[비즈한국] Gravitasi ada di mana-mana. Ini adalah gaya yang paling kita kenal. Namun, pada saat yang sama, ini adalah gaya yang paling misterius dan sulit dipahami. Jika dilihat dari skala alam semesta yang luas, gravitasi tidak dapat dijelaskan hanya dengan materi yang kita ketahui saat ini. Bintang-bintang di tepi galaksi berputar jauh lebih cepat dari yang diperkirakan. Begitu pula dengan galaksi-galaksi di dalam gugus galaksi. Jika berputar secepat itu, bintang dan galaksi seharusnya sudah lama terpental ke segala arah, 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.
Dimulai dari Aristoteles, Galileo, Newton, hingga Einstein. Para fisikawan dan filsuf besar dalam sejarah semuanya telah menantang rahasia gravitasi. Dan sampai saat ini, kita masih belum memahami gravitasi secara 100% sempurna.
Di sinilah perdebatan terbesar kosmologi modern terjadi. Selama bertahun-tahun, para astronom merancang konsep materi gelap untuk menjelaskan 'alam semesta yang lebih berat dari yang terlihat'. Materi gelap berkontribusi pada gravitasi, namun tidak memancarkan cahaya apa pun. Bukan sekadar gelap, ia tidak memancarkan maupun menyerap cahaya. Karena tidak berinteraksi dengan cahaya, materi ini tidak bisa dilihat dengan teleskop biasa. Kita hanya bisa merasakannya secara samar melalui efek gravitasi yang ditimbulkannya. Materi gelap bertindak seperti tangan tak terlihat atau kerangka yang menahan galaksi dan gugus galaksi tetap menyatu.
Namun, kita masih belum mengetahui secara pasti apa itu materi gelap. Akhirnya, hipotesis alternatif muncul, yaitu Dinamika Newton yang Dimodifikasi atau MOND (Modified Newtonian Dynamics). Para fisikawan yang mendukung MOND menyatakan bahwa sejak awal tidak perlu mengasumsikan adanya materi yang tak terlihat. Sebaliknya, mereka mencoba asumsi yang lebih dramatis: hukum gravitasi itu sendiri yang harus diubah. Mereka menjelaskan bahwa terutama di tempat dengan percepatan gravitasi yang sangat lemah, atau dalam skala jarak yang sangat besar, gravitasi mungkin bekerja dengan cara yang sama sekali berbeda dari apa yang dikatakan oleh Newton dan Einstein.
Alasan mengapa MOND dianggap sebagai alternatif yang menarik cukup jelas. MOND menunjukkan hasil yang mengesankan, terutama dalam kurva rotasi galaksi. Bintang-bintang di bagian luar galaksi spiral berputar terlalu cepat jika kita hanya mempertimbangkan materi yang terlihat (barion). Alih-alih menambahkan materi gelap, MOND mengatakan bahwa hukum gravitasi bekerja secara berbeda di bagian luar galaksi di mana skala gravitasinya sangat lemah.
Gravitasi melemah berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Jika jaraknya dua kali lebih jauh, gravitasinya melemah empat kali lipat; jika tiga kali lebih jauh, melemah sembilan kali lipat. Jika jarak disimbolkan sebagai 'r', maka kekuatan gravitasi berkurang sebanding dengan 1/r². Di sini, eksponen 2 pada jarak adalah kuncinya. MOND menyatakan bahwa angka ini bisa jadi bukan 2. Misalnya, bagaimana jika angkanya 1? 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 begitu? Apakah gravitasi melemah lebih lambat dari 1/r² dalam skala raksasa yang mencapai puluhan hingga ratusan juta tahun cahaya? Hanya melihat satu galaksi saja tidak cukup untuk menjawab ini. Kita harus meneliti cara kerja gravitasi dalam skala yang jauh lebih besar daripada kurva rotasi galaksi, yakni pada skala alam semesta itu sendiri. Kita memiliki alat terbaik untuk itu: radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), cahaya tertua dan terjauh di alam semesta.
Baru-baru ini, para astronom menggunakan Teleskop Kosmologi (ACT) di Gurun Atacama, Cile, untuk menyelesaikan peta radiasi latar belakang kosmik di seluruh alam semesta selama bertahun-tahun. Mereka mempublikasikan hasil analisis tersebut, termasuk hasil mengejutkan yang meneliti kemungkinan MOND secara mendalam di seluruh alam semesta. Lantas, apa kesimpulannya?
