Garis waktu ledakan dahsyat

Ekstrapolasi pengembangan alam semesta seiring mundurnya waktu menggunakan relativitas umum menghasilkan kondisi masa jenis dan suhu alam semesta yang tak terhingga pada suatu waktu pada masa lalu.^[31] Singularitas ini mensinyalkan runtuhnya keberlakuan relativitas umum pada kondisi tersebut. Sedekat mana kita dapat berekstrapolasi menuju singularitas diperdebatkan, namun tidaklah lebih awal daripada masa Planck. Fase awal yang panas dan padat itu sendiri dirujuk sebagai "the Big Bang",^{[cat 2]} dan dianggap sebagai "kelahiran" alam semesta kita. Didasarkan pada pengukuran pengembangan menggunakan Supernova Tipe Ia, pengukuran fluktuasi temperatur pada latar gelombang mikro kosmis, dan pengukuran fungsi korelasi galaksi, alam semesta memiliki usia 13,73 ± 0.12 miliar tahun.^[32] Kecocokan hasil ketiga pengukuran independen ini dengan kuat mendukung model ΛCDM yang mendeskripsikan secara mendetail kandungan alam semesta.
Fase terawal ledakan dahsyat penuh dengan spekulasi. Model yang paling umumnya digunakan mengatakan bahwa alam semesta terisi secara homogen dan isotropis dengan rapatan energi yang sangat tinggi, tekanan dan temperatur yang sangat besar, dan dengan cepat mengembang dan mendingin. Kira-kira 10⁻³⁷ detik setelah pengembangan, transisi fase menyebabkan inflasi kosmis, yang sewaktu itu alam semesta mengembang secara eksponensial.^[33] Setelah inflasi berhenti, alam semesta terdiri dari plasma kuark-gluon beserta partikel-partikel elementer lainnya.^[34] Temperatur pada saat itu sangat tinggi sehingganya kecepatan gerak partikel mencapai kecepatan relativitas, dan produksi pasangan segala jenis partikel terus menerus diciptakan dan dihancurkan. Sampai dengan suatu waktu, reaksi yang tak diketahui yang disebut bariogenesis melanggar kekekalan jumlah barion dan menyebabkan jumlah kuark dan lepton lebih banyak daripada antikuark dan antilepton sebesar satu per 30 juta. Ini menyebabkan dominasi materi melebihi antimateri pada alam semesta.^[35]
Ukuran alam semesta terus membesar dan temperatur alam semesta terus menurun, sehingga energi tiap-tiap partikel terus menurun. Transisi fase perusakan simetri membuat gaya-gaya dasar fisika dan parameter-parameter partikel elementer berada dalam kondisi yang sama seperti sekarang.^[36] Setelah kira-kira 10⁻¹¹ detik, gambaran ledakan dahsyat menjadi lebih jelas oleh karena energi partikel telah menurun mencapai energi yang bisa dicapai oleh eksperimen fisika partikel. Pada sekitar 10⁻⁶ detik, kuark dan gluon bergabung membentuk barion seperti proton dan neutron. Kuark yang sedikit lebih banyak daripada antikuark membuat barion sedikit lebih banyak daripada antibarion. Temperatur pada saat ini tidak lagi cukup tinggi untuk menghasilkan pasangan proton-antiproton, sehingga yang selanjutnya terjadi adalah pemusnahan massal, menyisakan hanya satu dari 10¹⁰ proton dan neutron terdahulu. Setelah pemusnahan ini, proton, neutron, dan elektron yang tersisa tidak lagi bergerak secara relativistik dan rapatan energi alam semesta didominasi oleh foton (dengan sebagian kecil berasal dari neutrino).
Beberapa menit semasa pengembangan, ketika temperatur sekitar satu miliar kelvin dan rapatan alam semesta sama dengan rapatan udara, neutron bergabung dengan proton dan membentuk inti atom deuterium dan helium dalam suatu proses yang dikenal sebagai nukleosintesis ledakan dahsyat.^[37] Kebanyakan proton masih tidak terikat sebagai inti hidrogen. Seiring dengan mendinginnya alam semesta, rapatan energi massa rihat materi secara gravitasional mendominasi. Setelah 379.000 tahun, elektron dan inti atom bergabung menjadi atom (kebanyakan berupa hidrogen) dan radiasi materi mulai berhenti. Sisa-sisa radiasi ini yang terus bergerak melewati ruang semesta dikenal sebagai radiasi latar gelombang mikro kosmis.^[38]

Medan Ultra Dalam Hubble memperlihatkan galaksi-galaksi dari zaman dahulu ketika alam semesta masih muda, lebih padat, dan lebih hangat menurut teori ledakan dahsyat.

