Terabaikan tak berarti terlupakan. Begitulah status materi negatif dalam kosmologi saat ini. Setelah terabaikan selama bertahun-tahun, fisikawan kembali melirik keberadaannya. Pasalnya, keberadaan materi negatif memberi janji jawaban bagi teka-teki kosmologi yang belum terpecahkan. Apa teka-teki tersebut dan bagaimana materi negatif menjawabnya? Simak penjelasan berikut.
Teka-teki dark matter dan dark energy
Kalau anda mengira bahwa fisikawan sudah tahu segalanya tentang alam semesta, anda salah. Justru sebaliknya. Baru sedikit sekali yang kita tahu. Sebanyak 95% penyusun alam semesta masih misterius [1]. Zat misterius ini oleh para fisikawan diberi nama dark matter dan dark energy. Mungkin anda bertanya-tanya, mengapa namanya harus dibagi dua? Mengapa tidak langsung saja diberi nama zat gelap, barang gelap, atau semacamnya? Ini karena fisikawan tahu akan ketidaktahuan mereka. Mereka tahu kalau penyusun alam semesta yang masih misterius itu ada dua jenis yang tidak ada hubungannya satu sama lain. Dark matter dan dark energy merupakan dua hal yang berbeda. Setidaknya itulah yang mereka tahu sampai saat ini. Ide tentang dark matter dan dark energy memang sama-sama lahir dari pengamatan galaksi. Bedanya, dark matter lahir dari pengamatan rotasi galaksi sedangkan dark energy dari gerak menjauh galaksi [2].
Sama seperti planet, bintang, dan tata surya, galaksi juga berotasi pada porosnya. Matahari kita yang terletak di pinggiran galaksi Bimasakti bergerak mengitari pusat galaksi dengan kecepatan 864.000 km/jam [3], bandingkan dengan cahaya yang bergerak dengan kecepatan 1.080.000.000 km/jam. Kecepatan bintang-bintang dalam memutari pusat galaksi berbeda-beda tergantung pada jaraknya. Bintang-bintang yang letaknya dekat dengan pusat galaksi akan memiliki kecepatan orbit yang paling besar. Semakin jauh jaraknya dari pusat, semakin lambat gerak suatu bintang. Secara teori seharusnya seperti itu, memenuhi hukum Kepler. Namun kenyataannya tidak. Hasil observasi menunjukkan bahwa kecepatan orbit bintang-bintang hampir sama semua. Hal ini hanya bisa terjadi jika ada banyak sekali materi tak terlihat yang menyelimuti setiap galaksi yang ada di alam semesta. Kalau tidak, galaksi akan tercerai-berai, bintang-bintang di tepi galaksi akan lepas karena putarannya yang terlalu cepat. Materi tak terlihat inilah yang kemudian dikenal dengan nama dark matter.
Tahun 1920 untuk pertama kalinya kita tahu kalau galaksi-galaksi bergerak saling menjauh karena alam semesta mengembang. Awalnya fisikawan mengira bahwa gerak menjauh galaksi ini semakin lama akan semakin lambat akibat tarikan gravitasi. Alam semesta pun akan menyusut kembali dan akhirnya akan hancur. Untuk memperkirakan kapan “kiamat” ini terjadi, para fisikawan mencoba mengukur seberapa cepat galaksi-galaksi melambat. Namun hasil yang mereka peroleh justru mengejutkan. Bukannya melambat, gerak menjauh galaksi-galaksi tersebut justru semakin cepat. Seolah-olah ada dorongan energi misterius yang melawan tarikan gravitasi dan mencegahnya runtuh kembali. Energi misterius inilah yang kemudian dikenal dengan nama dark energy.[4]
Apa itu materi negatif
Pertanyaan yang masih menyelimuti pikiran para fisikawan hingga saat ini adalah mengapa gravitasi hanya tarik menarik. Magnet bisa tarik menarik dan tolak menolak. Muatan listrik juga. Magnet punya dua kutub. Muatan listrik juga ada dua jenis, positif dan negatif. Inilah sumber masalahnya. Massa sebagai sumber gravitasi hanya ada satu jenis yakni positif saja. Tidak ada massa negatif. Materi yang memiliki massa negatif tidak akan tarik menarik tapi tolak menolak akibat gravitasi. Saat kita melemparkan bola, bola itu akan jatuh ke tanah. Hal ini karena baik bumi maupun bola tersebut sama-sama memiliki massa positif. Seandainya bumi dan bola yang kita lempar sama-sama bermasa negatif, bola tidak akan jatuh ke tanah melainkan terbang menjauh ke luar angkasa.
