[비즈한국] Gravitasi ada di mana-mana. Ini adalah gaya yang paling akrab bagi kita, tetapi sekaligus yang paling misterius dan sulit dipahami. Jika kita melihat alam semesta secara makro, gravitasi tidak dapat dijelaskan hanya dengan materi yang kita ketahui. Bintang-bintang di tepi galaksi berputar jauh lebih cepat dari perkiraan, begitu pula galaksi-galaksi di dalam gugus galaksi. Jika mereka berputar secepat itu, seharusnya bintang dan galaksi sudah lama tercerai-berai, namun struktur alam semesta tetap terjaga dengan stabil. Seolah-olah alam semesta disatukan oleh materi yang lebih berat dari yang terlihat, dengan gravitasi yang kuat.
Mulai dari Aristoteles, Galileo, Newton, hingga Einstein, para fisikawan dan filsuf besar dalam sejarah semuanya telah menantang rahasia gravitasi. Namun, sampai saat ini kita belum memahami gravitasi secara sempurna 100%.
Di sinilah perdebatan terbesar dalam kosmologi modern terjadi. Selama bertahun-tahun, para astronom merancang teori materi gelap untuk menjelaskan 'alam semesta yang lebih berat dari yang terlihat'. Materi gelap berkontribusi pada gravitasi, tetapi tidak memancarkan cahaya apa pun. Ia tidak hanya gelap, tetapi juga tidak memancarkan maupun menyerap cahaya. Karena tidak berinteraksi dengan cahaya sedikit pun, materi gelap tidak bisa dilihat dengan teleskop biasa. Keberadaannya hanya samar-samar dirasakan melalui efek gravitasi yang ditimbulkannya. Materi gelap bekerja seperti tangan tak terlihat atau kerangka yang menahan galaksi dan gugus galaksi.
Namun, hingga kini kita masih belum mengetahui secara pasti apa itu materi gelap. Akhirnya, hipotesis alternatif pun muncul, yaitu Dinamika Newton yang Dimodifikasi atau MOND (Modified Newtonian Dynamics). Para fisikawan yang mendukung MOND berpendapat bahwa kita tidak perlu berasumsi adanya materi yang tak terlihat sejak awal. Sebaliknya, mereka mengajukan asumsi yang lebih dramatis: hukum gravitasi itu sendiri yang perlu diubah. Mereka menjelaskan bahwa di tempat dengan percepatan gravitasi yang sangat lemah, atau pada skala jarak yang sangat besar, gravitasi mungkin bekerja dengan cara yang sama sekali berbeda dari yang dikatakan Newton dan Einstein.
Alasan mengapa MOND dianggap sebagai alternatif yang menarik selama ini sudah jelas. MOND menunjukkan hasil yang luar biasa, terutama pada kurva rotasi galaksi. Bintang-bintang di luar galaksi spiral berputar terlalu cepat jika kita hanya mempertimbangkan materi yang terlihat (baryon). Alih-alih menambahkan materi gelap, MOND menyatakan bahwa hukum gravitasi bekerja secara berbeda di tepi galaksi di mana skala gravitasinya sangat lemah.
Gravitasi melemah berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya. Jika jaraknya dua kali lipat, gravitasinya melemah empat kali lipat; jika jaraknya tiga kali lipat, gravitasinya melemah sembilan kali lipat. Jika jarak disimbolkan dengan r, kekuatan gravitasi berkurang secara kasar berbanding lurus dengan 1/r². Di sini, eksponen 2 pada jarak sangatlah penting. MOND menyatakan bahwa angka ini bisa jadi bukan 2. Misalnya, bagaimana jika angkanya 1? Maka gravitasi akan melemah jauh lebih lambat seiring bertambahnya jarak. Dengan begitu, objek yang sangat jauh pun bisa tertahan oleh gravitasi yang lebih kuat dari perkiraan. Inilah cara MOND menjelaskan pergerakan bintang dan galaksi yang bergerak cepat tanpa memerlukan materi gelap.
Apakah benar demikian? Pada skala raksasa yang mencapai puluhan atau ratusan juta tahun cahaya, apakah gravitasi melemah lebih landai daripada 1/r²? Untuk menemukan jawabannya, melihat satu galaksi saja tidak cukup. Kita harus memeriksa cara kerja gravitasi pada skala yang lebih besar dari kurva rotasi galaksi, bahkan pada skala seluruh alam semesta. Ada alat terbaik untuk ini, yaitu radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (Cosmic Microwave Background/CMB), cahaya tertua dan terjauh di alam semesta.
Baru-baru ini, para astronom menggunakan teleskop kosmologi di Gurun Atacama, Chili, yaitu ACT (Atacama Cosmology Telescope), untuk menyelesaikan peta CMB di seluruh alam semesta selama bertahun-tahun. Mereka memublikasikan berbagai hasil analisis, di antaranya adalah hasil mengejutkan yang menganalisis kemungkinan MOND untuk seluruh alam semesta secara mendalam. Lantas, bagaimana kesimpulannya?
