[비즈한국] Materi gelap adalah hantu di alam semesta. Ia tidak meninggalkan jejak apa pun. 'Gelap' dalam materi gelap tidak sekadar berarti berwarna hitam atau suram. Ini berarti materi tersebut tidak memancarkan maupun menyerap cahaya, serta tidak memedulikan gaya elektromagnetik yang dimediasi oleh cahaya. Secara teknis, mungkin istilah yang lebih tepat adalah materi transparan daripada materi gelap.
Dalam astronomi modern, materi gelap adalah salah satu elemen terpenting yang menyusun alam semesta. Tanpa materi gelap, kita tidak bisa menjelaskan wujud alam semesta. Sepintas, alam semesta tampak seperti ruang kosong. Bintang-bintang yang bersinar terang dan material gas saja tidak cukup untuk menjelaskan mengapa alam semesta mampu mempertahankan bentuknya dengan kokoh. Untuk memahami alam semesta yang 'lebih kokoh dari penampilannya', kita mau tidak mau harus menyimpulkan bahwa ada sesuatu yang tidak terlihat sedang mengerahkan gaya gravitasi untuk menopang alam semesta agar tidak tercerai-berai.
Tanggung jawab untuk mengungkap identitas materi gelap kini telah berpindah dari tangan para astronom ke tangan para fisikawan partikel. Melihat materi gelap tidak berinteraksi dengan cahaya dengan cara apa pun, kemungkinan besar materi tersebut tidak terdiri dari proton, neutron, atau elektron biasa. Sangat mungkin materi ini terdiri dari partikel elementer lain yang sama sekali belum kita kenal. Oleh karena itu, di garda depan fisika partikel seperti Large Hadron Collider, sebuah ritual raksasa sedang dilakukan untuk mengejar sang hantu. Mereka terus-menerus membenturkan partikel yang dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya, berharap hantu itu akan muncul. Sayangnya, belum ada sinyal yang tertangkap oleh perangkat pemburu hantu tersebut.
Apakah kita memerlukan ritual pemanggilan roh yang lebih besar? Apakah membenturkan dua partikel saja tidak cukup? Setelah kegagalan demi kegagalan para fisikawan partikel, para astronom kembali turun tangan. Layaknya astronom, mereka memiliki visi yang besar. Bukan sekadar membenturkan dua partikel, mereka membenturkan dua gugus galaksi raksasa. Tentu saja, astronom tidak menciptakan benturan itu sendiri. Mereka hanya mengamati dengan saksama lokasi benturan dua gugus galaksi yang saling bertabrakan dengan kecepatan tinggi di ruang angkasa.
Contoh yang paling representatif adalah Gugus Peluru (Bullet Cluster), 1E 0657-56, yang terletak sejauh 3,7 miliar tahun cahaya. Tempat ini dianggap sebagai bukti terkuat bahwa hantu yang disebut materi gelap benar-benar mengintai di seluruh alam semesta. Ini juga merupakan lokasi yang memberikan keputusasaan terbesar bagi hipotesis alternatif yang muncul untuk menyangkal materi gelap. Baru-baru ini, Teleskop Luar Angkasa James Webb mengamati kembali 'tempat suci materi gelap' ini, dan petunjuk penting mengenai identitas hantu materi gelap kembali terungkap.
Meskipun gugus galaksi saling bertabrakan, galaksi-galaksi di dalamnya hampir tidak pernah benar-benar berbenturan. Galaksi dalam gugus galaksi terpisah jauh satu sama lain dengan kepadatan yang sangat rendah. Oleh karena itu, galaksi-galaksi yang melesat cepat menuju satu sama lain akan langsung menembus satu sama lain. Saat benturan terjadi, meskipun kecepatannya sedikit berkurang karena berpapasan terlalu dekat, tidak ada perubahan besar yang terjadi.
Namun, gugus galaksi tidak hanya berisi galaksi yang dipenuhi cahaya bintang. Ada material gas panas yang tersebar di ruang luas antar galaksi. Sebenarnya, tidak berlebihan jika mengatakan bahwa protagonis sebenarnya dari gugus galaksi bukanlah galaksi, melainkan material gas. Hal ini karena total massa material gas jauh lebih besar daripada total massa galaksi itu sendiri.
