'Solar Twins' Mengungkapkan Konsistensi Alam Semesta

Fisikawan mempelajari cahaya bintang untuk menemukan apakah konstanta struktur halus, yang nilainya memungkinkan alam semesta kita, benar-benar sama di mana-mana.

Teori fisika standar, yang dikenal sebagai Model Standar, menganggap konstanta ini harus sama di mana-mana—sama seperti konstanta seperti kecepatan cahaya dalam ruang hampa atau massa elektron. Dengan mengukur konstanta struktur halus di banyak pengaturan, Murphy menantang asumsi ini. Jika dia menemukan perbedaan, itu bisa membantu peneliti mengubah Model Standar. Mereka sudah tahu Model Standar tidak lengkap, karena tidak menjelaskan keberadaan materi gelap .

Untuk memahami konstanta ini, pikirkan gaya elektromagnetik yang dianalogikan dengan gaya gravitasi, kata Murphy. Kekuatan medan gravitasi suatu benda bergantung pada massanya. Tapi itu juga tergantung pada angka yang dikenal sebagai G, konstanta gravitasi, yang tetap sama terlepas dari objeknya. Hukum matematika serupa menentukan gaya elektromagnetik antara dua benda bermuatan. Keduanya menarik atau menolak satu sama lain berdasarkan muatan listrik dan jarak mereka satu sama lain. Tetapi gaya itu juga bergantung pada angka—konstanta struktur halus—yang tetap sama terlepas dari objeknya.

 Semua eksperimen sejauh ini telah menunjukkan bahwa di alam semesta kita, konstanta itu sama dengan 0,0072973525693, dengan ketidakpastian kurang dari satu bagian per miliar. Tetapi fisikawan telah lama menganggap angka ini sebagai misteri karena tampaknya benar-benar acak. Tidak ada bagian lain dari teori fisika yang menjelaskan mengapa nilai ini, dan dengan demikian, mengapa medan elektromagnetik adalah kekuatannya. 

Terlepas dari kata "konstanta" dalam namanya, fisikawan juga tidak tahu apakah konstanta struktur halus memiliki nilai yang sama di mana pun di alam semesta sepanjang waktu. Fisikawan Richard Feynman terkenal menggambarkannya sebagai "angka ajaib yang datang kepada kita tanpa pemahaman." Murphy mengatakannya seperti ini: "Kami tidak begitu mengerti dari mana angka-angka ini berasal, meskipun angka-angka itu ada di belakang buku teks."

Para peneliti mempelajari konstanta struktur halus karena menawarkan "jalan pintas yang sangat bersih" ke fisika baru, kata ahli astrofisika Luke Barnes dari Western Sydney University, yang tidak terlibat dalam pekerjaan tersebut. Misalnya, beberapa bentuk materi gelap yang dihipotesiskan menyebabkan variasi nilainya. “Nilai konstanta dasar adalah misteri, dan kami juga tidak tahu banyak tentang materi gelap,” kata Murphy. “Sangat mungkin bahwa kedua fenomena ini dihubungkan oleh satu teori dasar yang belum kita ketahui.”

Tim Murphy mempelajari 17 bintang dalam jarak 160 tahun cahaya dari tata surya kita. Bintang-bintang ini menghasilkan cahaya yang dapat diamati dari banyak warna dengan menggabungkan atom-atom di intinya. Cahaya itu bergerak melalui atmosfer bintang karena atom-atomnya menyerap warna atau panjang gelombang tertentu. Dengan menggunakan data teleskop, tim Murphy mengidentifikasi panjang gelombang yang hilang, sesuai dengan cahaya yang diserap oleh natrium, kalsium, besi, dan elemen lain di atmosfer masing-masing bintang. Bintang-bintang harus kehilangan panjang gelombang cahaya yang sama persis. Perbedaan apa pun dapat menunjukkan variasi dalam konstanta struktur halus, yang dapat menjadi indikasi materi gelap atau fisika lain yang tidak diketahui. 

Eksperimen Murphy menunjukkan bahwa konstanta terlihat… cukup konstan. Pengukuran astronomi sebelumnya, yang berfokus pada galaksi-galaksi jauh, menghasilkan presisi dalam bagian per sejuta. Dalam studi Murphy, konstanta struktur halus setuju dengan nilai tersebut menjadi sekitar 50 bagian per miliar. Hasil mereka melengkapi pengukuran laboratorium dari konstanta menggunakan jam atom yang mencapai presisi di bagian per kuintiliun (10 18 ), tetapi itu terbatas pada pengaturan duniawi.

