Selama beberapa dekade terakhir, para ilmuwan mencurigai bahwa sebagian besar materi di alam semesta bukanlah materi biasa seperti yang kita kenal di bumi—bukan bintang, planet, gas, atau debu. Materi ini tidak pernah memancarkan atau menyerap cahaya, sehingga tidak dapat dideteksi dengan teleskop biasa. Namun dari cara galaksi berputar dan bagaimana struktur besar alam semesta terbentuk, para peneliti yakin bahwa sesuatu yang tak terlihat itu ada. Sesuatu inilah yang kita sebut materi gelap atau dark matter, yang diperkirakan membentuk sekitar 85% dari semua massa di alam semesta.
Baru-baru ini, sekelompok peneliti dari Dartmouth College mengajukan sebuah teori baru yang berani tentang bagaimana materi gelap pertama kali terbentuk di alam semesta. Teori ini mencoba menjelaskan momen paling awal dalam sejarah kosmik—ketika partikel-partikel sangat cepat dan hampir tanpa massa tiba-tiba menjadi berat dan lambat, lalu berubah menjadi materi gelap yang kita kenal sekarang. Ide ini dikembangkan oleh Profesor Robert Caldwell dan mahasiswa senior Guanming Liang ’25 dan dipublikasikan dalam jurnal ilmiah Physical Review Letters.
Apa itu Materi Gelap dan Mengapa Kita Membutuhkannya?
Sebelum kita memahami teori baru ini, penting untuk mengetahui apa itu materi gelap dan mengapa ilmuwan begitu tertarik mempelajarinya. Materi gelap bukanlah partikel yang “gelap” karena warnanya, tetapi karena ia tidak berinteraksi dengan cahaya—ia tidak memancarkan, memantulkan, atau menyerap cahaya sama sekali. Itulah sebabnya kita tidak bisa melihatnya langsung. Para ilmuwan menduga materi gelap ada karena efek gravitasinya. Misalnya, bintang-bintang di bagian luar galaksi tampak bergerak begitu cepat seolah ada massa tak terlihat yang membuatnya tertarik oleh gravitasi. Struktur besar seperti gugusan galaksi juga tampak terbentuk dengan cara yang hanya bisa dijelaskan jika ada massa besar yang tak terlihat.
Baca juga: Menjelajahi “Dunia Gelap”: Manfaat Mempelajari Dark Matter
Dalam kosmologi standar, materi gelap biasanya dianggap terdiri dari partikel-partikel berat yang bergerak lambat setelah Big Bang. Jenis ini sering disebut sebagai cold dark matter atau materi gelap “dingin”—di mana istilah “dingin” berarti partikel-partikelnya tidak bergerak cepat seperti cahaya, melainkan lebih lambat dan padat. Teori ini menjadi bagian penting dari model standar alam semesta karena bisa menjelaskan bagaimana struktur besar seperti galaksi dan gugus galaksi terbentuk seiring waktu.
Namun meskipun model ini efektif dalam menjelaskan banyak pengamatan, identitas sebenarnya dari partikel materi gelap tetap menjadi misteri besar. Sampai sekarang, tidak satu pun partikel materi gelap berhasil dideteksi langsung atau diproduksi di laboratorium. Itulah sebabnya para ilmuwan terus mencari teori dan data baru yang bisa memberikan petunjuk lebih jelas.
Teori Baru: Dari Partikel Tanpa Massa ke Partikel Berat
Dalam studi terbaru dari Dartmouth ini, Caldwell dan Liang mengajukan gagasan bahwa materi gelap tidak selalu berwujud sebagai partikel berat sejak awal. Sebaliknya, menurut mereka materi gelap mungkin terbentuk ketika partikel-partikel yang awalnya sangat ringan dan bergerak hampir secepat cahaya berubah menjadi partikel berat dan lambat.
Bayangkan alam semesta kira-kira 13,7 miliar tahun yang lalu, tepat setelah Big Bang. Pada saat itu, alam semesta masih sangat panas dan dipenuhi dengan partikel-partikel berenergi tinggi yang bergerak sangat cepat. Partikel-partikel ini hampir tidak memiliki massa pada awalnya—hampir seperti foton, yaitu partikel cahaya yang tidak memiliki massa dan selalu bergerak dengan kecepatan cahaya.
Dalam teori baru ini, para peneliti mengusulkan bahwa sejumlah besar partikel tanpa massa ini saling bertabrakan dan saling berinteraksi satu sama lain. Interaksi ini terjadi karena spin keduanya—sebuah properti fisika yang mirip dengan gerakan berputar. Ketika dua partikel memiliki arah spin yang berlawanan, keduanya bisa saling menarik satu sama lain, mirip cara kutub utara dan selatan magnet saling tarik. Ketika keduanya bergabung dengan pasangan lawan spin ini, energi mereka menurun drastis. Perubahan energi yang begitu cepat ini mirip dengan peristiwa yang terjadi ketika uap panas tiba-tiba berubah menjadi air dingin; tiba-tiba energi hilang dan partikel-partikel menjadi lebih lambat dan lebih padat.
Karena energinya turun dan melambat,” pasangan partikel ini dengan cepat mendapatkan massa. Inilah yang menurut para peneliti menjadi titik munculnya materi gelap: partikel-partikel tersebut sebelumnya hampir tidak memiliki massa, tetapi setelah interaksi ini, mereka menjadi partikel berat yang bergerak lambat, tepat seperti yang kita harapkan dari materi gelap “dingin.”