Material gas sensitif terhadap benturan. Saat dua gugus galaksi bertabrakan, material gas yang dibawa oleh masing-masing gugus juga ikut berbenturan. Pada saat itu, berbeda dengan galaksi, material gas tertahan di bidang benturan dengan kepadatan tinggi. Akibatnya, suhunya seketika naik hingga jutaan derajat, dan energi kuat tersebut dapat dikonfirmasi melalui pengamatan sinar-X. Jika Gugus Peluru diamati dengan teleskop sinar-X Chandra, kita dapat melihat distribusi material gas yang memanas di sepanjang bidang benturan. Berbeda dengan distribusi galaksi yang menembus bidang benturan dan melaju terus, material gas yang diamati dengan sinar-X terlihat jelas terkumpul dengan kepadatan sangat tinggi di bidang benturan.
Ada pemandangan menarik yang selalu menyertai pengamatan gugus galaksi raksasa seperti ini, yaitu citra semu yang dihasilkan oleh lensa gravitasi. Gugus galaksi dipenuhi oleh materi gelap dalam jumlah besar, meski tidak terlihat. Ruang-waktu di sekitarnya terdistorsi sebanding dengan total massa tersebut. Cahaya dari alam semesta latar belakang di balik gugus galaksi melengkung saat melewati ruang-waktu yang terdistorsi tersebut dalam perjalanannya menuju kita. Inilah sebabnya mengapa cahaya dari galaksi latar belakang yang jauh teramati dalam bentuk yang terdistorsi dan melengkung di sana-sini.
Melalui citra lensa gravitasi yang teramati di sekitar gugus galaksi, kita dapat mengetahui seberapa banyak materi gelap yang ada dan bagaimana distribusinya. Sebelumnya pada tahun 2004, para astronom mengamati citra lensa gravitasi di sekitar Gugus Peluru dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble dan memahami bagaimana total massa gugus galaksi, termasuk materi gelap, harus terdistribusi. Di sinilah mereka menemukan fakta yang mengejutkan.
Warna biru dalam foto tersebut menunjukkan distribusi materi gelap yang diidentifikasi melalui lensa gravitasi. Distribusinya sangat berbeda dengan distribusi material gas panas yang diidentifikasi melalui pengamatan sinar-X sebelumnya. Berbeda dengan material gas yang terkumpul dengan kepadatan tinggi di bidang benturan, distribusi total massa terlihat menembus bidang benturan dan terpisah menjadi dua gumpalan massa di sisi kiri dan kanan. Hal ini diterima sebagai bukti terkuat bahwa materi gelap yang seperti hantu memang ada sebagai materi, yang tidak berinteraksi sama sekali dengan material gas baryon biasa dan menembus lokasi benturan begitu saja.
Dengan kata lain, ini menunjukkan bahwa materi gelap memang terdiri dari partikel yang 'tidak saling bertabrakan (collisionless)'. Distribusi material gas yang sempat tertahan di bidang benturan, lalu terseret menembus bidang tersebut mengikuti materi gelap, terlihat seperti gelombang kejut peluru yang terbang membelah udara. Itulah sebabnya lokasi ini disebut Gugus Peluru. Sesuai dengan namanya, tempat ini diterima sebagai 'bukti nyata' (smoking gun) paling meyakinkan mengenai materi gelap.
Sebagai alternatif dari asumsi materi gelap, muncul hipotesis gravitasi Newton yang dimodifikasi (MOND) dengan asumsi bahwa efisiensi gravitasi berubah tergantung pada skala bekerjanya gravitasi. Secara umum, MOND mencoba menjelaskan mengapa bintang di pinggiran galaksi dapat berputar cepat seolah-olah tertahan oleh gravitasi yang lebih kuat dari yang terlihat, dengan memodifikasi akselerasi gravitasi agar bekerja sedikit lebih kuat pada skala kecil dibandingkan gravitasi Newton tradisional. Namun, bahkan MOND pun tidak dapat menjelaskan Gugus Peluru dengan mudah. Hal ini dikarenakan ketidaksesuaian antara distribusi material gas dan distribusi total massa yang ditunjukkan oleh Gugus Peluru terlalu besar. Menambahkan faktor koreksi sepele pada hukum gravitasi Newton saja tidak cukup untuk menciptakan perbedaan yang begitu nyata.
