[비즈한국] Galaksi kita diselimuti oleh halo materi gelap yang sangat besar. Saat membayangkan halo ini, kita biasanya berpikir tentang awan bulat raksasa yang kepadatannya semakin menipis dari pusat galaksi ke arah luar, seperti Awan Oort yang menyelimuti tata surya. Kita juga sering berasumsi bahwa halo raksasa tersebut terbentuk secara utuh dalam satu waktu. Namun, kenyataannya tidak demikian.
Simulasi yang merekonstruksi evolusi alam semesta menunjukkan secara rinci proses pembentukan halo materi gelap. Halo yang besar tidak terbentuk sekaligus. Awalnya, terdapat "halo-halo kecil" (mini-halo). Halo-halo tersebut berkumpul dan menyatu seiring dengan terbentuknya struktur skala besar alam semesta, hingga akhirnya membentuk halo raksasa yang ada saat ini. Halo-halo kecil ini disebut sebagai sub-halo. Massanya jauh lebih kecil dibandingkan dengan satu halo raksasa.
Tentu saja, para ilmuwan menduga bahwa jejak sub-halo materi gelap dengan berbagai ukuran mungkin tertinggal di dalam ruang galaksi kita di sekitar tata surya, dan baru-baru ini, petunjuk yang diduga sebagai wujud aslinya telah tertangkap. Pada jarak 2300 tahun cahaya, yang tidak terlalu jauh dari tata surya kita, tanda-tanda adanya gumpalan materi gelap atau sub-halo telah terdeteksi.
Halo materi gelap bukanlah sekadar gumpalan adonan yang tersebar merata. Sub-halo materi gelap dapat diibaratkan seperti butiran keripik cokelat yang tersebar di berbagai sudut. Pengamatan kali ini adalah upaya untuk mengonfirmasi keberadaan keripik cokelat tersebut. Meski terdengar sangat mendasar, materi gelap tidak dapat dilihat dengan cahaya. Materi gelap hanya menunjukkan keberadaannya melalui gravitasi. Jika sub-halo menyebabkan perubahan gravitasi pada ruang-waktu di sekitarnya, kita harus mendeteksi dan menyimpulkan jejaknya. Oleh karena itu, diperlukan alat pendeteksi yang sangat sensitif terhadap perubahan kecil pada ruang-waktu.
Pulsar adalah perangkat yang menjalankan peran tersebut. Pulsar adalah bintang neutron yang telah selesai berevolusi dan runtuh, terutama bintang yang berotasi cepat dengan medan magnet yang sangat kuat. Karena sumbu rotasi bintang dan sumbu medan magnetnya sedikit miring, pancaran energi bintang neutron yang merambat di sepanjang sumbu medan magnet teramati berkedip pada interval waktu tertentu. Pulsar adalah mercusuar alam semesta yang berkedip dengan irama yang konsisten. Oleh karena itu, pulsar berfungsi sebagai jam ruang angkasa yang presisi dan pelampung untuk mendeteksi perubahan ruang-waktu hingga ke tingkat mikroskopis.
Dalam analisis kali ini, digunakan sistem pulsar biner, yaitu dua pulsar yang saling berpasangan. Sulit untuk mengetahui apakah perubahan periode pada pulsar tunggal disebabkan oleh perubahan bintang itu sendiri atau karena faktor eksternal di ruang-waktu sekitarnya. Namun, jika kedua pulsar dalam sistem biner menunjukkan perubahan periode yang sama, kita dapat memastikan bahwa hal itu disebabkan oleh faktor eksternal di luar sistem tersebut. Kemungkinan kecil perubahan internal bintang secara kebetulan terjadi pada tingkat yang persis sama pada kedua pulsar. Analisis ini menggunakan 27 sistem pulsar biner.
Namun, karena pulsar itu sendiri adalah jam ruang angkasa yang sangat sensitif dan presisi, diperlukan persiapan yang mendetail untuk menyaring efek yang disebabkan oleh sub-halo materi gelap di sekitarnya. Efek dari faktor eksternal selain sub-halo harus disingkirkan sebanyak mungkin. Pertama, harus memperhitungkan efek gelombang gravitasi yang disebarkan oleh dua pulsar masif yang berputar berdekatan di ruang angkasa di sekitarnya. Ibarat sepasang ikan yang berenang berputar di dalam air dan menciptakan riak, pulsar biner dapat menyebarkan gelombang gravitasi, kehilangan energi, dan mengalami perubahan periode.
Selain itu, terdapat efek yang terjadi saat sistem pulsar biner bergerak melintasi ruang angkasa. Seperti bintang biasa lainnya, pulsar biner juga melayang di ruang angkasa dan melakukan gerak diri (proper motion). Namun, karena mereka mengirimkan sinyal dengan irama tertentu saat bergerak, perubahan kecil dapat terjadi pada periode pulsar yang kita amati, mirip dengan efek Doppler. Ini disebut efek Shklovskii. Jika perubahan periode pulsar yang tidak dapat dijelaskan masih terdeteksi setelah mengesampingkan semua efek tersebut, itu berarti ada sesuatu yang tidak terlihat yang memengaruhi ruang-waktu di sekitarnya.
