[비즈한국] Materi gelap diketahui mengisi sebagian besar massa alam semesta, yakni hampir 80%. Jumlahnya jauh lebih banyak daripada tubuh kita, planet, dan bintang yang terbuat dari atom biasa. Faktanya, tidak berlebihan jika mengatakan bahwa alam semesta bukanlah dunia bintang yang bersinar terang, melainkan dunia materi gelap. Namun, sangat membingungkan bahwa tidak ada seorang pun yang tahu apa sebenarnya materi gelap yang mendominasi alam semesta ini.
Materi gelap tidak memancarkan cahaya. Oleh karena itu, percuma saja mengamati alam semesta dengan teleskop apa pun. Keberadaannya tidak dapat dikonfirmasi melalui pengamatan klasik yang mendeteksi cahaya. Ia hanya menunjukkan kekuatannya melalui gravitasi yang setara dengan massanya. Jadi, keberadaan hantu yang disebut materi gelap ini hanya bisa disimpulkan melalui jejak gravitasi yang ditinggalkannya.
Memikirkan sifat materi gelap yang tidak bersinar tetapi hanya menunjukkan gravitasi yang kuat, ada sosok lain yang tiba-tiba terlintas di pikiran. Ia adalah lubang hitam (black hole), objek yang memiliki gravitasi begitu kuat hingga melubangi ruang-waktu dan bahkan cahaya pun tidak bisa lolos darinya. Sudah sejak lama, cukup banyak orang berspekulasi bahwa misteri materi gelap yang muncul untuk menjelaskan kurangnya gravitasi di alam semesta, sebenarnya mungkin adalah lubang hitam besar dan kecil yang bersembunyi di kegelapan ruang angkasa.
Ada dua jenis lubang hitam yang akrab dengan kita. Lubang hitam bintang (stellar-mass black hole) yang tersisa setelah bintang masif yang puluhan kali lebih berat dari matahari menyelesaikan evolusinya dan runtuh, serta lubang hitam supermasif (supermassive black hole) yang hidup di pusat galaksi dengan massa jutaan hingga miliaran kali lipat massa matahari.
Namun, ada kemungkinan lubang hitam yang lebih istimewa bersembunyi di alam semesta. Mereka adalah lubang hitam purba (primordial black hole) yang lahir paling pertama dalam sejarah alam semesta sesaat setelah Big Bang. Lubang hitam purba bisa jauh lebih ringan daripada massa satu matahari. Massanya bisa seringan massa satu planet Bumi, bahkan hanya seukuran asteroid. Meskipun massa individunya jauh lebih ringan, jika ada sejumlah besar lubang hitam purba yang memenuhi ruang angkasa dan melayang di sekitar halo galaksi kita, bukankah kita bisa menjelaskan massa galaksi kita yang terlalu berat yang selama ini tidak dapat dijelaskan? Ternyata, mungkinkah identitas hantu materi gelap yang mengisi halo galaksi kita dengan lebih berat dari yang terlihat adalah bayangan dari lubang hitam purba ini?
Baru-baru ini, jawaban atas pertanyaan besar ini telah muncul. Untuk mencari jawaban ini, hasil observasi luas selama 20 tahun dimanfaatkan. Bagaimana jawaban yang dipastikan setelah penantian panjang selama 20 tahun itu? Sayangnya, lubang hitam purba tidak ada di halo sekitar galaksi kita. Mimpi para astronom yang berharap materi gelap adalah lubang hitam purba telah hancur berkeping-keping.
Lubang hitam purba juga terkenal sebagai konsep yang diusulkan oleh fisikawan Stephen Hawking. Tidak seperti lubang hitam yang kita kenal yang biasanya tercipta dari keruntuhan bintang raksasa, lubang hitam purba lahir dengan cara yang sama sekali berbeda. Sesaat setelah Big Bang, alam semesta tidak sepenuhnya seragam sejak awal. Beberapa daerah memiliki kepadatan sedikit lebih tinggi atau lebih rendah daripada sekitarnya. Materi mulai berkumpul sedikit demi sedikit di daerah yang kepadatannya sedikit lebih tinggi dari sekitarnya. Daerah dengan kepadatan tinggi menjadi semakin padat, sementara daerah dengan kepadatan rendah kehilangan materinya ke segala arah dan menjadi semakin kosong. Melalui proses ini, struktur raksasa alam semesta yang saat ini jaringannya saling terkait oleh distribusi galaksi telah terbentuk.
Perbedaan kepadatan kecil yang ada di awal inilah yang menjadi benih galaksi yang membentuk galaksi. Di sisi lain, daerah yang lebih padat dapat dengan cepat mengumpulkan materi ke area sempit dan langsung terbentuk menjadi lubang hitam mini. Bukan lubang hitam biasa yang tersisa setelah bintang mati menyelesaikan evolusinya selama ratusan juta tahun, melainkan makhluk imajiner yang mungkin muncul pertama kali di alam semesta sesaat setelah Big Bang, begitulah lubang hitam purba mungkin lahir.