Selama periode yang sangat panjang, daerah-daerah alam semesta yang sedikit lebih rapat mulai menarik materi-materi sekitarnya secara gravitasional, membentuk awan gas, bintang, galaksi, dan objek-objek astronomi lainnya yang terpantau sekarang. Detail proses ini bergantung pada banyaknya dan jenis materi alam semesta. Terdapat tiga jenis materi yang memungkinkan, yakni materi gelap dingin, materi gelap panas, dan materi barionik. Pengukuran terbaik yang didapatkan dari WMAP menunjukkan bahwa bentuk materi yang dominan dalam alam semesta ini adalah materi gelap dingin. Dua jenis materi lainnya hanya menduduki kurang dari 18% materi alam semesta.^[32]
Bukti-bukti independen yang berasal dari supernova tipe Ia dan radiasi latar belakang mikrogelombang kosmis menyiratkan bahwa alam semesta sekarang didominasi oleh sejenis bentuk energi misterius yang disebut sebagai energi gelap, yang tampaknya menembus semua ruang. Pengamatan ini mensugestikan bahwa 72% total rapatan energi alam semesta sekarang berbentuk energi gelap. Ketika alam semesta masih sangat muda, kemungkinan besar ia telah disusupi oleh energi gelap, namun dalam ruang yang sempit dan saling berdekatan. Pada saat itu, gravitasi mendominasi dan secara perlahan memperlambat pengembangan alam semesta. Namun, pada akhirnya, setelah beberapa miliar tahun pengembangan, energi gelap yang semakin berlimpah menyebabkan pengembangan alam semesta mulai secara perlahan semakin cepat.
Segala evolusi kosmis yang terjadi setelah periode inflasioner ini dapat secara ketat dideskripsikan dan dimodelkan oleh model ΛCDM, yang menggunakan kerangka mekanika kuantum dan relativitas umum Einstein yang independen. Sebagaimana yang telah disebutkan, tiada model yang dapat menjelaskan kejadian sebelum 10⁻¹⁵ detik setelah kejadian ledakan dahsyat. Teori kuantum gravitasi diperlukan untuk mengatasi batasan ini.

[sunting] Asumsi-asumsi dasar

Teori ledakan dahsyat bergantung kepada dua asumsi utama: universalitas hukum fisika dan prinsip kosmologi. Prinsip kosmologi menyatakan bahwa dalam skala yang besar alam semesta bersifat homogen dan isotropis.
Kedua asumsi dasar ini awalnya dianggap sebagai postulat, namun beberapa usaha telah dilakukan untuk menguji keduanya. Sebagai contohnya, asumsi bahwa hukum fisika berlaku secara universal diuji melalui pengamatan ilmiah yang menunjukkan bahwa penyimpangan terbesar yang mungkin terjadi pada tetapan struktur halus sepanjang usia alam semesta berada dalam batasan 10⁻⁵.^[39]
Apabila alam semesta tampak isotropis sebagaimana yang terpantau dari bumi, prinsip komologis dapat diturunkan dari prinsip Kopernikus yang lebih sederhana. Prinsip ini menyatakan bahwa bumi, maupun titik pengamatan manapun, bukanlah posisi pusat yang khusus ataupun penting. Sampai dengan sekarang, prinsip kosmologis telah berhasil dikonfirmasikan melalui pengamatan pada radiasi latar mikrogelombang kosmis.

[sunting] Metrik FLRW

Artikel utama untuk bagian ini adalah: Metrik Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker

Relativitas umum mendeskripsikan ruang-waktu menggunakan metrik yang menjelaskan jarak kedua titik yang terpisah satu sama lainnya. Titik ini, yang dapat berupa galaksi, bintang, ataupun objek lainnya, ditunjukkan menggunakan peta koordinat yang berada di keseluruhan ruang waktu. Prinsip kosmologis menyiratkan bahwa metrik ini haruslah homogen dan isotropis dalam skala yang besar. Satu-satunya metrik yang memenuhi persyaratan ini adalah metrik Riedmann–Lemaître–Robertson–Walker (metrik FLRW). Metrik ini mengandung faktor skala yang menentukan seberapa besar alam semesta berubah seiring dengan berjalannya waktu. Hal ini memungkinkan kita untuk membuat sistem koordinat yang dapat dipilih dengan praktis, yaitu koordinat segerak (comoving coordinate). Dalam sistem koordinat ini, kisi koordinat berekspansi bersamaan dengan alam semesta yang mengembang, sehingga objek yang bergerak karena pengembangan alam semesta akan berada pada titik yang sama dalam sistem koordinat ini. Walaupun jarak koordinat (jarak segerak) kedua titik tetap konstan, jarak fisik antara dua titik akan meningkat sesuai dengan faktor skala alam semesta.^[40]
Ledakan Dahsyat bukanlah kejadian penghamburan materi ke seluruh ruang semesta yang kosong. Melainkan ruang tersebut berekspansi seiring dengan waktu dan meningkatkan jarak fisik antara dua titik yang bersegerak. Karena metrik FLRW mengasumsikan distribusi massa dan energi yang merata, metrik ini hanya berlaku pada skala yang besar.

[sunting] Horizon

Artikel utama untuk bagian ini adalah: Horizon kosmologis

Salah satu ciri penting pada ruang waktu Ledakan Dahsyat adalah keberadaan horizon. Oleh karena alam semesta memiliki usia yang terbatas, dan cahaya bergerak dengan kecepatan yang terbatas pula, maka akan terdapat berbagai kejadian pada masa lalu yang cahayanya belum mencapai kita. Hal ini akan membatasi kita dalam mengamati objek terjauh alam semesta (horizon masa lalu). Sebaliknya, karena ruang itu sendiri berekspansi dan objek yang semakin jauh akan menjauh semakin cepat, cahaya yang dipancarkan oleh kita tidak akan pernah mencapai objek jauh tersebut. Batasan ini disebut sebagai horizon masa depan, yang membatasi kejadian-kejadian pada masa depan yang kita dapat pengaruhi. Keberadaan dua horizon ini bergantung pada penjelasan detail model FLRW mengenai alam semesta kita. Pemahaman kita mengenai alam semesta pada waktu-waktu terawalnya menyiratkan terdapatnya horizon masa lalu, walaupun pandangan kita juga akan dibatasi oleh buramnya alam semesta pada waktu-waktu terawalnya. Oleh karena itu, kita tidak dapat memandang masa lalu lebih jauh daripada yang kita dapat pandang sekarang, walaupun horizon masa lalu akan menyusut dalam ruang. Jika pengembangan akan semesta terus berakselerasi, maka akan terdapat pula horizon masa depan..^[