Artikel ini menyajikan penelitian terbaru yang mengungkapkan komposisi alam semesta, memperkenalkan konsep materi gelap yang membentuk sebagian besar massa alam semesta. Dengan melibatkan pembaca dalam perjalanan dari pengamatan kosmologis hingga pemahaman sifat materi gelap, artikel ini membahas beberapa kemungkinan sumber dari materi gelap, termasuk MACHOs dan WIMPs. Sementara kita memahami apa yang bukan materi gelap, tantangan terus berlanjut untuk mengungkap identitas sejati dari materi gelap yang menyelimuti alam semesta dan masih misterius hingga saat ini.
Komposisi Alam Semesta
Dengan memasangkan model teoretis komposisi alam semesta dengan rangkaian pengamatan kosmologis, ilmuwan telah menyusun komposisi alam semesta, yaitu terdiri atas ~68% energi gelap, ~27% materi gelap, ~5% materi normal. Apa itu materi gelap?
Kita memiliki kepastian yang lebih tinggi tentang apa yang bukan materi gelap daripada pengetahuan kita tentang apa sebenarnya materi gelap. Pertama, kita dapat menyimpulkan bahwa materi gelap tidak dapat terlihat dalam bentuk bintang dan planet yang biasa kita amati di langit malam.
Dengan mengamati berbagai objek astronomi di alam semesta, seperti galaksi, bintang, dan gas antar bintang, para peneliti telah berhasil mengukur jumlah materi yang dapat teramati secara langsung atau melalui efek gravitasi. Dari hasil pengamatan ini, ditemukan bahwa jumlah materi yang terlihat, yang terdiri dari bintang, gas, debu, dan materi lain yang dapat diamati dengan berbagai instrumen teleskop, tidak mencukupi untuk menjelaskan sebanyak 27% dari total massa atau materi yang diperlukan untuk menjelaskan efek gravitasi yang teramati. Efek gravitasi tersebut, yang terlihat dalam perilaku gerak galaksi dan distribusi massa di seluruh alam semesta, menunjukkan adanya materi tambahan yang tidak dapat teramati secara langsung. Dengan kata lain, ada kekurangan sekitar 27% dalam menjelaskan total massa yang diperlukan untuk memahami efek gravitasi ini berdasarkan hanya pada materi yang terlihat.
Kedua, kita dapat menyimpulkan bahwa materi gelap bukanlah bentuk dari awan materi normal, yang terdiri dari partikel-partikel yang disebut barion. Hal ini dapat disimpulkan karena jika materi gelap berbentuk awan barionik, kita seharusnya dapat mendeteksi keberadaannya melalui absorpsi radiasi saat radiasi melewati awan tersebut. Namun, tidak ada indikasi yang menunjukkan adanya awan gelap seperti itu.
Ketiga, kita dapat mengesampingkan kemungkinan bahwa materi gelap adalah antimateri. Ini dapat dilihat dari fakta bahwa kita tidak mengamati sinar gamma khas yang dihasilkan saat antimateri bertabrakan dengan materi. Jika materi gelap adalah antimateri, kita seharusnya melihat tanda-tanda ini dalam bentuk sinar gamma yang dapat dideteksi.
Terakhir, kita dapat mengecualikan kemungkinan bahwa materi gelap terdiri dari lubang hitam berukuran galaksi besar. Ini dapat dijelaskan dengan cara memeriksa seberapa banyak lensa gravitasi yang kita amati. Lubang hitam dengan massa yang besar akan membengkokkan cahaya yang melewati dekat mereka dari objek yang lebih jauh, menyebabkan efek lensa gravitasi. Namun, tidak cukup banyak peristiwa lensa yang diamati untuk menunjukkan bahwa lubang hitam galaksi besar menyumbang sebanyak 25% dari total materi gelap yang diperlukan menurut pengamatan tersebut.
Dengan demikian, melalui berbagai observasi dan eksperimen, kita dapat dengan yakin menyimpulkan bahwa materi gelap memiliki sifat-sifat yang berbeda dengan materi yang dapat teramati, seperti bintang, planet, awan materi normal, atau antimateri. Meskipun kita belum tahu secara pasti apa yang membentuk materi gelap, pemahaman kita tentang apa yang bukan materi gelap telah berkembang pesat.
Berawal dari Tabrakan Gugus Galaksi
Abell 2744: Gugus Pandora Terungkap
Salah satu tabrakan gugus galaksi yang paling rumit dan dramatis yang pernah terlihat dan tertangkap dalam gambar baru Abell 2744 di atas. Biru menunjukkan peta konsentrasi massa total (sebagian besar materi gelap).
Namun, pada tahap ini, masih terdapat beberapa kemungkinan tentang sifat materi gelap yang bisa diterima. Ada kemungkinan bahwa materi barionik, yang terdiri dari partikel-partikel yang dikenal sebagai barion, masih dapat dianggap sebagai materi gelap jika semua materi barionik ini terikat dalam struktur katai cokelat atau terkumpul dalam gumpalan kecil dan padat yang terbentuk dari unsur-unsur berat. Alternatif ini sering disebut sebagai objek halo padat besar, atau yang lebih dikenal dengan istilah “MACHOs” (Massive Astrophysical Compact Halo Objects).
Meskipun demikian, pandangan paling umum di kalangan ilmuwan adalah bahwa materi gelap sebenarnya tidak terdiri dari materi barionik. Sebaliknya, diketahui bahwa materi gelap kemungkinan besar terbentuk dari partikel-partikel eksotis yang tidak termasuk dalam kelompok materi yang dapat diamati secara konvensional. Contoh dari partikel eksotis ini termasuk aksion atau WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). WIMPs adalah partikel-partikel subatomik yang dianggap memiliki massa yang besar dan hanya berinteraksi lemah dengan materi lain, sehingga sulit untuk mereka deteksi secara langsung. Pandangan ini mengarah pada pemahaman bahwa materi gelap memiliki sifat yang berbeda dengan materi yang kita kenal dalam kehidupan sehari-hari, dan eksplorasi lebih lanjut diperlukan untuk mengungkap misteri di balik komposisi sejati dari materi gelap ini.
Materi Gelap Hilang di Galaksi yang Aneh
Para peneliti kaget ketika mereka menemukan galaksi NGC 1052-DF2 yang kehilangan sebagian besar, jika tidak semua, dari materi gelapnya.
Kemungkinan Materi Gelap
Pencarian akan sifat materi gelap adalah bidang yang sangat aktif dalam astronomi dan fisika. Ilmuwan tidak tahu terbuat dari apa, tetapi mereka sedang menyelidiki beberapa kemungkinan. Bahkan Tiongkok membangun Laboratorium “Materi Gelap” bawah tanah yang terbesar dan terdalam, berada pada kedalaman 2400 meter di bawah gunung Jinping.
Sifat utama dari materi gelap adalah bahwa itu “gelap”, artinya tidak memancarkan cahaya. Tidak terlihat, tidak sinar-X, tidak inframerah. Jadi, bukan awan besar gas hidrogen, karena biasanya kita dapat mendeteksi awan tersebut dalam inframerah atau radio. Selain itu, materi gelap harus berinteraksi secara gravitasional dengan materi terlihat. Jadi, materi gelap harus cukup massif untuk menyebabkan efek gravitasi yang kita lihat di galaksi dan gugus galaksi. Awan besar gas hidrogen tidak memiliki massa cukup untuk melakukan apa yang dilakukan materi gelap.
Dua kategori utama objek yang dianggap ilmuwan sebagai kemungkinan materi gelap termasuk MACHOs dan WIMPs. Ini adalah akronim yang membantu kita mengingat apa yang mereka wakili. Berikut adalah beberapa pro dan kontra kemungkinan mereka menjadi komponen dari materi gelap.
MACHOs
MACHOs—MAssive Compact Halo Objects—adalah objek mulai dari bintang kecil hingga lubang hitam super massif. MACHO terbuat dari materi biasa (seperti proton, neutron, dan elektron). Mereka mungkin berupa lubang hitam, bintang neutron, atau katai cokelat.
Bintang Neutron dan Lubang Hitam adalah hasil akhir dari supernova dari bintang yang sangat masif. Keduanya adalah objek kompak yang muncul dari supernova bintang yang sangat masif. Bintang neutron memiliki massa 1,4 hingga 3 kali massa matahari. Lubang hitam lebih besar dari 3 kali massa matahari. Karena supernova biasanya meninggalkan awan sisa gas, objek-objek ini harus melakukan perjalanan jauh dari sisa untuk “tersembunyi.”
- Kelebihan: Bintang neutron sangat massif, dan jika terisolasi, keduanya dapat menjadi gelap.
- Kekurangan: Karena mereka hasil dari supernova, mereka tidak selalu objek umum. Sebagai hasil dari supernova, seharusnya terjadi pelepasan energi besar dan elemen berat. Namun, tidak ada bukti bahwa mereka terjadi dalam jumlah yang cukup di halo galaksi.
Katai Cokelat memiliki massa yang kurang dari delapan persen dari massa Matahari, menghasilkan massa yang terlalu kecil untuk menghasilkan reaksi nuklir yang membuat bintang bersinar.
Astronom telah mendeteksi MACHO menggunakan efek gravitasinya pada cahaya dari objek yang jauh. Dalam merumuskan teorinya tentang gravitasi, Einstein menemukan bahwa daya tarik gravitasi dari objek massif dapat membelokkan jalur sinar cahaya, mirip dengan apa yang dilakukan lensa. Jadi ketika objek massif melewati di depan objek yang jauh (misalnya bintang atau galaksi lain), cahaya dari objek yang jauh “difokuskan” dan objek tersebut tampak lebih terang untuk waktu yang singkat. Astronom mencari MACHO (biasanya katai cokelat) di halo galaksi kita dengan memonitor kecerahan bintang-bintang di dekat pusat galaksi kita dan bintang-bintang di Awan Besar Magellan.