Radiasi latar belakang kosmik adalah cahaya yang datang dari ujung alam semesta yang sangat jauh. Saat cahaya ini melintasi ruang angkasa, ia melewati berbagai gugus galaksi. Di dalam gugus galaksi, terdapat banyak elektron yang panas dan bergerak dengan kecepatan tinggi. Cahaya atau foton dari radiasi latar belakang kosmik mengalami efek hamburan saat menabrak elektron bebas di dalam gugus galaksi.
Dalam hal ini, pola hamburan akan berubah tergantung ke arah mana gugus galaksi tersebut bergerak terhadap kita. Jika gugus galaksi mendekat atau menjauh dari kita relatif terhadap radiasi latar belakang kosmik, elektron di dalamnya pun ikut bergerak. Akibatnya, foton radiasi latar belakang kosmik yang terhambur oleh elektron akan tercampur dengan efek Doppler halus yang mencerminkan pergerakan gugus galaksi tersebut. Hasilnya, cahaya latar belakang kosmik yang melewati gugus galaksi yang sedang mendekat ke arah kita akan terlihat sedikit lebih panas, dan cahaya yang melewati gugus galaksi yang menjauh akan terlihat lebih dingin. Efek ini disebut sebagai efek Sunyaev-Zeldovich kinematik (Kinematic SZ effect).
Tentu saja, sinyal ini sangat lemah sehingga jika hanya memikirkan satu gugus galaksi, sinyal tersebut hampir terkubur oleh kebisingan latar belakang. Namun, jika kita mengumpulkan ratusan ribu galaksi dan gugus galaksi di seluruh alam semesta dan menganalisisnya secara statistik, kita dapat mengetahui bagaimana rata-rata gugus galaksi bergerak ke arah kita. Mari kita bayangkan dua gugus galaksi di alam semesta. Mereka tidak bergerak secara acak. Keduanya saling tarik-menarik karena gravitasi mereka sendiri dan cenderung ingin saling mendekat. Kecepatan tersebut mengandung petunjuk tentang bagaimana gravitasi yang saling dipertukarkan oleh kedua gugus galaksi bekerja.
Berdasarkan data peta radiasi latar belakang kosmik terbaru yang diselesaikan melalui ACT, para astronom menggabungkannya dengan data peta galaksi yang sangat luas dari SDSS selama bertahun-tahun. Galaksi yang digunakan kali ini memiliki pergeseran merah (redshift) antara 0,44 hingga 0,66. Rentang ini penting karena distribusi spasial galaksi tidak banyak berubah pada interval tersebut. Dengan demikian, kita dapat mengecualikan efek perubahan struktur skala besar alam semesta dari waktu ke waktu, dan hanya menganalisis secara bersih seberapa lambat atau cepat gravitasi melemah seiring jarak.
Jarak rata-rata antara dua gugus galaksi yang digunakan dalam analisis ini adalah sekitar 30-230 Mpc. Jika mengingat diameter Bima Sakti kita hanya 100.000 tahun cahaya (sekitar 0,03 Mpc), penelitian ini tidak lagi melihat gravitasi yang bekerja di dalam satu galaksi, melainkan menguji gravitasi dalam lingkup kosmologis yang melampaui skala satu galaksi. Lantas, berapakah nilai eksponen melemahnya gravitasi berdasarkan jarak yang dikonfirmasi melalui survei skala besar 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 seharusnya adalah 2. Sebaliknya, jika mengasumsikan model MOND yang paling sederhana, n seharusnya bernilai 1.
Namun, hasil pengamatan aktual menunjukkan nilai yang mendekati 2. Jelas bukan 1. Tampaknya MOND tidak berfungsi sama sekali dalam skala alam semesta secara keseluruhan. Tentu saja, temuan ini mungkin tidak membuat para fisikawan yang percaya pada MOND langsung menyerah begitu saja. Dalam MOND, ada banyak faktor kompleks seperti efek gravitasi dari galaksi atau gugus galaksi di sekitarnya, atau yang disebut Efek Medan Eksternal (External Field Effect, EFE). Jika suatu benda berada di medan gravitasi yang lemah, namun ada medan gravitasi yang lebih besar dari luar di latar belakang, hal itu dapat memengaruhi pergerakan benda tersebut. Namun, penelitian ini belum menganalisis EFE secara sistematis.
Kendati demikian, fakta bahwa gravitasi telah diuji dalam skala kosmologis yang mencapai puluhan hingga ratusan Mpc adalah hal yang sangat signifikan. Oleh karena itu, seberapa pun kita mempertimbangkan efek medan eksternal, tampaknya sulit untuk membantah hasil penelitian ini.
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