CMB adalah cahaya yang datang dari ujung terjauh alam semesta. Selama perjalanannya, cahaya ini melewati berbagai gugus galaksi. Di dalam gugus galaksi, terdapat banyak elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi dan panas. Cahaya CMB (foton) mengalami hamburan saat bertabrakan dengan elektron bebas di dalam gugus galaksi tersebut.
Pada saat ini, pola hamburan bergantung pada arah pergerakan gugus galaksi terhadap kita. Jika gugus galaksi tersebut bergerak mendekat atau menjauh dari kita berdasarkan posisi CMB, maka elektron di dalamnya pun turut bergerak. Akibatnya, foton CMB yang terhambur oleh elektron akan mengalami efek Doppler yang sangat kecil, yang mencerminkan pergerakan gugus galaksi tersebut. Hasilnya, cahaya CMB yang melewati gugus galaksi yang sedang mendekat ke arah kita akan terlihat sedikit lebih panas, sementara cahaya yang melewati gugus galaksi yang menjauh akan terlihat lebih dingin. Efek ini disebut sebagai efek Sunyaev-Zel'dovich kinematik (Kinematic SZ effect).
Tentu saja, sinyal ini sangat lemah sehingga jika kita hanya melihat satu gugus galaksi, sinyal tersebut akan terkubur dalam derau latar belakang. Namun, jika kita mengumpulkan dan menganalisis secara statistik ratusan ribu galaksi dan gugus galaksi di seluruh alam semesta, kita dapat mengetahui bagaimana gugus galaksi tersebut bergerak rata-rata ke arah kita. Bayangkan ada dua gugus galaksi di alam semesta. Keduanya tidak bergerak secara acak. Keduanya saling menarik karena gravitasi satu sama lain dan cenderung untuk saling mendekat. Kecepatan tersebut mengandung petunjuk tentang bagaimana gravitasi yang dialami kedua gugus galaksi itu bekerja.
Berdasarkan data peta CMB terbaru yang diselesaikan melalui ACT, para astronom menggabungkannya dengan data peta galaksi yang luas dari SDSS yang telah dikumpulkan selama bertahun-tahun. Galaksi yang digunakan kali ini memiliki pergeseran merah (redshift) antara 0,44 hingga 0,66. Rentang ini penting karena pada interval tersebut, distribusi spasial galaksi tidak banyak berubah. Dengan demikian, kita dapat mengesampingkan efek perubahan struktur besar alam semesta dari waktu ke waktu dan hanya menganalisis seberapa landai atau curam gravitasi melemah berdasarkan jarak.
Jarak rata-rata antara dua gugus galaksi yang digunakan dalam analisis ini adalah sekitar 30-230 Mpc. Jika kita mengingat bahwa diameter Bima Sakti yang mencapai 100.000 tahun cahaya hanyalah 0,03 Mpc, maka penelitian ini bukan sekadar melihat gravitasi yang bekerja di dalam satu galaksi, melainkan menguji gravitasi dalam lingkup kosmologis yang melampaui ukuran satu galaksi. Lantas, berapa nilai eksponen pelemahan gravitasi berdasarkan jarak yang dikonfirmasi melalui eksplorasi besar-besaran ini? Hasilnya adalah sekitar 2,1±0,3. Dalam kosmologi ΛCDM saat ini yang didasarkan pada hukum Newton standar dan teori relativitas Einstein, nilai n haruslah 2. Sebaliknya, jika kita mengasumsikan model MOND yang paling sederhana, maka n haruslah 1.
Namun, hasil pengamatan aktual menunjukkan nilai yang mendekati 2. Jelas, itu bukan 1. Tampaknya MOND tidak bekerja sama sekali pada skala seluruh alam semesta. Tentu saja, temuan ini mungkin tidak membuat para fisikawan yang percaya pada MOND langsung menyerah begitu saja. Dalam MOND, terdapat banyak faktor kompleks seperti efek dari gravitasi galaksi atau gugus galaksi di sekitar, yang dikenal sebagai Efek Medan Eksternal (External Field Effect/EFE). Meskipun suatu benda berada dalam medan gravitasi yang lemah, jika ada medan gravitasi yang lebih besar di latar belakangnya, hal itu bisa memengaruhi pergerakan benda tersebut. Namun, penelitian ini belum menganalisis EFE secara sistematis.
Tetap saja, fakta bahwa mereka telah menguji gravitasi pada skala kosmologis yang mencapai puluhan hingga ratusan Mpc adalah hal yang krusial. Oleh karena itu, seberapa pun besarnya pengaruh EFE, hasil ini tampaknya sulit untuk disanggah.
Referensi
https://www.science.org/content/article/newton-s-law-gravity-passes-its-biggest-test-ever
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/061
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2025/11/062