Mengapa tidak ada materi negatif? Jawabannya sederhana, karena kita belum pernah melihatnya. Semua materi yang sudah pernah kita jumpai selalu bermassa positif. Namun para fisikawan juga tahu, hanya karena kita belum pernah melihatnya bukan berarti sesuatu itu tidak ada. Jadi ini bukan alasan utama mereka mengabaikan keberadaan materi negatif. Faktanya pernah ada juga teori yang menyatakan bahwa dark energy itu dihasilkan oleh materi negatif. Sifat tolak menolak dari materi negatif inilah yang diduga menjadi penyebab gerak menjauh galaksi. Namun ide ini pun ditolak sebab ketika alam semesta mengembang, materi negatif akan semakin renggang sehingga tidak akan cukup untuk mempercepat gerak galaksi. Ini bukan sifat dari dark energy. Dark energy memiliki kerapatan yang tidak berubah seiring mengembangnya alam semesta. Jadi jelas bahwa dark energy tidak dihasilkan oleh materi negatif.[1]
Materi negatif sebagai solusi teka-teki
Melihat situasi di atas, wajar saja kalau keberadaan materi negatif tidak terlalu dipedulikan. Namun pada paper yang terbit 5 Desember 2018 di jurnalAstronomy & Astrophysics, Dr. Jamie Farnes dari Universitas Oxford mengangkat kembali ide tentang materi negatif ke permukaan. Ia kembali menggaungkan gagasan bahwa dark energy dihasilkan oleh materi negatif. Tidak hanya itu, dalam paper 20 halaman tersebut menurutnya dark matter juga merupakan materi negatif itu sendiri. Materi negatiflah yang menyebabkan alam semesta mengembang dipercepat, menyebabkan galaksi-galaksi bergerak menjauh, dan menyebabkan kecepatan orbit bintang terhadap pusat setiap galaksi hampir seragam. Sebuah gagasan yang terdengar begitu indah dan brilian. Dua misteri terbesar dalam kosmologi terselesaikan dalam sekali dayung.
Dr. Jamie Farnes, Fisikawan dari Universitas Oxford
Secara matematis, teknik yang digunakan oleh Dr.Farnes adalah menambahkan “tensor kreasi” dalam persamaan medan Einstein. Dengan cara ini, materi negatif tidak akan merenggang seiring mengembangnya alam semesta sebab ia terus menerus diciptakan. Stok materi negatif tidak akan pernah habis persis seperti dark energy. Masalah dark energy terselesaikan. Secara otomatis materi negatif juga menyelesaikan masalah dark matter. Berbeda dengan muatan listrik, massa negatif dan positif tidak akan tarik menarik tapi berkejar-kejaran. Jika massa negatif lebih besar daripada positif maka yang positif akan terdorong. Melalui mekanisme inilah materi negatif mempengaruhi kecepatan orbit bintang-bintang. Materi negatif menekan galaksi, menjaga bintang-bintang agar tidak terlepas darinya, persis seperti peran dark matter.[1]
Sejauh ini, teori materi negatif sebagai dark matter dan dark energy masih cocok dengan hasil observasi-observasi yang pernah dilakukan. Bagaimanapun juga, teori ini masih perlu diuji lagi. Cepat atau lambat kita akan tahu apakah materi negatif yang sempat terabaikan ini akan kembali terabaikan atau akan menjadi pahlawan baru bagi kosmologi.
REFERENSI:
[1] Farnes, J.S., 2018. A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified ΛCDM framework. Astronomy & Astrophysics, 620, p.A92.
[2] Krauss, Lawrence M. 2012. A Universe From Nothing. New York: FREE PRESS
[3] Williams, Matt. 2017. Distance & Speed of Sun’s Orbit Around Galactic Centre Measured. https://www.universetoday.com/133414/distance-speed-suns-orbit-around-galactic-centre-measured/ diakses 18 Desember 2018
[4] HD Documentaries. 2016. Hubble Space Telescope: Invisible Universe Revealed – Documentary 2016 HD 720p. https://www.youtube.com/watch?v=GMhXPqUuqnM diakses pada 18 Desember 2018
Mahasiswa fisika UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta