu yang belum terikat secara graviti akan terus menjauh, seperti kismis dalam doh yang sedang mengembang.

Namun, Mengapa Masih Ada Galaksi Yang Berlanggar dan Bergabung Hari Ini?

Walaupun alam semesta mengembang dan pengembangannya semakin laju, ada struktur yang telah menjadi terikat secara graviti sejak dahulu lagi. Faktor seperti momentum sudut, jisim keseluruhan struktur dan jarak awal antara galaksi menentukan berapa lama sesuatu perlanggaran atau penggabungan akan mengambil masa—dari ratusan juta hingga berbilion tahun.

Local Group of Galaxies 

Kita boleh melihat contoh yang menakjubkan dalam Local Group of Galaxies, iaitu struktur graviti yang kita sendiri berada di dalamnya. Bima Sakti ialah galaksi kedua terbesar dalam kumpulan ini dan ia mempunyai dua satelit utama: Large Magellanic Cloud dan Small Magellanic Cloud.

Walaupun kedua-dua galaksi ini terikat secara graviti dengan Bima Sakti, ia akan mengambil berbilion tahun sebelum ia benar-benar bertembung dan bergabung dengan galaksi kita. Selain itu, Andromeda, galaksi terbesar dalam kumpulan ini, akan bergabung dengan Bima Sakti—tetapi hanya dalam tempoh 4 hingga 7 bilion tahun lagi!

Memahami Analogi Kismis dalam Doh yang Mengembang

Selalunya, kita menggunakan analogi bahawa galaksi ibarat kismis dalam doh yang sedang mengembang. Namun, ini tidak bermaksud setiap galaksi ialah satu kismis berasingan. Sebaliknya, “kismis” dalam doh tersebut mewakili struktur terbesar yang masih terikat secara graviti.

• Galaksi yang benar-benar terpencil, seperti MGC+01-02-015, boleh dianggap sebagai satu “kismis” kerana ia tidak terikat kepada mana-mana struktur yang lebih besar.
• Bima Sakti bukan sekadar satu kismis—tetapi seluruh Local Group of Galaxies yang ia berada di dalamnya ialah satu kismis tunggal.
• Messier 87 (M87), yang terletak di tengah Kluster Virgo, mewakili satu “kismis” yang jauh lebih besar.
• Bullet Cluster, yang merupakan kumpulan beberapa kelompok galaksi yang masih dalam proses perlanggaran, juga harus dianggap sebagai satu kismis tunggal.

Namun, hanya galaksi yang benar-benar terpencil (seperti MGC+01-02-015) akan kekal sebagai individu yang berasingan. Bagi semua struktur lain, galaksi-galaksi di dalamnya masih akan bertembung dan bergabung dengan satu sama lain pada masa depan.

Apa yang Akan Berlaku dalam 100 Bilion Tahun Lagi?

Jika kita kembali melihat alam semesta selepas 100 bilion tahun, kita akan dapati bahawa semua perlanggaran ini telah selesai. Kumpulan galaksi dan kluster galaksi tidak lagi wujud sebagai struktur berasingan. Semua galaksi di dalamnya telah bergabung menjadi galaksi raksasa tunggal. Kini, barulah setiap galaksi raksasa ini boleh benar-benar dianggap sebagai satu “kismis” dalam doh yang terus mengembang.

Inilah takdir alam semesta kita yang sedang mengembang—struktur yang terikat secara graviti akan terus bergabung.