[비즈한국] Pada bulan Juli 1994, para astronom yang mengamati Jupiter menyaksikan pemandangan yang mencengangkan. Pecahan-pecahan komet Shoemaker-Levy, yang telah terpecah menjadi 21 bagian akibat gravitasi kuat saat mendekati Jupiter pada tahun 1992, jatuh menghujam ke arah permukaan planet tersebut. Bekas memar berwarna gelap tertinggal di permukaan awan Jupiter. Bahkan terlihat jelas gelombang kejut yang menyebar secara instan di permukaan Jupiter saat pecahan komet jatuh. Fenomena gelombang kejut tersebut terlihat lebih jelas karena komet jatuh tepat di perbatasan antara bagian siang hari yang disinari matahari dan bagian malam hari yang membelakangi matahari.
Namun, yang dapat dilihat di bagian malam Jupiter yang membelakangi matahari mungkin bukan hanya jejak gelombang kejut akibat jatuhnya komet. Baru-baru ini, para astronom mulai membahas kemungkinan menemukan jejak materi gelap, misteri lama kosmologi modern, di bagian malam Jupiter tersebut!
Planet gas raksasa di bagian luar tata surya, termasuk Jupiter, mengandung sejumlah besar hidrogen. Hidrogen adalah komponen paling umum yang mencakup 75% massa seluruh alam semesta. Hidrogen yang biasanya mudah ditemukan di ruang antarbintang antara bintang dan bintang berbentuk molekul hidrogen, yaitu gabungan dua atom hidrogen. Ini adalah bentuk hidrogen yang cukup stabil bahkan di ruang antarbintang yang bersuhu sangat rendah.
Namun, jika ada benda langit yang memancarkan energi kuat ke segala arah—seperti lubang hitam yang menyemburkan jet atau bintang terang yang memancarkan sinar ultraviolet intens—maka dapat tercipta bentuk hidrogen yang sedikit berbeda. Inilah yang disebut kation trihidrogen (H3+), yang terbentuk dari tiga atom hidrogen. Biasanya, satu atom hidrogen terdiri dari satu proton di inti dan satu elektron di sekitarnya. Molekul hidrogen yang stabil terdiri dari dua atom hidrogen tersebut, dengan total dua proton dan dua elektron.
Akan tetapi, jika ada benda langit yang memancarkan cahaya kuat di sekitar dan memberikan energi besar, satu elektron dapat terlepas dari molekul hidrogen sehingga membentuk ion hidrogen diatomik (H2+). Ion hidrogen diatomik yang terbentuk ini kemudian bergabung kembali dengan atom hidrogen biasa yang ada di sekitarnya, sehingga akhirnya membentuk kation trihidrogen yang berbentuk segitiga dengan satu elektron yang terlepas dari tiga atom hidrogen. Bentuk unik dari ion hidrogen ini pertama kali ditemukan secara tidak sengaja oleh fisikawan J. J. Thomson saat melakukan eksperimen menggunakan plasma pada tahun 1911.
Kation trihidrogen juga ada di Jupiter. Partikel angin surya berenergi tinggi yang dipancarkan matahari tumpah ke arah permukaan awan Jupiter dan membentuk kation trihidrogen. Kation ini mudah dideteksi terutama di bagian siang hari Jupiter yang terang yang menghadap langsung ke matahari. Selain itu, Jupiter membentuk medan magnet yang kuat. Partikel berenergi tinggi mengikuti aliran medan magnet dan terkonsentrasi di kutub utara dan selatan Jupiter, membentuk aurora terang di sekitar wilayah kutub seperti halnya di Bumi. Lebih banyak kation trihidrogen pun terbentuk di sekitar wilayah kutub. Sebaliknya, di bagian malam Jupiter yang gelap yang membelakangi matahari, dapat diperkirakan bahwa kation trihidrogen hampir tidak ada karena tidak ada energi kuat yang merangsang atom hidrogen di dalam awan Jupiter.
Namun, belum tentu demikian! Sumber energi yang merangsang hidrogen di dalam awan Jupiter tidak harus berasal dari partikel sinar kosmik angin surya. Bagaimana jika itu adalah partikel misterius yang menyusun materi gelap?
Pada awalnya, materi gelap adalah konsep yang diperkenalkan untuk menjelaskan pergerakan bintang-bintang yang sangat cepat di dalam galaksi. Materi ini dianggap sebagai zat misterius yang tidak menyerap maupun memancarkan cahaya, tidak berinteraksi dengan cahaya sama sekali, namun memiliki massa. Oleh karena itu, materi ini berperan mengisi kekurangan gravitasi untuk menjelaskan wujud alam semesta. Identitas materi gelap masih belum terungkap. Bahkan belum pasti apakah materi gelap terdiri dari partikel-partikel kecil seperti partikel dasar lainnya.
