Model kosmologi Dentuman Besar bersandar pada dua gagasan kunci yang muncul di awal abad ke-20: Relativitas Umum dan Prinsip Kosmologis. Dengan mengasumsikan bahwa materi di alam semesta terdistribusi secara seragam dalam skala besar, kita bisa menggunakan Relativitas Umum untuk menghitung efek gravitasional yang berhubungan dengan materi tersebut. Karena materi merupakan bagian dari ruang-waktu dalam Relativitas Umum, melakukan hal ini sama saja dengan menghitung ruang-waktu dinamis itu sendiri. Begini ceritanya.

Mari kita bayangkan bahwa seluruh materi di alam semesta adalah homogen dan isotropik (Prinsip Kosmologis). Dengan demikian, dapat ditunjukkan bahwa distrorsi yang berhubungan pada ruang-waktu (karena efek gravitasional dari materi) hanya dapat memiliki tiga bentuk, seperti ditunjukkan pada gambar di sebelah kiri (kalau kurang jelas, silahkan klik pada gambar untuk memperbesar). Ia dapat membentuk kurva “postif” seperti permukaan sebuah bola dan terbatas seraya mengembang; ia dapat berbentuk kurva “negatif”, seperti pelana dan tak terbatas seraya mengembang; atau bisa juga berbentuk datar dan tak terbatas seraya mengembang sebagaimana konsep kita tentang ruang.

Gambaran diatas punya keterbatasan, yakni kita hanya bisa melukiskan kurvatur dua dimensi dari ruang yang sebenarnya tiga dimensi. Perlu dicatat bahwa di dalam alam semesta tertutup, kita dapat memulai perjalanan ke satu arah, dan apabila kita punya cukup waktu, kita akan kembali ke titik dimana perjalanan kita berawal; sebaliknya, dalam alam semesta tak-terbatas, kita tidak akan pernah kembali.

Sebelum kita bahas lebih jauh soal ketiga gambaran tentang alam semesta itu, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan:

• Karena alam semesta memiliki usia yang terbatas (sekitar 13,7 miliar tahun), berarti kita tidak dapat melihat objek yang jaraknya melebihi angka tersebut. Dalam kosmologi, jarak ini disebut sebagai horison. Model dentuman besar tidak berusaha untuk menjelaskan daerah ruang yang berada di luar horison kita—ruang-waktu bisa saja sangat berbeda disana.
• Mungkin saja alam semesta memiliki topologi global yang berbeda dengan yang digambarkan disini, walaupun masih memiliki kurvatur lokal yang sama. Contohnya, ia dapat berbentuk torus (donat). Ada beberapa cara untuk menguji gagasan ini, namun tidak akan berpengaruh pada kebanyakan bahasan kita selanjutnya.

Materi memainkan peranan sentral dalam kosmologi. Kerapatan rata-rata materi di alam semesta secara khusus menentukan geometri alam semesta itu sendiri (hingga batasan yang dijelaskan diatas). Apabila kerapatan materi kurang dari apa yang disebut kerapatan kritis (critical density), itu artinya alam semesta bersifat terbuka dan tak terbatas. Apabila kerapatan materi sama dengan kerapatan kritis, maka alam semesta bisa jadi datar namun masih mungkin tak-terbatas. Nilai dari kerapatan kritis ini sangat kecil: setara dengan 6 atom hidrogen per meter kubik. Untuk ukuran di Bumi, besaran ini sudah mendekati vakum! Satu pertanyaan kunci dalam kosmologi saat ini adalah: seberapakah besar kerapatan rata-rata materi di alam semesta? Sementara ini jawabannya masih belum kita ketahui, namun kelihatannya tidak akan berbeda jauh dari kerapatan kritis.

Kita bisa memanfaatkan hukum gravitasi dengan asumsi mengenai bagaimana materi terdistribusi. Langkah berikutnya adalah berurusan dengan dinamika alam semesta—bagaimana ruang dan materi di dalamnya berkembang seiring dengan berjalannya waktu. Rincian tentang hal ini tergantung pada informasi selanjutnya mengenai materi di alam semesta yakni kerapatan (massa per unit volume) dan tekanan (gaya yang menekan per unit area). Namun gambaran umum yang muncul kemudian menjelaskan bahwa alam semesta berawal dari volume yang sangat kecil, sebelum kemudian mengalami apa yang kita sebut peristiwa Dentuman Besar (Big Bang), yang juga menandai titik awal pengembangan alam semesta.

Dalam sebagian besar waktu pasca Dentuman Besar, tingkat pengembangan alam semesta telah mengalami perlambatan (decelerating), antara lain karena tarikan gravitasi materi itu sendiri. Nah, pertanyaan kunci mengenai kelanjutan nasib alam semesta adalah, apakah tarikan gravitasi akan cukup kuat untuk membalik pengembangan alam semesta sehingga menyebabkannya kembali menyusut dan akhirnya membentuk satu massa tunggal? Kenyataannya, hasil pengamatan terkini justeru menunjukkan bahwa pengembangan alam semesta mengalami percepatan (accelerating). Hal ini memperbesar kemungkinan bahwa alam semesta didominasi oleh materi ganjil yang memiliki tekanan negatif.