Baru-baru ini, James Webb mengamati dengan saksama Gugus Peluru yang tidak lain adalah tempat suci bagi para pendukung materi gelap. Berkat kinerjanya yang jauh lebih unggul daripada Hubble, teleskop ini berhasil mengidentifikasi citra lensa gravitasi yang lebih kecil dan samar yang tidak terlihat dalam pengamatan sebelumnya. Dalam studi kali ini, para astronom mengonfirmasi lebih dari 140 citra lensa gravitasi versi besar yang terlihat di Gugus Peluru. Mereka juga menggunakan citra lensa gravitasi berskala relatif kecil yang tersembunyi di sela-selanya untuk dianalisis. Dengan menggabungkan semua citra lensa gravitasi dari berbagai skala tersebut, mereka menggunakan algoritma untuk memahami distribusi massa total gugus galaksi dengan lebih akurat. Melalui cara ini, peta distribusi massa total gugus galaksi yang dapat menjelaskan semua citra lensa gravitasi yang teramati berhasil direkonstruksi.
Jika kita melihat lebih saksama peta distribusi massa total yang direkonstruksi dari analisis ini, bagian sebelah kiri terdistribusi dalam bentuk elips yang jauh lebih memanjang. Ini menunjukkan kemungkinan bahwa sebelum benturan yang membentuk Gugus Peluru saat ini, gugus galaksi di bagian kiri mungkin pernah mengalami benturan lain.
Poin yang lebih penting adalah bahwa distribusi total massa dari masing-masing gugus galaksi yang masih bertabrakan hampir sepenuhnya sesuai dengan distribusi cahaya bintang yang dikandung oleh masing-masing gugus. Jika kita membandingkan distribusi galaksi-galaksi terang di dalam gugus galaksi serta 'cahaya intracluster (Intracluster light, ICL)' yang tersebar di ruang antara galaksi satu dengan lainnya, tidak ada perbedaan besar dengan distribusi massa total yang diidentifikasi melalui analisis citra lensa gravitasi. Ini menunjukkan bahwa partikel materi gelap benar-benar tidak berinteraksi dengan bintang atau material gas lainnya. Bahkan dengan materi gelap lainnya pun tidak.
Saat ini, para astronom sedang mempertimbangkan hipotesis 'SIDM (Self-interacting dark matter)', di mana materi gelap diasumsikan saling bertabrakan dan berinteraksi satu sama lain, meski hanya lemah. Dalam model materi gelap dingin yang konvensional, materi gelap diasumsikan sebagai partikel hantu yang "bebal terhadap gravitasi", tidak berinteraksi sama sekali bahkan dengan sesamanya, dan hanya ditarik oleh gravitasi. Namun, karena ada masalah kosmologis yang tidak dapat dijelaskan hanya dengan model materi gelap dingin, mereka mempertimbangkan hipotesis bahwa materi gelap mungkin memiliki interaksi tertentu dengan sesamanya.
Namun, jika partikel materi gelap benar-benar berinteraksi, kita bisa mengajukan batasan sejauh mana mereka harus saling mendekat agar bisa merasakannya. Ini adalah penampang lintang minimum untuk interaksi yang mungkin terjadi. Penampang lintang yang besar berarti partikel materi gelap lebih sensitif daripada yang diperkirakan sehingga interaksi tetap mungkin terjadi meski jaraknya cukup jauh. Sebaliknya, penampang lintang yang kecil berarti partikel materi gelap sangat lamban dan pemalu sehingga mereka harus melintas sangat dekat agar bisa berinteraksi. Perbedaan antara distribusi massa total yang dikonfirmasi melalui pengamatan James Webb kali ini dengan distribusi total cahaya di dalam gugus galaksi hanya sangat kecil, dan untuk menjelaskan distribusi yang sebenarnya tidak jauh berbeda ini, penampang lintang partikel materi gelap yang diperlukan cukup mengejutkan.
