Understanding the Dark Side of the Universe

Bukan… kegelapan yang dimaksud bukanlah sisi jahat alam semesta. Yang akan dibahas di sini adalah dua penyusun alam semesta yang sampai sekarang pun masih misterius, yaitu “dark matter” dan “dark energy”.

Nyatanya, para fisikawan belum mengetahui identitas dark matter ataupun dark energy. Mungkin, lebih banyak hal yang tidak diketahui mengenai dua konstituen alam semesta tersebut daripada yang kita ketahui. Bahkan keberadaan keduanya saja belum atau tidak akan dapat kita deteksi! Oleh karena itu, belum ada yang tahu secara pasti bagaimana karakteristik, penyusun, dan bahkan proses pembentukkan kedua hal aneh tersebut. Mungkin bisa dikatakan bahwa epitet “dark” diberikan untuk menunjukkan pengetahuan kita yang masih dalam kegelapan mengenai keduanya.

Namun, tentu saja ada beberapa hal yang menjadi petunjuk keberadaan dark matter dan dark energy. Bahkan, para ahli fisika cukup yakin akan keberadaannya. Nah, apa saja tanda-tanda keberadaan dark matter dan dark energy? Mari kita lihat dari dark matter terlebih dahulu.

DARK MATTER

Keberadaan dark matter diketahui dari pengaruh gravitasinya terhadap objek-objek di sekitarnya, terutama bintang dan galaksi. Dark matter diperkirakan sebagai materi yang tidak memancarkan atau berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik.

Berikut adalah beberapa tanda keberadaan dark matter:

1. Pergerakan galaksi dalam gugus galaksi

Pada sekitar tahun 1930, Fritz Zwicky menemukan bahwa terdapat ketidaksesuaian antara perhitungan massa gugus galaksi melalui pengaruh gravitasinya dan melalui kecermelangan bintang-bintang penyusunnya. Dengan menghitung kecepatan suatu galaksi mengorbit pusat gugus galaksi, Zwicky menemukan bahwa massa gugus tersebut ratusan kali lebih besar daripada yang diperkirakan dari massa materi yang tampak.

Terlihat bahwa massa tersebut tidak dapat diperoleh dari materi biasa yang menyusun bintang-bintang dalam galaksi. Zwicky menyimpulkan bahwa ada materi tak terlihat yang berkontribusi terhadap massa gugus galaksi. Zwicky menyebut materi ini sebagai “dunkle Materie”, bahasa Jerman untuk dark matter.

2. Kecepatan rotasi materi dalam galaksi

Salah satu implikasi hukum gravitasi Newton adalah bahwa semakin jauh suatu objek dari pusat massa tertentu, semakin lambat kecepatannya mengitari pusat massa tersebut. Apabila hukum tersebut berlaku secara universal, seharusnya pergerakkan bintang dan gas di galaksi memperlihatkan kelakuan yang serupa. Namun, Vera Rubin, seorang astronom Amerika, menemukan bahwa kecepatan rotasi materi di galaksi tidak menurun seiring bertambahnya jarak terhadap pusat galaksi; kecepatannya cenderung tetap. Padahal, keseluruhan massa bintang dan gas yang terlihat tidak cukup untuk menimbulkan anomali tersebut. Fenomena yang demikian hanya dapat terjadi apabila ada massa tak terlihat yang tersebar dalam galaksi. Hasil observasi Rubin memperkuat dugaan akan adanya dark matter.

3. Pelensaan gravitasi

Selain dari pengaruhnya terhadap pergerakan bintang dan galaksi, keberadaan dark matter juga diketahui dari efek gravitasinya terhadap cahaya.

Menurut teori relativitas umum Einstein, cahaya yang melalui suatu medan gravitasi besar akan mengalami pembelokan. Berdasarkan pembelokan cahaya tersebut, Fritz Zwicky mengusulkan kemungkinan terjadinya pelensaan gravitasi. Objek dengan massa besar, seperti gugus galaksi, akan membelokkan cahaya dari sumber tertentu sehingga satu sumber tersebut tampak sebagai beberapa objek yang identik atau tampak terdistorsi. Fenomena tersebut juga memfokuskan cahaya sehingga tampak lebih terang. Umpamakan medan gravitasi gugus galaksi sebagai lensa raksasa di antara pengamat di Bumi dan sumber cahaya tertentu.