Jika materi gelap adalah entitas yang terdiri dari partikel tertentu, maka ada secercah harapan. Partikel materi gelap pada akhirnya mungkin memiliki antimateri atau antipartikel yang sesuai. Jika partikel materi gelap dan antipartikel saling bertabrakan, dimungkinkan terjadi proses pemusnahan (annihilation) di mana seluruh massa kedua partikel berubah menjadi energi dan menghilang bersama. Meskipun partikel materi gelap itu sendiri tidak dapat menyerap atau memancarkan cahaya, pemusnahan pasangan partikel dan antipartikel materi gelap dapat meninggalkan energi yang cukup kuat di ruang angkasa sekitarnya. Faktanya, beberapa astronom telah mencoba mencari jejak sinar gamma atau sinar-X berenergi tinggi yang mungkin dipancarkan dari pemusnahan materi gelap semacam ini. Tentu saja, pengamatan ini belum menemukan bukti yang jelas.
Materi gelap biasanya muncul untuk menjelaskan pergerakan bintang dan galaksi dalam skala galaksi atau gugus galaksi. Oleh karena itu, sering dianggap bahwa materi gelap hanya ada di ruang galaksi. Namun, tidak harus demikian. Tata surya kita juga merupakan bagian dari galaksi yang terkandung dalam Bima Sakti. Jika materi gelap tersebar di seluruh galaksi, maka sudah sewajarnya materi gelap juga meresap ke dalam ruang tata surya yang merupakan bagian darinya. Dan ada kemungkinan bahwa pemusnahan materi gelap terjadi di berbagai tempat di tata surya, meninggalkan jejak energi yang kuat.
Dalam penelitian ini, para fisikawan menaruh perhatian pada kemungkinan bahwa pemusnahan materi gelap terjadi di atmosfer planet gas raksasa seperti Jupiter. Jika demikian, energi kuat yang dilepaskan dalam proses pemusnahan dapat merangsang atom hidrogen di awan Jupiter, dan melalui proses yang dijelaskan sebelumnya, kation trihidrogen yang sangat tidak stabil dapat terbentuk. Jika kation trihidrogen terdeteksi di awan Jupiter lebih banyak dari yang kita perkirakan, itu bisa menjadi bukti tidak langsung yang menunjukkan kemungkinan adanya pemusnahan partikel materi gelap di dalam Jupiter.
Tentu saja, seperti dijelaskan sebelumnya, cara pembentukan kation trihidrogen di Jupiter tidak hanya satu. Atom hidrogen di awan dapat terionisasi karena terkena partikel angin surya, dan juga terbentuk saat aurora tercipta mengikuti medan magnet kuat Jupiter. Oleh karena itu, perlu dibedakan antara kation trihidrogen yang terbentuk dengan cara umum ini dan kation trihidrogen yang terbentuk secara murni melalui energi yang dilepaskan dari pemusnahan materi gelap.
Untuk tujuan ini, penelitian kali ini memusatkan perhatian pada bagian malam Jupiter yang gelap yang membelakangi matahari, terutama di bagian malam di garis lintang rendah yang dekat dengan khatulistiwa dan jauh dari wilayah kutub. Jika tingkat kation trihidrogen yang cukup tinggi terdeteksi bahkan di awan di bagian malam Jupiter yang gelap yang membelakangi matahari, itu berarti atom hidrogen sedang terionisasi oleh sumber energi misterius lain, bukan sinar matahari!
Apakah kation trihidrogen benar-benar ada di bagian malam Jupiter? Sebenarnya, pengamatan ini sudah pernah dicoba sejak lama. Wahana antariksa Cassini, yang sedang dalam perjalanan menuju Saturnus, melakukan lintas terbang (flyby) Jupiter pada Desember 2000. Saat itu, Cassini melewati bagian malam Jupiter yang gelap dengan cepat. Dalam proses ini, sensor yang terpasang pada Cassini mengonfirmasi keberadaan kation trihidrogen di dalam awan Jupiter.
Untungnya, kation trihidrogen meninggalkan jejak dalam rentang spektrum inframerah 3-5 mikrometer yang dapat kita amati sehari-hari. Oleh karena itu, keberadaan dan kandungannya dapat diketahui dengan cukup mudah. Namun sayangnya, pada saat itu wahana Cassini tidak menemukan jejak apa pun di bagian malam Jupiter. Artinya, menurut hasil eksplorasi Cassini, kation trihidrogen tidak terdeteksi di bagian malam Jupiter yang membelakangi matahari!
