[비즈한국] Astronomi adalah ilmu cahaya. Semua teleskop melihat 'cahaya' yang datang dari alam semesta. Itulah sebabnya ada keberadaan yang sangat menjengkelkan dalam astronomi. Yakni materi gelap. Masalahnya, materi gelap sama sekali tidak memancarkan atau menyerap cahaya. Materi gelap tidak memiliki interaksi apa pun dengan cahaya. Oleh karena itu, bagi teleskop yang melihat cahaya, materi gelap seolah-olah tidak ada. Kita memang harus mengasumsikan adanya materi gelap untuk menjelaskan alam semesta, tetapi sejak awal tidak ada cara untuk melihatnya. Setidaknya bagi para astronom.
Oleh karena itu, dalam beberapa tahun terakhir, upaya untuk menemukan identitas materi gelap lebih banyak dilakukan oleh fisika partikel daripada astronomi. Mereka masuk jauh ke dalam perut bumi, memasang detektor, dan menunggu jejak yang ditinggalkan jika kebetulan ada partikel materi gelap yang lewat. Atau, mereka menunggu di penumbuk partikel raksasa yang terus-menerus menabrakkan proton, berharap menemukan kehilangan atau kelebihan energi yang tidak terduga. Alasan eksperimen seperti ini dilakukan jauh di dalam bumi adalah untuk menghindari gangguan dari sinar kosmik dan partikel lain sebanyak mungkin.
Lalu, bagaimana jika kita pergi jauh ke luar Bumi? Kita bisa melarikan diri dari kebisingan yang dibuat manusia di permukaan bumi dan menangkap sinyal materi gelap di alam semesta dengan lebih jelas. Baru-baru ini, sebuah eksperimen berani telah dilakukan untuk menguji Teleskop Luar Angkasa James Webb sebagai detektor materi gelap.
Tunggu sebentar, bukankah ini terdengar aneh? James Webb jelas merupakan sebuah teleskop. Alat untuk melihat cahaya, atau lebih tepatnya, hanya melihat cahaya. Namun, bagaimana mungkin James Webb bisa digunakan sebagai detektor materi gelap? Idenya sangat jenius.
Bagaimana teleskop mengambil gambar? Ketika cahaya dari alam semesta masuk dan mengenai detektor, elektron akan terlepas dan arus listrik akan mengalir. Faktanya, kamera teleskop tidak sekadar merekam cahaya itu sendiri, melainkan mendeteksi arus listrik yang mengalir akibat hantaman cahaya tersebut untuk membuat gambar. Semakin terang cahaya yang datang, semakin kuat arus listrik yang mengalir. Namun, karena detektor teleskop tidak sempurna, timbul kebisingan (noise) lain karena alasan yang sangat realistis. Detektor teleskop menghasilkan arus listrik bukan hanya karena cahaya bintang, tetapi juga karena panas. Itulah sebabnya pendinginan sangat krusial bagi teleskop. Jika teleskop itu sendiri panas, arus listrik yang tidak diinginkan akan mengalir karena panas, bukan karena cahaya bintang, sehingga data pengamatan menjadi terkontaminasi.
Oleh karena itu, saat mengamati dengan teleskop, mereka sering sengaja mengambil foto gelap dengan menutup penutup (shutter) teleskop. Dengan begitu, pengaruh cahaya dari luar atau langit bisa dihalangi, dan kebisingan internal yang disebabkan oleh panas di dalam teleskop dapat diidentifikasi. Setelah itu, dengan mengambil foto langit malam yang sebenarnya dan mengurangi data kebisingan internal murni yang telah diidentifikasi sebelumnya, data yang lebih bersih dan murni dengan kontaminasi minimal dapat diperoleh. Ide untuk menggunakan James Webb sebagai detektor materi gelap berawal dari sini.
Dalam upaya kali ini, para astronom memasang filter buram pada salah satu detektor NIRSpec James Webb. Mereka memblokir sepenuhnya cahaya yang masuk ke sensor. Ini sama saja dengan menutup penutup kamera James Webb. Dalam kondisi tersebut, mereka mendeteksi kebisingan internal yang minimal. Umat manusia sudah lama menggunakan sensor yang mengubah cahaya menjadi arus listrik, termasuk CCD. Kamera teleskop, ponsel pintar, hingga kamera digital, semuanya beroperasi dengan prinsip yang sama. Oleh karena itu, kita tahu dengan baik bentuk kebisingan yang harus dihasilkan pada detektor teleskop dan dapat memodelkannya. Kita bisa mengetahui berapa banyak muatan yang harus dideteksi oleh setiap piksel detektor James Webb karena panas teleskop itu sendiri, partikel sinar kosmik kuat yang datang dari ruang angkasa, dan sebagainya.
Namun, bagaimana jika saat melakukan eksperimen dengan menutup penutup James Webb, ternyata lebih banyak muatan yang terdeteksi daripada yang diperkirakan? Ini bisa dianggap karena sesuatu yang tidak kita pahami sama sekali telah merangsang detektor teleskop. Hal pentingnya adalah eksperimen ini dilakukan dengan penutup James Webb yang tertutup. Artinya, cahaya biasa tidak masuk sama sekali. Cahaya bintang, cahaya galaksi, tidak ada satu pun yang bisa menjadi penyebabnya. Satu-satunya kemungkinan yang tersisa adalah sesuatu yang seperti hantu yang bisa menembus penutup detektor dan menyentuh detektor, yakni materi gelap. Ide untuk menggunakan seluruh teleskop James Webb sebagai detektor materi gelap dalam eksperimen ini persis seperti itu.
