[비즈한국] Tampaknya banyak orang yang tidak menyukai konsep materi gelap. Bintang-bintang terang yang terlihat saja tidak cukup untuk menjelaskan gravitasi di alam semesta. Akhirnya, para astronom terpaksa menyimpulkan bahwa ada sesuatu di alam semesta yang tidak berinteraksi dengan cahaya, namun memiliki massa dan memberikan efek gravitasi.
Materi gelap diperkirakan mencakup 80% dari total massa alam semesta. Menurut kosmologi standar saat ini, tidak ada satu pun objek di alam semesta yang dapat terbentuk tanpa materi gelap. Tanpa materi gelap, gravitasi galaksi akan menjadi sangat lemah, dan bintang-bintang yang berputar cepat di sekitar galaksi seharusnya sudah lama terlepas dari gravitasi galaksi dan tersebar ke ruang angkasa. Galaksi, gugus galaksi, dan struktur besar alam semesta kita yang tetap stabil hingga kini serta tidak hancur, semuanya adalah hasil dari peran materi gelap.
Namun, banyak orang tidak menyambut baik konsep ini mungkin karena kenyataan pahit bahwa kita belum mengetahui apa sebenarnya materi gelap itu atau dari apa ia terbuat. Bahkan, tidak sedikit yang berpendapat bahwa materi gelap itu sendiri tidak ada di alam semesta, dan semua hal yang dianggap astronom sebagai bukti tidak langsung hanyalah sebuah ilusi. Sebagai seorang astronom, sulit rasanya menerima tuduhan buta tersebut. Keberadaan materi gelap adalah kesimpulan paling masuk akal yang ditunjukkan oleh berbagai data observasi independen yang telah terkumpul selama hampir setengah abad terakhir.
Jika materi gelap benar-benar ada dan mencakup porsi yang begitu besar di alam semesta, mengapa kita belum pernah menangkapnya dengan jelas? Mungkin saja kita telah menangkap bukti paling pasti tentang materi gelap tanpa kita sadari. Baru-baru ini, sebuah analisis yang sangat menarik telah dipublikasikan. Penelitian ini menyatakan bahwa 15 tahun lalu, kita sebenarnya telah menangkap bukti keberadaan materi gelap yang persis seperti yang kita harapkan. Hanya saja, kita kurang percaya diri dan terlalu berhati-hati sehingga gagal menerima bukti tersebut sebagaimana mestinya. Apa sebenarnya bukti yang kita tangkap 15 tahun lalu itu?
Mari kita kembali ke 15 tahun yang lalu. Pada Juni 2008, Teleskop Ruang Angkasa Sinar Gamma Fermi diluncurkan ke orbit. Teleskop lapangan lebar (LAT - Large Area Telescope) yang terpasang di dalamnya telah secara konsisten mendeteksi sinar gamma di seluruh alam semesta selama bertahun-tahun. Sinar gamma sering muncul dalam film pahlawan super sebagai penyebab mutasi akibat paparan radiasi yang tidak disengaja. Hal itu karena sinar gamma memiliki panjang gelombang yang jauh lebih pendek dan energi yang jauh lebih kuat daripada sinar-X. Sinar gamma terpancar saat bom nuklir meledak.
Sinar gamma muncul pada momen-momen paling ekstrem dan keras di alam semesta. Contohnya, saat bintang masif yang telah habis masa hidupnya meledak sebagai supernova. Sinar gamma juga tertangkap saat puing-puing yang terlontar dengan kecepatan tinggi menabrak materi antarbintang. Selain itu, sinar gamma juga terdeteksi dari pulsar, yaitu bintang neutron yang berputar sangat cepat dan membentuk medan magnet yang kuat. Sinar gamma yang sangat kuat juga terdeteksi di pusat galaksi, di mana lubang hitam supermasif menelan materi secara rakus, terutama dalam fenomena ekstrem seperti kuasar yang hanya ada di alam semesta awal.
LAT pada Teleskop Fermi mampu memindai sekitar 20% luas langit dalam sekali pandang. Berkat ini, teleskop tersebut dapat menangkap berbagai fenomena ekstrem yang terjadi terus-menerus di seluruh alam semesta. Namun, kontroversi baru muncul pada tahun 2009 ketika peta sinar gamma di dekat pusat galaksi kita dirilis.