Hasil perhitungan menunjukkan bahwa penampang lintang partikel materi gelap tetap berada pada level maksimum 0,5 cm^2/g. Ini hanya berada di batas terkecil dari kisaran penampang lintang efektif yang diusulkan dalam model SIDM, yang mengasumsikan bahwa mereka saling bertabrakan dan berinteraksi. Jika dibandingkan dengan atom hidrogen biasa, kita bisa melihat betapa kecil penampang lintangnya. Dalam kasus atom hidrogen, penampang lintang per satuan massa yang dapat berinteraksi adalah 1,7×10^7 cm^2/g. Artinya, bahkan pada jarak yang jauh lebih besar, atom hidrogen dapat merasakan keberadaan satu sama lain dan berinteraksi.
Namun menurut pengamatan kali ini, jika materi gelap memang SIDM, mereka hampir tidak akan merasakan keberadaan satu sama lain dan hampir tidak akan berinteraksi kecuali jika mereka benar-benar berpapasan di depan mata. Jika ini benar, maka pada dasarnya partikel materi gelap adalah 'hantu acuh tak acuh' yang kehadirannya tidak berarti apa-apa bagi partikel umum lainnya maupun sesama mereka sendiri. Kita jadi bisa memahami mengapa selama ini kita belum mampu menangkap jejak mereka. Mungkin ini bisa menjadi sedikit penghiburan bagi para fisikawan partikel yang masih tangan hampa.
Hasil penelitian kali ini, yang terungkap melalui pengamatan lebih saksama terhadap lokasi benturan dua gugus galaksi, memberikan pedoman yang berguna bagi fisikawan partikel yang mencoba memanggil materi gelap dengan membenturkan dua partikel di laboratorium. Karena penelitian ini memberikan batasan yang jelas mengenai seberapa pemalu dan tidak interaktifnya partikel yang harus dicari, serta sejauh mana batas kemampuan Large Hadron Collider harus ditingkatkan.
Seperti yang disarankan dalam hasil penelitian ini, unit penampang lintang partikel materi gelap menggunakan satuan per satuan massa, yaitu dibagi dengan massa (g). Hal ini karena kita belum mengetahui massa pasti dari partikel materi gelap. Penampang lintang partikel materi gelap yang sebenarnya pada akhirnya dapat berubah tergantung pada seberapa berat partikel tersebut. Selain itu, James Webb meskipun memiliki resolusi yang luar biasa, namun memiliki bidang pandang yang sangat sempit. Oleh karena itu, dalam analisis kali ini, para astronom hanya bisa fokus pada bagian pusat Gugus Peluru. Teleskop luar angkasa generasi berikutnya, Nancy Grace Roman, yang akan segera diluncurkan, memiliki bidang pandang yang jauh lebih luas. Jika nantinya data dari Nancy Grace Roman ditambahkan, kita akan mampu menemukan lebih banyak citra lensa gravitasi di area yang jauh lebih luas dan menggambar peta materi gelap yang lebih komprehensif.
Sayangnya, kita masih membutuhkan materi gelap untuk menjelaskan alam semesta kita. Masih ada satu hantu yang berkeliaran di alam semesta. Hantu yang disebut materi gelap.
Referensi
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/add2f0
Siapakah penulis Ji Woong-bae? Ia 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 Pusat Penelitian Evolusi Galaksi dan Laboratorium Kosmologi Lokal di Universitas Yonsei, serta aktif dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti 'Some-taneun Cheonmundae (Observatorium yang Sedang PDKT)', 'Haru Jongil Uju Saenggak (Memikirkan Alam Semesta Sepanjang Hari)', dan 'Byeol, Bit-ui Gwahak (Bintang, Sains Cahaya)'.