Inti & atombagaimana latar belakang gelombang mikro kosmik bermula

Latar gelombang mikro kosmik adalah cahaya susulan Big Bang. Ia terbentuk sekitar 380.000 tahun setelah Big Bang, ketika elektron ditangkap inti, alam semesta menjadi transparan, dan cahaya pertama memulai perjalanannya ke masa depan. Cahaya itu masih bisa diukur hingga hari ini. Sebelumnya, pada menit ke-3, sekitar 25% massa telah menjadi helium, dan resep unsur teringan sudah dipastikan pada menit ke-20.

Era ini berlangsung dari 3 menit hingga 150 juta tahun dan punya tiga bagian: nukleosintesis, yang membuat unsur teringan; rekombinasi dan transparansi, saat cahaya pertama kali melaju bebas; dan terakhir zaman gelap yang panjang, ketika alam semesta tidak punya bintang dan hanya hidrogen netral yang mendingin.

Enam peristiwa

• 3 menit · Nukleosintesis Big Bang: Sekitar 25% massa menjadi helium.
• 20 menit · Pembentukan litium-7: Resep unsur teringan dipastikan. Unsur baru harus menunggu bintang.
• 47.000 tahun · Dominasi materi: Kerapatan materi melampaui kerapatan radiasi, dan materi lebih berat daripada cahaya dan radiasi.
• 380.000 tahun · Rekombinasi: Elektron ditangkap inti.
• 380.000 tahun · Latar gelombang mikro kosmik: Alam semesta menjadi transparan dan cahaya pertama melaju ke masa depan, seperti kabut tebal yang tiba-tiba terangkat.
• 380.000 tahun – 150 juta tahun · Zaman gelap: Tidak ada bintang, hanya hidrogen netral yang mendingin.

Resep unsur ringan

Ralph Alpher dan George Gamow menghitung bagaimana unsur ringan terbentuk dalam Big Bang, dan nama Hans Bethe ditambahkan untuk membuat lelucon "αβγ". Makalahnya berjudul "The origin of chemical elements" (Alpher, Bethe dan Gamow, Physical Review, 1948). Dibandingkan dengan garis waktu di atas, helium sudah melimpah pada menit ke-3 dan litium-7 muncul pada menit ke-20, yang memastikan resep unsur teringan.

Cahaya susulan, ditemukan secara tak sengaja oleh dua orang

Dua peneliti Bell Labs tidak bisa menyingkirkan derau pada antena mereka. Akhirnya mereka sadar itu cahaya susulan Big Bang, dan meraih Hadiah Nobel 1978. Makalah mereka berjudul sederhana, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s" (Penzias dan Wilson, The Astrophysical Journal, 1965). Kebetulan, tim Princeton sedang bersiap mencari radiasi persis ini dan didahului tetangga mereka. Mereka menulis penjelasan teoretisnya, berjudul "Cosmic black-body radiation" (Dicke, Peebles, Roll dan Wilkinson, The Astrophysical Journal, 1965).

Mengukur cahaya susulan lebih presisi

Spektrum yang diukur COBE cocok hampir sempurna dengan kurva benda hitam teoretis, memberi dukungan yang menentukan bagi teori Big Bang. Makalahnya adalah "A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite" (Mather dkk., The Astrophysical Journal Letters, 1990). Dua tahun kemudian, data dari satelit yang sama menunjukkan variasi suhu sebesar satu bagian dalam 100.000 pada radiasi latar. Perbedaan kecil ini adalah benih galaksi-galaksi kemudian. Makalahnya berjudul "Structure in the COBE Differential Microwave Radiometer first-year maps" (Smoot dkk., The Astrophysical Journal Letters, 1992). Gelombang suara di alam semesta awal juga meninggalkan skala khas sekitar 500 juta tahun cahaya dalam sebaran galaksi, yang menjadi penggaris untuk mengukur alam semesta. Makalahnya adalah "Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies" (Eisenstein dkk., The Astrophysical Journal, 2005). Terakhir, satelit Planck mengukur riak halus cahaya susulan itu: materi biasa menyusun sekitar 5% dari total energi alam semesta, materi gelap sekitar 27%, dan sisanya energi gelap (Kolaborasi Planck, Astronomy & Astrophysics, 2020).

Bagaimana "melihat" zaman gelap

Tanpa bintang tidak ada cahaya untuk melihat, jadi peneliti mengandalkan hidrogen. Manusia pertama kali mendeteksi emisi radio 21 cm dari hidrogen netral, yang memungkinkan "melihat" gas di Bima Sakti yang selain itu tak terlihat. Judul makalahnya sederhana saja, "Observation of a line in the galactic radio spectrum" (Ewen dan Purcell, Nature, 1951). Eksperimen EDGES melaporkan sinyal serapan 21 cm yang ditinggalkan generasi bintang pertama, dalam makalah berjudul "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum". Hasilnya masih diperdebatkan dan menunggu verifikasi independen (Bowman dkk., Nature, 2018).

Apa isi atom

Partikel alfa sesekali dipantulkan kembali oleh lembaran emas, dan dari sini Ernest Rutherford menyimpulkan bahwa massa atom terkonsentrasi di inti yang sangat kecil (Rutherford, Philosophical Magazine, 1911). Makalahnya berjudul "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom".

Cara game menampilkannya

Dalam game, rentang waktu era Inti dan atom adalah "3 menit – 150 juta tahun" dan sumber dayanya adalah atom. Generatornya adalah Penangkapan proton, Fusi deuteron, Sintesis helium-4, dan Penangkapan elektron, sesuai dengan proses dari nukleosintesis hingga terbentuknya atom.