Jika demikian, apakah gagasan untuk menjadikan Jupiter sebagai detektor materi gelap raksasa yang diusulkan dalam penelitian ini menjadi sia-sia? Mengapa ide ini justru diajukan sekarang, padahal fakta bahwa kation trihidrogen tidak terdeteksi di awan Jupiter sudah dikonfirmasi melalui eksplorasi Cassini lebih dari 20 tahun yang lalu pada tahun 2000?
Menariknya, fakta bahwa kation trihidrogen tidak terdeteksi selama eksplorasi Cassini justru bisa menjadi petunjuk untuk lebih memperjelas karakteristik partikel materi gelap yang masih menjadi misteri!
Tidak terdeteksinya sinyal saat wahana Cassini melewati Jupiter mungkin bukan karena tidak adanya kation trihidrogen sama sekali, melainkan karena jumlahnya yang terlalu sedikit. Ada kemungkinan intensitas cahaya yang dipancarkan kation trihidrogen di awan Jupiter terlalu lemah sehingga tidak mencapai batas minimum yang dapat dideteksi oleh peralatan observasi wahana Cassini. Kita tahu persis batas observasi peralatan wahana Cassini, yaitu sinyal sekuat apa yang bisa dideteksi. Oleh karena itu, jika kita menerapkan batas ini secara terbalik, kita dapat membatasi jangkauan seberapa rendah sinyal kation trihidrogen di awan Jupiter saat itu. Dengan kata lain, jangkauan tingkat energi yang dapat dipancarkan oleh partikel materi gelap menjadi spesifik, yaitu tingkat energi maksimum yang mungkin dihasilkan oleh partikel materi gelap yang mungkin sedang mengalami pemusnahan di dalam Jupiter!
Seberapa banyak energi yang dapat ditinggalkan di Jupiter melalui pemusnahan partikel materi gelap yang saling bertabrakan ditentukan terutama oleh dua faktor. Pertama, massa masing-masing partikel materi gelap. Seperti yang diketahui dari rumus terkenal Einstein E=mc^2 yang menunjukkan prinsip kesetaraan bahwa massa adalah energi dan energi adalah massa, total massa dua partikel materi gelap yang menghilang saat pemusnahan diubah sepenuhnya menjadi energi. Oleh karena itu, jangkauan massa partikel materi gelap dapat ditentukan melalui jangkauan energi yang diperkirakan dari partikel materi gelap tersebut.
Faktor kedua adalah seberapa sering partikel materi gelap bertabrakan satu sama lain. Seberapa sering setiap partikel dapat bertabrakan, yaitu probabilitas jalur pergerakan partikel yang tumpang tindih, ditentukan oleh luas penampang partikel. Jika luas penampang setiap partikel besar, maka kemungkinan tumpang tindih dan tabrakan akan semakin tinggi, dan jika luas penampangnya kecil, maka partikel tidak mudah tumpang tindih dan saling menghindari. Akhirnya, total energi yang dapat dipancarkan oleh partikel materi gelap di dalam Jupiter dapat dipandang sebagai fungsi yang ditentukan oleh dua faktor, yaitu massa partikel materi gelap dan luas penampang masing-masing partikel.
Karena sinyal kation trihidrogen tidak terdeteksi dalam pengamatan wahana Cassini sebelumnya, kita dapat mengasumsikan bahwa jumlah energi yang mungkin dihasilkan oleh partikel materi gelap di dalam Jupiter berada di bawah batas observasi peralatan wahana Cassini. Dengan memvariasikan massa dan luas penampang partikel materi gelap hipotetis dalam jangkauan yang tidak melampaui batas deteksi peralatan pengamatan Cassini, kita dapat mengusulkan di jangkauan mana besaran fisik partikel materi gelap berada!
Ini adalah kemajuan yang sangat luar biasa. Karena kita dapat membatasi jangkauan yang wajar tentang di mana kita harus mencari partikel kandidat materi gelap. Kita tidak perlu membabi buta mencari kandidat partikel materi gelap di semua jangkauan massa dan jangkauan luas penampang, melainkan cukup mencarinya di dalam jangkauan tertentu. Ini bisa menjadi panduan yang sangat baik bagi para fisikawan yang telah berusaha selama puluhan tahun di laboratorium untuk menemukan kandidat partikel yang dicurigai sebagai identitas materi gelap!
