Nukleosintesis pada Masa Awal Kosmos

Istilah nukleosintesis merujuk pada pembentukan elemen yang lebih berat, inti atom dengan lebih banyak proton dan neutron, dari fusi (penggabungan) elemen yang lebih ringan. Teori Big Bang (dentuman besar) memprediksi bahwa alam semesta di masa awal adalah tempat yang sangat panas. Satu detik setelah dentuman besar, temperatur alam semesta berkisar 10 miliar derajat Kelvin, dan sebagian besar tersusun atas neutron, proton, elektron, anti-elektron (positron), foton, dan neutrino. Saat alam semesta mendingin, neutron dapat meluruh kedalam proton dan elektron, atau bergabung bersama proton untuk membentuk deuterium (isotop hidrogen). Dalam tiga menit pertama usia alam semesta, sebagian besar deuterium bergabung untuk membentuk helium. Sejumlah lithium juga terbentuk pada waktu itu. Proses pembentukan elemen ringan pada masa awal terbentuknya alam semesta ini disebut “Big Bang nucleosynthesis” (BBN).

Kelimpahan deuterium, helium, dan lithium yang diprediksi, bergantung pada kerapatan materi biasa di masa awal alam semesta, seperti ditunjukkan oleh gambar di sebelah kiri (klik untuk memperbesar). Dari sini terlihat bahwa produksi helium relatif kurang sensitif terhadap kelimpahan materi biasa, diatas ambang tertentu. Secara umum, diperkirakan bahwa sekitar 24% dari materi biasa di alam semesta terbentuk dari helium pada proses Big Bang. Angka ini sesuai dengan hasil observasi dan merupakan suatu pencapaian penting dari teori Big Bang.

Namun demikian, model dentuman besar dapat diuji lebih jauh. Untuk memprediksi pembentukan elemen ringan lainnya sesuai dengan hasil observasi, kerapatan rata-rata dari materi biasa semestinya sekitar 4% dari nilai kerapatan kritis (mengenai nilai kerapatan kritis, silahkan baca kembali artikel berikut). Satelit WMAP diluncurkan untuk melakukan pengukuran secara langsung terhadap kerapatan materi biasa di alam semesta, dan membandingkannya dengan prediksi nukleosintesis Big Bang. Hasil pengamatan ini nantinya sangat krusial terhadap model Big Bang. Apabila hasilnya tidak sesuai dengan prediksi, maka hal itu dapat disebabkan oleh: (1) Kesalahan (error) pada data, (2) Pemahaman yang kurang menyeluruh terhadap proses nukleosintesis Big Bang, (3) Kesalahan pengertian mengenai mekanisme yang menghasilkan fluktuasi radiasi latar kosmis, atau (4) Adanya masalah yang lebih fundamental pada teori Big Bang.

Elemen yang lebih berat dari lithium dihasilkan didalam bintang. Seperti sudah berkali-kali dibahas disini, pada tahapan akhir evolusi bintang, bintang yang masif membakar helium menjadi karbon, oksigen, silikon, sulfur, dan besi. Elemen yang lebih berat dari besi diproduksi dalam dua cara: dalam lapisan terluar yang melingkupi bintang super-raksasa, dan dari ledakan supernova. Segala bentuk kehidupan di muka Bumi yang berbasis karbon secara harafiah tersusun dari debu bintang.