Langit malam kelihatan gelap kepada mata manusia, tetapi alam semesta sebenarnya tidak gelap pada semua panjang gelombang. Jika kita mempunyai mata yang peka terhadap gelombang mikro, kita akan mengesan cahaya latar yang datang hampir dari setiap arah.
Cahaya ini dinamakan sinaran latar gelombang mikro kosmik, atau CMB. Ia bukan cahaya daripada letupan tunggal di suatu tempat jauh. CMB ialah sinaran yang memenuhi alam semesta dan membawa maklumat tentang keadaan kosmos ketika usianya baru kira-kira 380,000 tahun.
Ketika alam semesta seperti kabus
Pada zaman awal, alam semesta jauh lebih panas dan tumpat daripada sekarang. Bahan biasa wujud sebagai plasma yang mengandungi proton dan elektron bebas, bersama sejumlah besar foton. Elektron bebas berinteraksi kuat dengan foton, maka foton tidak dapat bergerak jauh dalam satu garis lurus sebelum berinteraksi lagi. Dalam pengertian ini, alam semesta awal legap kepada cahaya, seolah-olah kita cuba melihat melalui kabus yang sangat tebal.
Analogi kabus mempunyai batasan. Kabus biasa terdiri daripada titisan air yang menyerakkan cahaya, sedangkan kelegapan alam semesta awal terutama melibatkan interaksi foton dengan elektron bebas. Kedua-duanya hanya serupa dari segi cahaya sukar bergerak terus ke pemerhati.
Bagaimana alam semesta menjadi telus?
Alam semesta mengembang dan menyejuk. Selepas kira-kira 380,000 tahun, suhunya telah turun kepada sekitar 3,000 kelvin. Pada keadaan ini, elektron dapat bergabung dengan nukleus, terutamanya proton, lalu membentuk atom hidrogen neutral dengan lebih stabil. Zaman ini lazimnya dikaitkan dengan proses yang dinamakan rekombinasi. Apabila bilangan elektron bebas merosot dengan banyak, foton tidak lagi kerap diserakkan seperti sebelumnya, lalu alam semesta menjadi telus dan cahaya dapat bergerak merentasi ruang untuk jarak yang sangat jauh.
Namun, tidak tepat untuk membayangkan bahawa semua atom terbentuk serentak pada satu detik atau bahawa setiap foton dilepaskan dari satu permukaan fizikal seperti dinding. Peralihan itu berlaku sepanjang suatu tempoh. Istilah permukaan hamburan terakhir digunakan bagi kawasan dalam ruang dan masa tempat foton CMB terakhir kali berinteraksi dengan jirim sebelum bergerak bebas menuju kita. Cahaya itulah yang kini kita ukur sebagai CMB.
Mengapa cahaya panas itu kini menjadi gelombang mikro?
Ketika foton CMB mula bergerak bebas, sinaran tersebut berkaitan dengan suhu jirim sekitar 3,000 K. Jika begitu, mengapa kita sekarang mengukurnya pada hanya sekitar 2.7 K? Jawapannya bukan kerana foton “kehabisan tenaga” akibat perjalanan jauh seperti bateri yang semakin lemah.
Sepanjang berbilion tahun, alam semesta mengembang. Apabila ruang mengembang, panjang gelombang cahaya yang merambat melaluinya turut diregangkan, lalu panjang gelombang menjadi lebih panjang dan tenaga setiap foton menjadi lebih rendah. Fenomena ini ialah anjakan merah kosmologi. Akibatnya, sinaran yang pernah dikaitkan dengan suhu sekitar 3,000 K kini mempunyai spektrum yang sepadan dengan jasad hitam pada kira-kira 2.725 K, hanya sedikit melebihi sifar mutlak. Inilah sebabnya kita mengesannya terutama pada panjang gelombang gelombang mikro hari ini.
Mengapa CMB datang dari semua arah?
Apabila teleskop mengesan CMB ke satu arah, ia menerima foton yang datang daripada kawasan sangat jauh pada permukaan hamburan terakhir. Apabila teleskop diarahkan ke arah bertentangan, ia menerima foton daripada kawasan lain. Oleh sebab pemerhati berada di dalam alam semesta, permukaan hamburan terakhir yang dapat kita lihat mengelilingi kita dalam semua arah.
Ini tidak bermaksud Bumi berada di pusat alam semesta. Pemerhati di galaksi lain juga akan dikelilingi oleh permukaan hamburan terakhir mereka sendiri, dengan syarat kosmologi standard dan kedudukan pemerhatian yang sesuai. CMB juga bukan cahaya yang sedang datang dari “tepi alam semesta”. Ia ialah batas sejauh mana kita boleh melihat menggunakan cahaya elektromagnet biasa ke zaman awal, kerana alam semesta sebelum rekombinasi bersifat legap.
Hampir seragam, tetapi bukan seragam sempurna
Suhu CMB hampir sama ke semua arah, namun “hampir” ialah perkataan penting. Selepas beberapa kesan besar seperti gerakan pemerhati diperhitungkan, terdapat anisotropi, iaitu variasi suhu yang amat kecil merentasi langit. NASA menerangkan turun naik intrinsik CMB pada skala sekitar satu bahagian dalam 100,000.
Peta CMB daripada misi seperti COBE, WMAP dan Planck sering ditunjukkan dengan tompok merah dan biru yang sangat jelas. Perbezaan suhu yang sebenarnya sangat kecil itu dipaparkan menggunakan skala warna yang sengaja ditingkatkan kontrasnya supaya variasi suhu lebih mudah dilihat. Ia bukan gambar alam semesta awal yang mempunyai kawasan merah panas dan biru sejuk seperti peta cuaca biasa. Perbezaan kecil itu amat bernilai kerana ia berkaitan dengan sedikit perbezaan ketumpatan dalam alam semesta awal. Di bawah pengaruh graviti selama berbilion tahun, ketidaksamaan kecil ini berkaitan dengan pembentukan struktur berskala besar yang akhirnya menghasilkan galaksi dan gugusan galaksi.
CMB bukan gambar saat Big Bang berlaku
Ungkapan seperti “gambar bayi alam semesta” berguna tetapi mempunyai batas. CMB bukan cahaya daripada detik pertama alam semesta, kerana cahaya elektromagnet tidak dapat bergerak bebas melalui plasma awal yang legap. Apa yang kita lihat ialah cahaya dari zaman apabila alam semesta menjadi cukup telus, kira-kira 380,000 tahun selepas permulaan pengembangan panas yang diterangkan oleh model kosmologi standard.
Kita juga tidak melihat satu foton yang sama “menunggu” sejak dahulu. Foton CMB sentiasa bergerak, dan foton yang sampai kepada teleskop hari ini ialah foton yang telah merentasi ruang sejak zaman hamburan terakhir.
Bagaimanakah kita tahu tentang CMB?
Mengapakah cahaya dapat bergerak jauh dengan lebih bebas selepas zaman rekombinasi?