Selain itu, penelitian ini menyajikan panduan yang lebih menarik. Apakah partikel materi gelap harus meresap hanya ke planet-planet di tata surya kita? Tentu saja ada kemungkinan mereka meresap ke dalam planet ekstrasurya gas yang mengorbit bintang lain di luar tata surya. Dan jika pemusnahan antar partikel materi gelap terjadi di sana mirip dengan yang ada di Jupiter, maka seharusnya kita dapat mendeteksi keberadaan kation trihidrogen yang lebih tinggi di bagian malam planet ekstrasurya yang gelap yang membelakangi bintang masing-masing. Partikel materi gelap diperkirakan lebih padat dan berkerumun menuju pusat galaksi di mana gravitasi lebih kuat, termasuk di Bima Sakti kita. Oleh karena itu, akan lebih menguntungkan untuk mengamati planet ekstrasurya yang ada di dekat pusat galaksi di mana kepadatan materi gelap tinggi. Analisis ini bahkan memberikan prediksi tentang seberapa besar sinyal akibat kation trihidrogen yang dapat terdeteksi di atmosfer planet ekstrasurya gas berat yang memiliki massa sekitar 10 kali massa Jupiter, jika planet tersebut berada pada jarak sekitar 300 tahun cahaya dan 3.000 tahun cahaya dari pusat galaksi kita!
Jika argumen penelitian ini benar, kita sekarang dapat memanfaatkan planet gas raksasa seperti Jupiter dan Saturnus sebagai detektor materi gelap raksasa. Kita hanya perlu mencari jejak energi yang dilepaskan dari proses pemusnahan partikel materi gelap yang diam-diam menyelinap ke dalam planet gas di balik awan tebal. Namun, ada keterbatasan penting. Untuk menyaring jejak yang disebabkan oleh partikel materi gelap, kita harus melihat bagian malam planet gas yang gelap yang membelakangi matahari. Namun, Jupiter dan Saturnus serta planet gas yang kita lihat dari Bumi selalu merupakan bagian siang hari yang terang yang memantulkan sinar matahari. Oleh karena itu, tidak peduli seberapa banyak kita mengamati dengan teleskop darat, bahkan teleskop luar angkasa Hubble atau James Webb yang mengitari Bumi, kita tidak dapat melihat bagian belakang planet gas yang membelakangi matahari.
Pada akhirnya, untuk memanfaatkan Jupiter dan Saturnus sebagai detektor materi gelap raksasa, perlu mengirim wahana antariksa baru ke sekitarnya untuk memverifikasi secara langsung saat melewati bagian malam yang gelap yang membelakangi matahari. Wahana Cassini juga merupakan wahana antariksa lama yang sudah usang yang mengunjungi Jupiter lebih dari 20 tahun yang lalu. Sekarang sudah era di mana kita bisa mengirim wahana antariksa baru yang dilengkapi dengan detektor yang lebih canggih yang mampu mendeteksi tingkat energi yang lebih lemah dari itu.
Tentu saja, masih dibutuhkan penantian panjang selama bertahun-tahun hanya untuk pergi dari Bumi ke Jupiter dan Saturnus. Namun, dari sudut pandang astronomi, keberuntungan besar bahwa planet-planet tata surya yang berada tepat di depan mata kita, yang dapat dicapai dalam beberapa tahun, dapat digunakan sebagai laboratorium eksperimen besar untuk mengonfirmasi identitas materi gelap, misteri terbesar alam semesta. Hari di mana planet gas di ujung tata surya, yang tadinya dianggap hanya menjalankan perannya untuk bidang sains planet seperti asal usul tata surya dan evolusi planet, akan digunakan sebagai panggung eksperimen baru untuk memecahkan misteri kosmologi yang lebih besar sudah tidak lama lagi.
Video Aurora Kutub Jupiter
https://www.youtube.com/watch?v=dplSgv6qlMk
https://esahubble.org/videos/heic1613a/
Video Medan Magnet Jupiter
https://svs.gsfc.nasa.gov/4142
Video hasil pengamatan teleskop ruang angkasa Fermi yang mencari jejak cahaya sinar gamma yang diperkirakan akan dipancarkan dari pemusnahan antar partikel materi gelap di pusat galaksi Bima Sakti kita
https://svs.gsfc.nasa.gov/11513/
Video visualisasi partikel materi gelap yang berkerumun, saling bertabrakan, dan berputar cepat di sekitar lubang hitam pusat galaksi Bima Sakti kita
https://svs.gsfc.nasa.gov/4183/
Animasi yang menggambarkan proses pelepasan energi saat kandidat partikel materi gelap (WIMP, partikel berat yang berinteraksi lemah) saling bertabrakan dan musnah
https://svs.gsfc.nasa.gov/10955/
Referensi
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.261002
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JA021097
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Saat masih kecil, ia menonton 'Galaxy Express 999' dan bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia sedang meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta aktif dalam berbagai komunikasi sains seperti ceramah dan penulisan. Ia telah menulis buku seperti 'Observatorium yang Bersemi', 'Memikirkan Alam Semesta Sepanjang Hari', dan 'Bintang, Sains Cahaya'.