Beberapa dari lubang hitam purba yang lahir dengan cara ini mungkin telah bergabung satu sama lain sejak dini untuk memperbesar diri dan menjadi lubang hitam supermasif di pusat galaksi. Namun, masih mungkin ada sejumlah besar lubang hitam purba yang tersisa melayang di ruang angkasa. Bagaimana jika ada banyak lubang hitam purba yang melayang di ruang halo sekitar galaksi kita? Apakah kita salah mengira efek gravitasi dari lubang hitam purba sebagai efek materi gelap? Untuk memastikan apakah identitas materi gelap benar-benar potongan lubang hitam purba yang melayang di halo, kita harus menghitung berapa banyak lubang hitam pengembara yang ada di dalam halo galaksi kita.
Masalahnya adalah lubang hitam adalah keberadaan kegelapan yang tidak memancarkan cahaya secara langsung. Lalu, bagaimana kita bisa mengetahui keberadaan lubang hitam?
Lubang hitam membengkokkan ruang-waktu alam semesta di sekitarnya dengan gravitasinya yang kuat. Oleh karena itu, terjadi fenomena lensa gravitasi di mana cahaya dari alam semesta latar belakang di balik lubang hitam dibelokkan ke arah yang sedikit berbeda dan masuk menuju Bumi. Jika kita yang tinggal di Bumi, benda langit latar belakang yang jauh, dan benda langit lain yang mendistorsi ruang-waktu di sekitarnya dengan gravitasi berat berada hampir dalam garis lurus, maka fenomena lensa gravitasi di mana cahaya benda langit latar belakang paling terdistorsi akan terjadi.
Lensa gravitasi dapat dipahami dengan mudah menggunakan gelas anggur. Bayangkan kita meletakkan gelas anggur di atas foto alam semesta latar belakang jauh yang diamati oleh teleskop James Webb. Bagian bawah gelas anggur tidak sepenuhnya datar. Ketebalan kaca sedikit bertambah saat menuju ke tengah. Jadi, foto di bawah dasar gelas anggur terlihat terdistorsi secara melingkar. Jika kita menggerakkan gelas anggur yang diletakkan di atas foto tersebut perlahan, bentuk benda langit di foto di bawahnya akan terlihat melengkung perlahan. Lensa gravitasi yang terjadi di alam semesta nyata juga mirip dengan ini. Jika benda langit yang berperan sebagai lensa mendistorsi ruang-waktu di sekitarnya melintasi bidang pandang alam semesta latar belakang yang dilihat dari Bumi, kita akan melihat cahaya dari baliknya sebagai citra semu yang terdistorsi.
Secara khusus, jika benda langit yang berperan sebagai lensa lebih kecil dan lebih ringan, kita dapat melihat fenomena yang lebih istimewa. Cahaya bintang latar belakang yang melengkung ke berbagai arah di sekitar benda lensa terkumpul kembali menuju Bumi. Maka, saat dilihat dari Bumi, bintang latar belakang tampak jauh lebih terang dari aslinya. Fenomena ini disebut mikrolensing. Oleh karena itu, dengan terus memantau bintang latar belakang di balik halo galaksi kita dan memastikan seberapa sering fenomena mikrolensing di mana bintang latar belakang tampak terang sesaat teramati, kita dapat mengetahui berapa banyak lubang hitam purba yang melayang di halo dan seberapa berat massa masing-masing.
Namun, ada masalah. Mikrolensing terjadi secara kebetulan murni. Tidak bisa diprediksi. Benda yang berperan sebagai lensa harus secara kebetulan menghalangi di depan bintang latar belakang dalam garis yang hampir lurus. Selain itu, jika kita melewatkannya karena meleng ke arah lain, kesempatan untuk mengamati pun hilang! Selain itu, kita harus terus memantau selama bertahun-tahun untuk menemukan lubang hitam purba tanpa melewatkannya.
Jika benda langit yang tidak seberat matahari berperan sebagai lensa, fenomena di mana bintang latar belakang tampak terang berlangsung dalam waktu sekitar satu minggu. Jika benda lensa yang jauh lebih berat, sekitar 100 kali massa matahari, membuat bintang latar belakang melengkung, bintang latar belakang akan menjadi terang dengan sangat lambat selama beberapa tahun dan kemudian kembali ke kecerahan aslinya. Oleh karena itu, untuk memverifikasi secara ketat keberadaan lubang hitam purba yang berat tersebut, kita harus terus mengamati langit malam tanpa henti untuk jangka waktu yang sangat lama, selama beberapa tahun atau lebih, untuk menangkap apakah fenomena amplifikasi di mana bintang latar belakang menjadi terang lalu redup terjadi!