Hebatnya, perubahan nyata terdeteksi pada satu pasang pulsar biner. Dua pulsar yang berpasangan, J1640+2224 dan J1713+0747, menunjukkan perubahan periode yang sangat mirip. Keduanya menunjukkan pola penyimpangan yang hampir sama. Hal ini berarti ada faktor eksternal yang sama yang bekerja pada ruang-waktu yang melingkupi kedua pulsar tersebut. Berdasarkan perhitungan dari penyimpangan yang serupa pada kedua pulsar, diperkirakan terdapat sub-halo materi gelap raksasa dengan massa sekitar 24 juta kali massa matahari pada jarak sekitar 2300 tahun cahaya dari matahari. Massa sebesar ini setidaknya enam kali lebih berat daripada lubang hitam Sagittarius A* di pusat galaksi kita!
Tentu saja, keberadaan gumpalan massa yang masif tidak serta-merta berarti bahwa itu adalah materi gelap. Bisa saja itu karena kepadatan bintang-bintang yang bersinar terang berkumpul di satu tempat. Namun, saat mengamati langit di tempat yang diduga terdapat sub-halo materi gelap, tidak terlihat cahaya yang terang.
Hasil pengamatan teleskop ruang angkasa Gaia, yang memetakan bintang-bintang di dalam dan luar galaksi kita secara 3D, menunjukkan bahwa bintang-bintang yang terkumpul di area ini saja tidak dapat memenuhi total massa sub-halo materi gelap yang diperkirakan. Tidak ada apa pun yang terlihat di sana. Namun, pastinya ada gumpalan massa yang sangat berat. Kami juga telah mempertimbangkan awan gas selain bintang, namun tetap tidak mencukupi. Kepadatan rata-rata materi biasa (barion) yang teramati di area ini hanya 0,084 massa matahari per pc^2. Sebaliknya, kepadatan materi gelap mencapai 10 massa matahari per pc^2. Ini berarti terdapat gumpalan berat yang hampir seluruhnya diisi oleh materi gelap, dengan kepadatan yang jauh lebih tinggi dibandingkan barion.
Mungkin ada yang berpikir apakah ada lubang hitam raksasa yang bersembunyi di sana, namun kemungkinan itu sangat kecil. Sulit untuk membayangkan lubang hitam yang enam kali lebih berat daripada lubang hitam supermasif di pusat galaksi kita berkeliaran di tempat yang jauh dari pusat galaksi. Selain itu, lubang hitam seberat itu seharusnya menelan banyak bintang dan materi gas saat melintasi ruang galaksi, serta meninggalkan jejak jet lubang hitam yang jelas, namun tidak ada tanda-tanda seperti itu. Tidak ada lensa gravitasi kuat yang teramati, sehingga lebih masuk akal untuk menganggap bahwa ini adalah sub-halo di mana materi gelap tersebar luas dengan kepadatan tinggi, bukan karena adanya lubang hitam dengan massa 24 juta kali massa matahari yang terkumpul di satu titik.
Jika penemuan ini benar, maka ini adalah konfirmasi langsung pertama akan keberadaan sub-halo materi gelap di dalam ruang galaksi kita, dan pada jarak yang cukup dekat, hanya 2300 tahun cahaya dari matahari. Ini adalah penemuan nyata akan gumpalan materi gelap kecil—sepotong keripik cokelat yang melayang di halo galaksi—yang sebelumnya hanya terlihat dalam simulasi superkomputer beresolusi ultra-tinggi.
Penemuan ini adalah bukti lain yang menunjukkan keberadaan materi gelap yang tidak memancarkan cahaya dan tidak terlihat, namun tetap memberikan pengaruh gravitasi. Bahkan, ini bukan sekadar halo raksasa yang menyelimuti galaksi kita, melainkan konfirmasi adanya awan-awan fragmen materi gelap yang lebih kecil yang melayang secara mendetail di dalam ruang galaksi kita.
Kali ini, penyimpangan yang signifikan baru teramati pada satu pasang pulsar biner, namun jika kita menelusuri lebih jauh di masa depan, kita akan dapat mengetahui berapa banyak awan fragmen materi gelap dengan berbagai ukuran yang melayang di sekitar kita, dan kita akan dapat memetakan halo materi gelap yang mengelilingi galaksi kita dengan jauh lebih detail. Kita tidak lagi menggambar peta halo yang bulat dan samar, melainkan peta halo yang terlihat seperti buah anggur, dengan sub-halo materi gelap yang menggantung di dalamnya.
Referensi
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250716932C/abstract
Siapakah 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 menjadi asisten profesor di Fakultas Studi Liberal Universitas Sejong, melakukan berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti 'Setiap Hari Sepotong Semesta', 'Ilmuwan di Alam Semesta yang Berbintang', 'Tidak Bisa Pergi Tapi Bisa Tahu', 'Pertanyaan Aneh yang Muncul Saat Melihat Alam Semesta', dan menerjemahkan 'Panduan Hitchhiker untuk Menjelajahi Alam Semesta yang Sebenarnya', 'Bagaimana Aku Membunuh Pluto', 'Quantum Life', 'Cosmigraphics', dan lainnya.