Definisi Ilmiah Sederhana: Apa Itu Spin dan CMB?
Spin merupakan properti dasar partikel yang mirip dengan putaran. Tidak seperti bola yang benar-benar berputar, spin adalah sifat kuantum yang menentukan bagaimana partikel berperilaku ketika berada di medan magnet atau ketika berinteraksi dengan partikel lain. Dalam teori baru ini, spin berlawanan memungkinkan partikel saling berpasangan dan memicu perubahan besar dalam energi.
Cosmic Microwave Background (CMB) atau Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik adalah radiasi yang tersisa dari Big Bang—seperti sisa panas dari ledakan awal alam semesta. Radiasi ini menyelimuti seluruh alam semesta dan setiap detail kecil di dalamnya bercerita tentang kondisi awal kosmik. Para ilmuwan percaya bahwa jika teori baru ini benar, materi gelap yang terbentuk melalui proses ini akan meninggalkan jejak unik dalam pola CMB yang masih dapat kita amati sekarang.
Analog Superkonduktor: Belajar dari Fisika Material
Caldwell dan Liang juga mengambil inspirasi dari fenomena yang terjadi di dunia fisika material, yaitu superkonduktivitas. Dalam sebuah superkonduktor, pada suhu yang sangat rendah, dua elektron bisa bergabung menjadi apa yang disebut pasangan Cooper atau Cooper pair. Pasangan ini memungkinkan listrik mengalir tanpa hambatan. Dalam konteks materi gelap, para peneliti berpendapat bahwa meskipun jenis partikel yang dibahas berbeda, proses pembentukan pasangan dengan sifat yang berubah drastis bisa menjadi analog yang berguna. Ini menunjukkan bahwa mekanisme fisika yang sama—pembentukan pasangan dan perubahan sifat energi secara drastis—bisa terjadi di alam semesta awal dan mengubah identitas partikel secara fundamental.
Mengapa Teori Ini Penting?
Teori ini penting karena menyediakan suatu pendekatan baru yang berbeda dari cara pandang konvensional tentang asal usul materi gelap. Daripada menganggap materi gelap selalu berupa partikel berat sejak awal, teori ini menunjukkan bagaimana partikel-partikel yang awalnya ringan dan cepat bisa berubah menjadi sesuatu yang berat dan lambat melalui sebuah transisi fase yang tajam—konsep yang mirip dengan perubahan fisik seperti uap menjadi air.
Lebih menarik lagi, teori ini dapat diuji menggunakan data observasi yang sudah ada ataupun yang akan datang. Karena proses terbentuknya materi gelap ini seharusnya meninggalkan tanda pada CMB, proyek observasi seperti Simons Observatory di Chile atau eksperimen CMB generasi berikutnya bisa membantu memeriksa apakah prediksi teori ini sesuai dengan realitas. Jika pola tertentu dalam CMB ditemukan sesuai dengan prediksi ini, itu bisa menjadi bukti kuat bahwa teori ini benar.
Menatap Masa Depan Fisika Kosmik
Penelitian semacam ini menunjukkan bahwa kita belum sepenuhnya memahami sepenuhnya bagaimana alam semesta bekerja, bahkan pada level paling fundamental sekalipun. Dengan terus mengembangkan teori baru dan mencocokkannya dengan data observasi, ilmuwan berharap suatu hari nanti kita bisa menjawab pertanyaan paling mendasar: apa sebenarnya materi gelap itu dan bagaimana ia terbentuk? Meskipun materi gelap tetap menjadi misteri besar dalam kosmologi modern, pendekatan-pendekatan baru seperti ini membawa kita selangkah lebih dekat untuk mengungkapnya.
Kesimpulan
Teori baru dari para peneliti Dartmouth ini memberi cara pandang segar tentang asal-usul materi gelap. Alih-alih menganggap materi gelap sudah berupa partikel berat sejak awal alam semesta terbentuk, teori ini menjelaskan bahwa partikel-partikel yang awalnya ringan dan bergerak sangat cepat bisa berubah menjadi berat akibat interaksi unik yang dipengaruhi oleh sifat spin-nya. Perubahan drastis ini mirip dengan “transisi fase” di dunia fisika, seperti ketika uap berubah menjadi air. Hasil akhirnya adalah partikel-partikel yang berat dan bergerak lambat—ciri khas materi gelap yang selama ini digunakan untuk menjelaskan pembentukan struktur besar alam semesta.
Keunggulan teori ini bukan hanya pada idenya yang kreatif, tetapi juga pada kemungkinan untuk mengujinya melalui pengamatan, terutama lewat jejak yang mungkin tertinggal di radiasi sisa Big Bang atau Cosmic Microwave Background. Jika bukti observasi mendukung, kita mungkin selangkah lebih dekat untuk memahami apa sebenarnya materi gelap itu. Dengan kata lain, teori ini membuka peluang baru dalam kosmologi modern dan menunjukkan bahwa alam semesta masih menyimpan banyak misteri yang menunggu untuk dipecahkan.
Referensi:
[1] https://home.dartmouth.edu/news/2025/05/did-dark-matter-form-when-fast-particles-got-heavy, diakses pada 28 Desember 2025.
[2] Guanming Liang, Robert R. Caldwell. Cold Dark Matter Based on an Analogy with Superconductivity. Physical Review Letters, 2025; 134 (19) DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.191004