Mengingat keterbatasan alat buatan manusia, Murphy tidak dapat mengatakan bahwa konstanta struktur halus adalah konstanta definitif . Tetap saja, "itu membatasi seberapa besar variasi yang benar-benar ada dalam konstanta struktur halus," katanya. “Jika Anda memiliki gagasan yang berada di luar Model Standar fisika partikel, maka mereka harus mematuhi batasan ini.” 

Mengapa mengukur angka ini dengan susah payah? Karena keberadaan alam semesta tampaknya bergantung padanya. Nilai konstanta struktur halus menentukan daya tarik antara elektron bermuatan negatif dan inti atom positifnya. Ambil atom paling sederhana, hidrogen, yang merupakan satu elektron yang terikat pada satu proton. Jika konstanta memiliki nilai yang lebih besar, elektron dan proton akan lebih dekat satu sama lain. Jika nilai ini lebih kecil, elektron dan proton akan terpisah lebih jauh. Ubah konstanta struktur halus, dan semua atom yang kita ketahui akan berbeda, atau bahkan mungkin tidak terbentuk. 

Sebagai contoh, jika konstanta struktur halus dua kali lipat nilai arusnya, proton yang bermuatan positif akan jauh lebih berat, sedangkan massa neutron akan lebih sedikit berubah, kata Barnes. Di alam semesta kita, neutron bebas akan meluruh menjadi proton, elektron, dan antineutrino dalam waktu sekitar 15 menit. Akibatnya, "kita punya banyak proton berkeliaran," kata Barnes. “Itu hidrogen. Dan ketika ia runtuh karena gravitasinya sendiri, ia membentuk bintang.” 

Tapi di alam semesta lain, di mana proton lebih berat daripada neutron, neutron tidak akan mampu membusuk menjadi proton. "Tiba-tiba, Anda memiliki alam semesta di mana terdapat [lebih sedikit] hidrogen, dan mungkin juga tidak ada bintang, hanya dengan perubahan yang relatif kecil," katanya.

Menulis dengan rekan penulis Geraint Lewis di A Fortunate Universe , Barnes menyamakan alam semesta dengan kue. “Anda bisa sedikit memvariasikan jumlah masing-masing bahan dan berakhir dengan kue yang enak,” tulis mereka. "Tapi menyimpang terlalu jauh dan kamu mungkin akan membuat kekacauan yang tidak bisa dimakan." Konstanta struktur halus adalah bahan yang nilainya tampaknya berada dalam kisaran sempit yang tepat untuk menghasilkan alam semesta yang mampu menopang materi dan kehidupan yang stabil.

Beberapa fisikawan berpendapat bahwa nilai konstanta yang tampaknya berubah-ubah menyiratkan adanya banyak alam semesta, masing-masing dengan konstanta struktur halus yang berbeda. Alasannya mirip dengan mengapa Bumi memiliki kondisi untuk menopang kehidupan, kata Barnes. "Bagaimana Bumi bisa berada pada jarak yang tepat dari matahari untuk memiliki air cair?" dia berkata. “Jawabannya sepertinya: Ada banyak planet di luar sana.” Alam semesta kita mungkin memiliki konstanta struktur halus yang tepat untuk materi stabil karena ada banyak alam semesta di luar sana. 

Barnes berpendapat bahwa hipotesis tentang multiverse patut ditelusuri, tetapi di masa lalu, fisikawan kesulitan mengembangkan model yang cukup rumit, atau yang memprediksi nilai yang tepat untuk konstanta dasar alam semesta kita.

Ke-17 bintang dalam studi Murphy memberikan hasil yang konsisten dengan temuan sebelumnya. Tetapi pengukuran ini jauh dari universal, karena bintang-bintang ini relatif dekat dan ada begitu banyak jenis lainnya. Sekarang, Murphy telah mengarahkan pandangannya untuk menganalisis lebih banyak dari mereka. “Kami ingin melangkah lebih jauh sekarang dan menggunakan teknik yang sama,” katanya. Dan itu mungkin menjadi tantangan untuk mencoba menjabarkan konstanta universal. Untuk membuktikan bahwa itu benar-benar universal, Anda harus mencari di mana-mana.