Gambaran disamping ini menunjukkan sejumlah kemungkinan skenario dari besaran relatif ruang-waktu (klik untuk memperbesar): kurva di bagian bawah (hijau) merepresentasikan alam semesta datar, dengan kerapatan kritis alam semesta dimana tingkat pengembangan terus melambat (kurva tersebut sebenarnya lebih datar daripada yang bisa digambarkan disini). Kurva di tengah (biru) menunjukkan alam semesta terbuka, dengan kerapatan rendah dimana pengembangan alam semesta melambat, namun masih tidak sebanyak kerapatan kritis, karena tarikan gravitasi masih belum cukup kuat. Kurva di bagian atas (merah) menunjukkan alam semesta dimana sebagian besar materi eksis dalam bentuk apa yang disebut sebagai “energi gelap” (dark energy) yang menyebabkan alam semesta mengembang semakin cepat. Bukti-bukti yang ditemukan sejauh ini menunjukkan bahwa alam semesta kita mengikuti kurva merah ini.

Sebelum cerita seputar pengembangan alam semesta ini kita lanjutkan, ada beberapa miskonsepsi mengenai Dentuman Besar dan pengembangan alam semesta yang perlu diluruskan terlebih dahulu:

• Dentuman Besar tidak terjadi pada satu titik dalam ruang sebagai sebuah “ledakan”. Pemikiran yang lebih tepat adalah bahwa ada kenampakan simultan dari ruang dimana-mana di alam semesta. Ingat bahwa daerah ruang didalam horison kita yang sekarang sesungguhnya di masa lampau tidak lebih besar dari sebuah titik. Namun demikian, apabila semua ruang, baik didalam maupun diluar horison sekarang adalah tak terbatas, maka ia dilahirkan tak terbatas pula. Apabila alam semesta tertutup dan terbatas, maka ia dilahirkan dengan volume nol dan tumbuh dari situ. Dalam kedua kasus tersebut, tidak dikenal adanya “pusat pengembangan”—titik dimana alam semesta mulai mengembang. Kalau kita analogikan sebagai bola, jari-jari (radius) bola bertumbuh seiring pengembangan alam semesta, tetapi semua titik di permukaan bola (alam semesta) menyusut satu sama lain dengan cara yang identik. Dalam analogi ini, bagian dalam dari bola tidak bisa dianggap sebagai bagian dari alam semesta.
• Secara definisi, alam semesta meliputi seluruh ruang dan waktu seperti yang kita tahu, jadi ia berada diluar cakupan model dentuman besar. Ini adalah jawaban dari pertanyaan dari arah mana alam semesta mengembang. Baik pada model semesta terbuka maupun tertutup, satu-satunya “batas” ruang-waktu terjadi pada saat dentuman besar (dan mungkin pada proses kebalikannya yang dikenal sebagai Big Crunch), sehingga secara logis, tidak penting (atau malahan tidak bijak) untuk mempertanyakan hal tersebut.
• Juga diluar cakupan model Dentuman Besar untuk menyatakan apa yang menyebabkan terjadinya peristiwa Dentuman Besar. Ada beberapa teori spekulatif mengenai topik ini, tapi tidak ada diantaranya yang yang cukup realistis dan bisa diuji dalam percobaan.
• Sampai di titik ini, satu-satunya asumsi yang bisa kita buat mengenai alam semesta adalah materi terdistribusi secara homogen dan isotropis dalam skala besar. Ada sejumlah parameter bebas dalam keluarga model Dentuman Besar yang harus ditetapkan melalui pengamatan atas alam semesta kita. Beberapa yang terpenting adalah: geometri alam semesta (apakah terbuka, datar, atau tertutup); tingkat pengembangan saat ini (konstanta Hubble); Keseluruhan tingkat pengembangan, baik di masa lalu maupun mendatang, yang ditentukan oleh kerapatan fraksional dari berbagai jenis materi di alam semesta. Perlu dicatat pula bahwa usia alam semesta saat ini kita ketahui dari mengikuti sejarah pengembangan dan tingkat pengembangannya.

Seperti yang kita catat diatas, geometri dan evolusi alam semesta ditentukan oleh kontribusi fraksional dari berbagai jenis materi. Karena baik kerapatan energi dan tekanan berkontribusi terhadap kekuatan gravitasi dalam Relativitas Umum, para kosmolog membagi tipe materi berdasarkan apa yang disebut sebagai “equation of state”, hubungan antara tekanan dan kerapatan energi. Klasifikasi dasar itu adalah sebagai berikut:

• Radiasi: tersusun dari partikel tak bermassa, atau hapir tak bermassa yang bergerak dengan kecepatan cahaya. Contoh yang kita kenal meliputi foton (cahaya) dan neutrino. Karakteristik khas dari materi ini adalam memiliki tekanan positif yang besar.
• Materi Baryonik: ini adalah “materi biasa” yang sebagian besarnya tersusun atas proton, neutron, dan elektron. Materi dalam bentuk ini secara esensial tidak memiliki tekanan yang berpengaruh secara kosmologis.
• Materi Gelap: Ini mengacu pada materi non-baryonik “eksotis” yang hanya memiliki interaksi lemah dengan materi biasa. Karena tidak ada materi semacam ini yang pernah diamati di laboratorium, maka eksistensinya hanya bisa diduga dengan alasan tertentu yang untungnya sudah pernah saya tulis disini. Materi dalam bentuk ini secara kosmologis juga tidak memiliki tekanan yang signifikan.
• Energi Gelap: Ini betul-betul merupakan bentuk materi yang ganjil, atau mungkin merupakan bagian dari kekosongan itu sendiri, yang dikenali dari tekanan negatif yang besar. Ini adalah satu-satunya bentuk materi yang bisa menyebabkan pengembangan alam semesta mengalami percepatan. Lebih jauh tentang energi gelap juga sudah pernah kita bahas disini.

Salah satu tantangan besar dalam kosmologi dewasa ini adalah untuk mengenali kerapatan relatif maupun total (energi per unit volume) dalam setiap bentuk materi itu, berhubung itu merupakan hal yang sangat esensial untuk memahami evolusi dan kelanjutan nasib alam semesta kita.