Teleskop Fermi menemukan bahwa ada pancaran sinar gamma yang sangat terang yang terkonsentrasi di pusat galaksi kita. Pusat galaksi kita memiliki densitas bintang dan gas yang sangat tinggi. Di sana, bintang-bintang masif dengan evolusi cepat berkumpul dengan padat, dan ledakan supernova serta kematian bintang terjadi sangat sering. Lubang hitam supermasif dengan massa 4 juta kali massa matahari juga diperkirakan berkontribusi pada sinar gamma yang intens di pusat galaksi. Para astronom sebenarnya sudah memetakan seberapa tinggi kepadatan supernova dan pulsar di sana, serta betapa dahsyatnya energi yang dimuntahkan oleh lubang hitam pusat galaksi.
Masalahnya, meski kita sudah memperhitungkan semua fenomena yang kita ketahui sebagai penghasil sinar gamma, perhitungan tersebut tidak mampu menjelaskan intensitas sinar gamma yang kuat yang ditangkap oleh teleskop Fermi. Dibandingkan dengan hasil perhitungan berdasarkan semua sumber sinar gamma yang kita kenal, galaksi kita memancarkan sinar gamma yang kekuatannya hampir dua kali lipat. Ini mengisyaratkan bahwa ada sesuatu yang tersembunyi di pusat galaksi kita yang belum kita ketahui dan memancarkan sinar gamma. Misteri ini disebut sebagai *GeV Excess* (kelebihan sinar gamma GeV) di pusat galaksi. Dan hingga saat ini, belum diketahui apa penyebab sinar gamma yang lebih kuat dari perkiraan tersebut.
Namun, setelah fenomena *GeV Excess* diketahui, muncul hipotesis menarik di kalangan astronom: bahwa ini disebabkan oleh materi gelap. Pada dasarnya, materi gelap tidak berinteraksi dengan cahaya dengan cara apa pun. Ia tidak hanya tidak bercahaya, tetapi juga tidak menyerap cahaya. Oleh karena itu, kita tidak dapat menemukan jejaknya melalui pengamatan citra atau spektrum biasa.
Tetapi kita bisa berasumsi seperti ini: jika materi gelap terdiri dari partikel dasar yang belum diketahui, maka kemungkinan besar terdapat partikel lawan atau antipartikel yang bersesuaian, layaknya elektron dan positron. Saat partikel dan antipartikel bertabrakan, seluruh massa keduanya berubah menjadi energi, melepaskan energi yang sangat masif. Ingatlah bahwa fusi nuklir, di mana hanya sebagian kecil massa inti atom yang diubah menjadi energi, sudah cukup membuat bintang raksasa seperti matahari bersinar selama miliaran tahun. Jika itu adalah pemusnahan total (*annihilation*) di mana seluruh massa dua partikel berubah menjadi energi, bayangkan betapa besarnya energi yang dilepaskan! Begitu pula, jika partikel materi gelap bertabrakan dengan antipartikel materi gelap, mereka dapat melepaskan energi dalam jumlah masif seketika.
Satu hal yang perlu diperhatikan: meskipun materi gelap tidak berinteraksi dengan cahaya yang ada, namun dalam proses pemusnahan ketika materi gelap bertabrakan satu sama lain, mereka dapat melepaskan energi masif yang tertangkap sebagai sinar gamma kuat pada tingkat GeV.
Jika kita mempertimbangkan distribusi kepadatan di pusat galaksi berdasarkan model materi gelap klasik, spekulasi ini sangat masuk akal. Materi gelap tidak terpengaruh oleh suhu, panas, atau tekanan. Ia berkumpul hanya karena gravitasi. Dalam astronomi, ini disebut materi gelap dingin (*cold dark matter*), yang merupakan model terbaik untuk menjelaskan alam semesta kita saat ini. Menurut model ini, saat materi gelap berkumpul karena gravitasi dan membentuk halo galaksi, kepadatan meningkat secara tajam ke arah pusat galaksi. Distribusi kepadatan ini disebut profil Navarro-Frenk-White (NFW). Galaksi kita pun kemungkinan terbentuk melalui proses ini. Oleh karena itu, kita bisa berpikir bahwa di pusat galaksi kita, partikel materi gelap berkumpul dengan kepadatan sangat tinggi meski tak terlihat.
Semakin tinggi kepadatan, semakin tinggi probabilitas partikel materi gelap untuk saling bertabrakan. Akibatnya, pemusnahan partikel dan antipartikel materi gelap akan terjadi sangat sering. Pada akhirnya, sumber kelebihan sinar gamma di pusat galaksi kita mungkin saja berasal dari pemusnahan materi gelap yang berkumpul dengan kepadatan tinggi tersebut. Menariknya, distribusi kelebihan sinar gamma yang ditangkap oleh teleskop Fermi terlihat sangat simetris terhadap pusat galaksi. Ini sangat cocok dengan prediksi bahwa terdapat gumpalan materi gelap dengan kepadatan tinggi yang terkumpul di sana. Jika demikian, apakah keberadaan materi gelap sudah terbukti dengan jelas? Belum tentu.