Proyek MACHO, salah satu kelompok yang menggunakan teknik “lensa gravitasi” ini, mengamati sekitar 15 peristiwa lensa menuju LMC selama rentang 6 tahun pengamatan. Mereka menetapkan batas kontribusi sebesar 20% terhadap materi gelap di Galaksi kita karena objek dengan massa kurang dari 0,5 massa Matahari.
- Kelebihan: Astronom telah mengamati objek yang entah itu katai cokelat atau planet besar di sekitar bintang lain menggunakan properti lensa gravitasi.
- Kekurangan: Meskipun mereka telah diamati, astronom tidak menemukan bukti dari populasi katai cokelat yang cukup besar untuk menjelaskan seluruh materi gelap di Galaksi kita.
WIMPs
WIMPs—Weakly Interacting Massive Particles—adalah partikel subatom yang tidak terbuat dari materi biasa. Mereka “lemah berinteraksi” karena dapat melewati materi biasa tanpa efek apa pun. Mereka “massif” dalam arti memiliki massa (apakah mereka ringan atau berat tergantung pada partikel). Kandidat utama termasuk neutrino, aksion, dan neutralino.
Neutrino pertama kali “diciptakan” oleh fisikawan pada awal abad ke-20 untuk membantu membuat interaksi fisika partikel berfungsi dengan baik. Mereka kemudian ditemukan, dan fisikawan serta astronom memiliki gambaran baik berapa banyak neutrino di alam semesta. Namun, mereka dianggap tidak memiliki massa. Namun, pada tahun 1998, satu jenis neutrino ditemukan memiliki massa, meskipun sangat kecil. Massa ini terlalu kecil untuk menyumbang secara signifikan pada materi gelap.
Aksion adalah partikel yang diusulkan untuk menjelaskan ketiadaan momen dipol listrik untuk neutron. Oleh karena itu, mereka melayani tujuan baik untuk fisika partikel maupun untuk astronomi. Meskipun aksion mungkin tidak memiliki massa banyak, mereka akan diproduksi secara berlimpah dalam Ledakan Besar. Pencarian saat ini untuk aksion melibatkan eksperimen laboratorium dan pencarian di halo Galaksi kita dan di Matahari.
Neutralino adalah anggota dari satu set partikel lain yang diusulkan sebagai bagian dari teori fisika yang dikenal sebagai supersimetri. Teori ini mencoba untuk menyatukan semua gaya yang dikenal dalam fisika. Neutralino adalah partikel massif (mereka mungkin 30x hingga 5000x massa proton), tetapi mereka adalah yang paling ringan di antara partikel supersimetri yang netral secara listrik. Astronom dan fisikawan sedang mengembangkan cara mendeteksi neutralino baik di bawah tanah atau mencari tanda-tanda interaksi mereka di alam semesta.
- Kelebihan: Secara teoritis, ada kemungkinan bahwa partikel subatom yang sangat massif, diciptakan dalam jumlah yang tepat, dan dengan properti yang tepat pada saat-saat awal setelah Ledakan Besar, menjadi materi gelap alam semesta. Partikel ini juga penting bagi fisikawan yang berusaha memahami sifat fisika sub-atom.
- Kekurangan: Neutrino tidak memiliki massa cukup untuk menjadi komponen utama Materi Gelap. Observasi sejauh ini belum mendeteksi aksion atau neutralino.
Terdapat faktor-faktor lain yang membantu ilmuwan menentukan campuran antara MACHO dan WIMP sebagai komponen materi gelap. Hasil terkini dari satelit WMAP menunjukkan bahwa alam semesta kita terdiri dari hanya 4% materi biasa. Hal ini tampaknya mengecualikan komponen besar MACHO. Sekitar 23% dari alam semesta kita adalah materi gelap. Ini mendukung ide bahwa materi gelap sebagian besar terdiri dari jenis WIMP tertentu. Namun, evolusi struktur dalam alam semesta menunjukkan bahwa materi gelap tidak boleh bergerak dengan cepat, karena partikel yang bergerak cepat mencegah penggumpalan materi di alam semesta. Jadi, meskipun neutrino mungkin menjadi bagian dari materi gelap, mereka bukan komponen utama. Partikel seperti aksion dan neutralino tampaknya memiliki sifat yang sesuai untuk menjadi materi gelap. Namun, mereka masih harus dideteksi.
Referensi
[1] https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/ diakses pada 28 Januari 2024
[2] https://imagine.gsfc.nasa.gov/educators/galaxies/imagine/dark_matter.html diakses pada 28 Januari 2024
Alumni S1 Kimia Universitas Negeri Makassar. Pengajar kimia, penulis di warstek.com.