Untuk tujuan ini, para astronom sedang melakukan proyek pengamatan besar-besaran, OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), yang menunggu dan memantau fenomena mikrolensing yang terjadi di dalam galaksi kita. Secara khusus, untuk menangkap mikrolensing oleh lubang hitam purba yang mungkin melayang di ruang halo galaksi kita, analisis kali ini menganalisis hasil pengamatan langit di arah Awan Magellan Besar (Large Magellanic Cloud), salah satu galaksi satelit yang mengelilingi galaksi kita.
Jika lubang hitam purba kebetulan lewat di ruang halo galaksi kita antara Awan Magellan Besar dan Bumi, fenomena mikrolensing di mana cahaya bintang di Awan Magellan Besar tampak terang sesaat dapat terjadi karena lubang hitam tersebut. Untuk menangkap sebanyak mungkin fenomena mikrolensing, termasuk yang disebabkan oleh benda langit yang relatif berat yang berlanjut perlahan selama bertahun-tahun, para astronom menganalisis data observasi besar yang terkumpul selama 20 tahun dari 2001 hingga 2020. Selama waktu itu, OGLE terus memantau perubahan kecerahan hampir 80 juta bintang yang bersinar di Awan Magellan Besar.
Jika identitas materi gelap yang mengisi sebagian besar massa halo galaksi kita adalah lubang hitam purba, fenomena mikrolensing seharusnya sering terlihat dalam 20 tahun tersebut. Sebagai contoh, jika lubang hitam purba di halo galaksi kita semuanya adalah lubang hitam dengan massa 10 kali massa matahari, seharusnya terjadi 258 fenomena mikrolensing di langit arah Awan Magellan Besar selama periode pengamatan total. Jika mengasumsikan lubang hitam purba yang melayang di ruang halo adalah lubang hitam tingkat 100 kali massa matahari, kita seharusnya melihat total 99 kali mikrolensing, dan jika diasumsikan tingkat 1000 kali massa matahari, kita seharusnya melihat setidaknya 27 kali mikrolensing. Lalu, bagaimana dengan hasil pengamatan besar yang dilakukan selama 20 tahun tersebut?
Hasilnya sangat mengerikan. Total fenomena mikrolensing yang ditangkap oleh survei OGLE di langit arah Awan Magellan Besar selama 20 tahun hanya 12 kali. Selain itu, jika kita menghitung massa benda yang berperan sebagai lensa berdasarkan seberapa terang bintang latar belakang tampak, ke-12 kejadian tersebut hanyalah mikrolensing sederhana yang disebabkan oleh bintang di galaksi kita yang keberadaannya sudah diketahui. Dengan kata lain, tidak satu pun fenomena mikrolensing yang disebabkan oleh lubang hitam purba yang melayang di ruang halo terkonfirmasi. Lubang hitam purba di halo yang diprediksi oleh Stephen Hawking tidak ditemukan.
Bahkan jika kita mengumpulkan semua benda padat yang menyebabkan mikrolensing yang dikonfirmasi oleh pengamatan selama 20 tahun terakhir, itu tidak mengisi seluruh massa halo galaksi kita. Bahkan jika kita mengumpulkan semua benda langit dengan massa antara 1,8 × 10−4 hingga 6,3 kali massa matahari, itu hanya 1% dari massa materi gelap yang dibutuhkan untuk mengisi massa halo galaksi kita. Bahkan jika kita menyertakan rentang yang lebih luas dan mengumpulkan benda-benda dengan massa antara 1,3 × 10−5 hingga 860 kali massa matahari, itu hanya mengisi 10% dari total massa materi gelap di halo galaksi kita. Faktanya, lubang hitam purba sama sekali tidak dapat memenuhi target materi gelap galaksi kita. Lubang hitam purba, yang merupakan salah satu kandidat paling kuat yang dipikirkan sebagai identitas materi gelap, kini telah hilang dari daftar kandidat tersebut.
Jika melalui pengamatan kali ini terungkap bahwa sebagian besar massa materi gelap diisi oleh lubang hitam purba, misteri materi gelap mungkin akan terpecahkan dengan lebih mudah. Misteri abadi bernama lubang hitam mungkin akan tetap ada, tetapi setidaknya akan ada kesimpulan yang lebih damai bahwa materi gelap bukanlah zat yang misterius, melainkan hanya potongan lubang hitam yang sulit ditemukan karena massanya yang ringan. Namun, pengamatan kali ini menunjukkan bahwa kita bahkan tidak bisa mengharapkan kesimpulan damai seperti itu, dan menunjuk pada kesimpulan yang paling membingungkan bagi para fisikawan. Bahwa materi gelap mungkin adalah zat yang sama sekali baru yang terdiri dari partikel misterius yang belum kita pahami.
Referensi
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07704-6
Siapa penulis Ji Woong-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta setelah menonton 'Galaxy Express 999'. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Galaxy Evolution Center dan Near Universe Cosmology Lab di Universitas Yonsei, serta melakukan berbagai aktivitas komunikasi sains seperti ceramah dan penulisan. Ia menulis buku-buku seperti 'Observatorium yang Bersemi', 'Memikirkan Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.