Bahkan sebelum teleskop Fermi memindai pusat galaksi kita, pada tahun 2007, astronom lain memberikan analisis negatif bahwa metode mencari kelebihan sinar gamma saja tidak akan cukup untuk memberikan bukti "tak terbantahkan" tentang materi gelap. Mereka mengangkat isu bahwa selain supernova dan lubang hitam, pulsar yang berputar sangat cepat—dikenal sebagai pulsar milidetik—juga bisa menjadi penyebab tambahan sinar gamma.
Saat bintang yang berputar runtuh dan volumenya menyusut drastis, terciptalah pulsar yang berputar dengan kecepatan sangat tinggi untuk menjaga momentum sudut. Terutama di daerah padat seperti pusat galaksi, sering terbentuk sistem bintang ganda. Jika salah satu bintang dalam sistem biner menjadi pulsar, ia akan mencuri materi dari bintang pendampingnya. Proses ini mempercepat rotasi pulsar tersebut hingga menjadi pulsar milidetik.
Pulsar milidetik yang terbentuk seperti ini dapat bertahan hidup selama miliaran tahun. Jika fenomena ini sering terjadi di pusat galaksi kita sepanjang sejarah, kemungkinan besar terdapat banyak pulsar milidetik yang berkumpul dengan kepadatan tinggi di pusat galaksi kita saat ini. Mereka tidak hanya memancarkan gelombang radio yang kuat, tetapi juga sinar gamma.
Dalam makalah tahun 2007, para astronom mengangkat masalah bahwa ada kemungkinan besar sinar gamma dari pulsar milidetik disalahartikan sebagai jejak materi gelap, dan mengkritik bahwa upaya mencari jejak materi gelap hanya berdasarkan kelebihan sinar gamma adalah sia-sia. Alasan mengapa gelombang radio yang kuat tidak terdeteksi bersamaan dengan sinar gamma (yang seharusnya terjadi jika itu pulsar milidetik) dapat dijelaskan: pusat galaksi dipenuhi oleh awan gas dengan kepadatan yang sangat tinggi, yang menyebabkan gelombang radio terpencar ke segala arah sehingga sulit diamati.
Pada akhirnya, kelebihan sinar gamma di pusat galaksi kita menjadi situasi di mana kedua penjelasan—baik karena materi gelap maupun karena pulsar milidetik—sama-sama masuk akal. Karena kontroversi ini terus berlanjut, hingga kini belum ada kesimpulan pasti mengenai sumber sebenarnya dari fenomena kelebihan sinar gamma yang sangat simetris yang ditangkap oleh teleskop Fermi.
Namun baru-baru ini, hasil analisis yang sangat menjanjikan telah dipublikasikan bagi para astronom yang berharap bahwa kelebihan sinar gamma akan membuktikan keberadaan materi gelap. Kali ini, petunjuknya datang dari pengamatan inframerah, bukan sinar gamma. Jika dilihat dengan sinar gamma, pusat galaksi kita tampak hampir dua kali lebih terang dari perkiraan, namun jika dilihat dengan inframerah, pusat galaksi justru tampak jauh lebih gelap. Jelas bahwa di pusat galaksi, di *Central Molecular Zone* (CMZ), banyak bintang meledak dan memancarkan berbagai cahaya, sehingga awan debu yang dipanaskan seharusnya memancarkan inframerah yang kuat. Namun, pengamatan sebenarnya menunjukkan bahwa pusat galaksi kita justru memancarkan inframerah yang sangat lemah. Pusat galaksi kita yang menyebabkan masalah karena "kelebihan" sinar gamma, kini menunjukkan masalah baru: "kekurangan" atau "hilangnya" inframerah.
Biasanya, molekul hidrogen di ruang antarbintang ada dalam bentuk H₂, di mana dua atom hidrogen identik berikatan. Karena strukturnya simetris, momen dipol listriknya tidak mudah berubah melalui getaran atau rotasi dalam molekul. Padahal, agar molekul dapat menyerap inframerah berpanjang gelombang panjang, momen dipol harus bisa berubah-ubah melalui getaran atau rotasi molekul. Bukan hanya molekul hidrogen, molekul diatomik simetris seperti nitrogen (N₂) dan oksigen (O₂) juga memiliki perubahan momen dipol listrik yang sangat kecil. Oleh karena itu, molekul-molekul ini tidak dapat menghasilkan penyerapan inframerah yang signifikan secara umum. Sebaliknya, molekul poliatomik yang terdiri dari tiga atom atau lebih, seperti karbon dioksida atau air, tidak bersifat simetris. Karena getaran dan rotasi asimetris dimungkinkan, mereka jauh lebih efisien dalam menyerap inframerah.