Bagaimana hasil dari eksperimen jenius ini? Grafik ini menunjukkan distribusi muatan yang dikumpulkan saat penutup NIRSpec James Webb ditutup. Ini adalah histogram yang menunjukkan distribusi berapa banyak jumlah muatan yang terdeteksi di setiap piksel detektor. Jika melihat histogram berwarna biru muda, jumlahnya meningkat dan menurun secara halus dari piksel dengan muatan banyak hingga sedikit, membentuk distribusi seperti distribusi normal. Di sini, garis biru adalah distribusi kebisingan internal murni saat efek materi gelap dikesampingkan. Jika membandingkan histogram biru muda dengan grafik biru, sebenarnya hampir tidak ada perbedaan. Artinya, dalam eksperimen jenius yang dilakukan dengan menutup mata James Webb pun, jejak partikel materi gelap tidak ditemukan.
Jadi, apakah eksperimen ini gagal? Jika hanya melihat hasilnya, bisa dikatakan begitu karena tidak berhasil menangkap sinyal materi gelap. Namun, belum tentu demikian. Justru ini adalah petunjuk penting yang memberitahu kita bukan di mana harus mencari materi gelap, melainkan di mana kita tidak perlu mencarinya. Grafik ini sangat menarik. Grafik ini menunjukkan distribusi besaran fisik dari kandidat partikel materi gelap yang kita cari. Sumbu horizontal menunjukkan tingkat massa dan energi partikel materi gelap. Dan sumbu vertikal menunjukkan seberapa mudah partikel materi gelap berinteraksi satu sama lain, atau penampang efektifnya. Semakin besar penampangnya, semakin mudah ia berinteraksi bahkan jika jaraknya jauh. Namun, area yang diberi warna dalam grafik ini menunjukkan area yang telah disingkirkan melalui berbagai eksperimen dan pengamatan. Artinya, partikel materi gelap tidak mungkin berada di area yang diberi warna.
Menariknya, selama ini umat manusia telah melakukan pekerjaan menyaring di mana partikel materi gelap seharusnya tidak berada karena kita tidak kunjung menemukannya. Dengan mencari dan menyingkirkan rentang besaran fisik di mana partikel materi gelap tidak mungkin ada—seperti seberapa berat atau ringannya massa, atau seberapa besar atau kecil penampangnya—kita sedang menyudutkan partikel materi gelap dengan semacam metode eliminasi.
Upaya menarik dengan menutup penutup James Webb telah menambahkan area pengecualian berwarna biru lainnya di atas grafik ini. Dengan ini, sekali lagi ruang bagi materi gelap untuk melarikan diri telah berkurang. Kemungkinan materi gelap bersembunyi di area putih yang belum diberi warna pada grafik tersebut menjadi lebih tinggi.
Proses menyingkirkan rentang besaran fisik di mana materi gelap tidak mungkin ada sedikit demi sedikit ini dapat diinterpretasikan dalam dua aspek. Kita bisa melihatnya sebagai proses mempersempit jangkauan pencarian seiring berkurangnya ruang bagi materi gelap untuk melarikan diri. Ini menghemat waktu agar kita tidak mencari di area yang sia-sia. Dan kita bisa berpikir bahwa dengan menekan rentang besaran fisik materi gelap sedikit demi sedikit, pada akhirnya kita akan menemukan sesuatu yang bersembunyi di sana sampai akhir.
Atau, bisa juga dilihat bahwa sejak awal sebenarnya tidak ada yang namanya materi gelap, namun manusia tanpa sadar melakukan perbuatan konyol dengan memperkecil area putih sedikit demi sedikit. Bisa jadi sebenarnya tidak ada apa pun yang bersembunyi di area putih tersebut, namun manusia menghibur diri dengan menghapus area putih sedikit demi sedikit sambil berpikir bahwa ada sesuatu yang bersembunyi di area yang belum diberi warna.
Dalam proses memburu materi gelap, astronomi dan fisika partikel saling terhubung erat. Karena astronomi adalah ilmu cahaya, sulit untuk melihat langsung materi gelap yang tidak memancarkan cahaya. Sebaliknya, melalui hal-hal yang terlihat, astronomi memberikan pedoman tentang karakteristik apa yang harus dimiliki atau tidak dimiliki oleh keberadaan yang tidak terlihat itu. Kemudian, berdasarkan hal tersebut, fisikawan partikel di Bumi merancang perangkap untuk menangkap materi gelap.
Proses melacak materi gelap mewakili filosofi paling mendasar yang dimiliki astronomi modern. Ini disebut konsep kesadaran kosmologis. Kita sekarang tahu bahwa segala sesuatu yang terlihat dipengaruhi oleh segala sesuatu yang tidak terlihat, dan segala sesuatu yang kita ketahui terhubung dengan segala sesuatu yang belum kita ketahui. Materi gelap tidak terlihat. Itulah mengapa kita justru mencoba melihat materi gelap bukan dengan membuka penutup teleskop, melainkan dengan menutupnya. Kita harus memejamkan mata yang sedang terbuka. Sesuatu yang hanya terlihat saat kita menutup mata, itulah hakikat dari materi gelap.
Referensi
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/s2q8-rzb3
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 adalah asisten profesor di Departemen Studi Bebas Universitas Sejong yang terlibat dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan penulisan. Ia telah menulis buku seperti 'Setiap Hari Sepotong Alam Semesta', 'Para Ilmuwan di Alam Semesta yang Berbintang', 'Tidak Bisa Pergi Tapi Bisa Tahu', dan 'Pertanyaan Aneh yang Muncul Saat Melihat Alam Semesta', serta menerjemahkan buku seperti 'Panduan Hitchhiker untuk Menjelajahi Alam Semesta yang Sesungguhnya', 'Bagaimana Saya Membunuh Pluto', 'Quantum Life', dan 'Cosmigraphic'.