Untuk menjelaskan masalah hilangnya inframerah yang terdeteksi di pusat galaksi, akhirnya disimpulkan bahwa harus ada molekul dalam bentuk ion trihidrogen (H₃⁺), yaitu molekul yang terbentuk dari tiga atom hidrogen, di pusat galaksi. Ini adalah bentuk di mana tiga atom hidrogen berikatan dengan satu elektron yang hilang, sehingga memiliki struktur asimetris yang memungkinkan getaran dan rotasi molekul. Berkat itu, momen dipol listriknya mudah berubah, dan dapat bertindak sebagai penyerap inframerah yang sangat efisien. Faktanya, komponen ini adalah molekul utama yang menyerap inframerah dengan kuat di atmosfer Jupiter. Untuk menjelaskan semua inframerah yang hilang di pusat galaksi kita, kesimpulannya adalah terdapat H₃⁺ hampir 100 kali lebih banyak dari perkiraan di pusat galaksi kita. Tim peneliti berpendapat bahwa di sinilah bukti baru materi gelap tersembunyi.
Penelitian ini berasumsi bahwa partikel materi gelap yang berkumpul di pusat galaksi kita adalah materi gelap bermassa menengah dengan massa sekitar beberapa MeV, yang sedikit lebih ringan dari perkiraan awal. Partikel dan antipartikel materi gelap dengan skala ini saling bertabrakan, mengalami pemusnahan, dan peluruhan, sehingga melepaskan elektron dan positron. Elektron dan positron yang dihasilkan secara tambahan ini mengionisasi hidrogen biasa dan menciptakan H₃⁺ yang terbentuk dari tiga atom hidrogen.
Singkatnya, materi gelap yang terkonsentrasi di pusat galaksi kita saling bertabrakan untuk menghasilkan elektron dan positron baru, yang kemudian mengionisasi hidrogen biasa di materi antarbintang, yang pada akhirnya membentuk molekul asimetris dengan tiga atom hidrogen.
Pemusnahan elektron-positron ini juga melepaskan sinar gamma dengan tingkat energi tepat 511 keV. Fakta ini dapat menjelaskan fenomena penting yang belum terpecahkan sejak tahun 1970-an, jauh sebelum teleskop Fermi diluncurkan. Sejak lama, para astronom menemukan masalah bahwa sinar gamma dengan energi 511 keV secara eksklusif terkonsentrasi di area yang sangat sempit di pusat galaksi kita. Jika kita menerima hipotesis yang diajukan oleh makalah ini, misteri ini secara alami terpecahkan. Rasanya sangat mendebarkan seolah kepingan puzzle yang membuktikan keberadaan materi gelap telah masuk dengan sempurna dan semua masalah terpecahkan sekaligus.
Jika argumen yang diajukan kali ini benar, maka kita sudah lama melihat jejak yang ditunjukkan oleh materi gelap, namun tidak menyadari bahwa itu disebabkan oleh materi gelap. Bahkan padahal materi gelap sudah memamerkan keberadaannya melalui cahaya berenergi tinggi—sinar gamma terkuat di alam semesta. Sungguh ironis membayangkan bahwa keberadaan yang benar-benar mirip hantu—yang tidak berinteraksi dengan cahaya sehingga tidak bisa difoto dan tidak bisa ditangkap oleh detektor—mungkin justru menunjukkan jejaknya melalui cahaya berenergi paling tinggi.
Saat fenomena kelebihan sinar gamma pertama kali ditemukan melalui teleskop Fermi 15 tahun lalu, mungkin kita terlalu rendah hati dan teliti. Mungkin kita terlalu cepat menyerah dengan memutuskan bahwa masih terlalu dini untuk menangkap bukti pasti materi gelap, lalu bersusah payah mencari alternatif lain seperti pulsar milidetik, dan secara tidak sadar mengabaikan kebenaran yang sudah terpampang jelas di depan mata.
Referensi
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.101001
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269311001742
Siapa penulis Ji Ung-bae? Dia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, setelah menonton ‘Galaxy Express 999’, ia bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia meneliti evolusi melalui interaksi galaksi di Galaxy Evolution Center dan Laboratorium Kosmologi Dekat di Universitas Yonsei, serta aktif melakukan komunikasi sains melalui ceramah dan penulisan. Ia telah menulis buku seperti ‘Observatorium yang Sedang PDKT’, ‘Berpikir tentang Alam Semesta Sepanjang Hari’, dan ‘Bintang, Sains Cahaya’.