Pelensaan gravitasi telah teramati untuk objek seperti galaksi dan quasar. Namun, massa materi yang tampak dalam gugus galaksi tidak cukup untuk menimbulkan pelensaan seperti yang ditunjukkan pengamatan tersebut. Oleh karena itu, dibutuhkan adanya massa tak terlihat dalam gugus galaksi agar dapat menimbulkan pelensaan gravitasi.

Sayangnya, sampai saat ini keberadaan dark matter hanya bisa dideduksi dari gravitasinya, sehingga belum ada yang tahu bagaimana wujud materi tersebut sesungguhnya. Namun, ada beberapa objek yang menjadi kandidat dark matter, di antaranya adalah MACHO dan WIMP.

1. MACHO

MACHO (MAssive Compact Halo Object) adalah materi barionik (materi yang biasa kita temui) yang tidak memancarkan cahaya. Jadi, MACHO bukanlah objek yang tersusun atas partikel eksotis yang belum kita ketahui. Beberapa contoh MACHO adalah planet, bintang neutron, dan lubang hitam. Keberadaan MACHO dapat dideteksi menggunakan teknik pelensaan gravitasi. Namun, hasil pengamatan menunjukkan bahwa keberadaan MACHO saja tidak cukup untuk memenuhi kebutuhan massa yang tak terlihat.

2. WIMP

Oleh karena MACHO tidak cukup, diusulkanlah keberadaan partikel lain yang non-barionik, disebut WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Berbeda dengan materi barionik, WIMP tidak berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik. WIMP juga berinteraksi sangat lemah dengan materi biasa; partikel WIMP mungkin akan lewat begitu saja melalui tubuh Anda tanpa mengakibatkan apa pun. Akibatnya, deteksi WIMP secara langsung sangat sulit, meskipun dengan bantuan teleskop atau detektor canggih sekalipun. Saat ini, WIMP adalah kandidat yang paling mungkin sebagai dark matter. Beberapa percobaan telah dirancang untuk mendeteksi WIMP, dan mungkin tidak lama lagi materi misterius tersebut akan dapat dideteksi.
DARK ENERGY

Nah, kita sudah melihat bahwa keberadaan dark matter diketahui dari pengaruh gravitasinya terhadap objek-objek lain. Meskipun belum dapat dideteksi secara langsung, beberapa hasil pengamatan yang sudah dijelaskan di atas meyakinkan para ilmuwan akan keberadaannya.

Sementara itu, dark energy lebih aneh lagi. Hal yang kita ketahui mengenai dark energy hanyalah bahwa ia mempercepat ekspansi alam semesta.

Ekspansi alam semesta yang semakin cepat diketahui melalui pengamatan supernova (ledakan bintang) Tipe Ia, yang juga dikenal sebagai “lilin standar”. Artinya, setiap supernova jenis tersebut tersebut memiliki luminositas yang sama, sehingga pengukuran jarak terhadapnya mudah dilakukan. Sebelum pengamatan ini dilakukan, para ilmuwan memperkirakan bahwa ekspansi alam semesta akan semakin lambat akibat gravitasi materi di dalamnya. Akan tetapi, hasil pengamatan redshift dan kecermelangan supernova Tipe Ia menunjukkan bahwa bukannya melambat, ekspansi alam semesta justru semakin cepat. Kita menamakan penyebabnya sebagai dark energy, apapun itu bentuknya. Saat ini, kandidat yang paling mungkin berperan sebagai dark energy adalah cosmological constant.

Cosmological constant pertama kali diperkenalkan oleh Einstein pada tahun 1918, walaupun untuk tujuan yang berbeda. Einstein mengintroduksi konstanta tersebut untuk menghasilkan alam semesta yang statis. Namun, penemuan Hubble membuktikan bahwa alam semesta tidak statis, melainkan mengalami ekspansi. Akibatnya, cosmological constant tidak lagi digunakan untuk beberapa waktu. Tetapi tampaknya konstanta tersebut kembali menjadi pusat perhatian para kosmolog, terutama karena kemampuannya menjelaskan ekspansi alam semesta yang semakin cepat.

Pada dasarnya, cosmological constant menunjukkan nilai energi intrinsik yang dimiliki ruang kosong. Energi tersebut adalah properti ruang kosong itu sendiri, sehingga pengaruhnya tidak menurun seiring ekspansi ruang; tidak seperti materi dan energi gelombang elektromagnetik. Keberadaan energi intrinsik tersebut cenderung menciptakan ruang baru, yang juga memiliki energi intrinsik dengan nilai yang sama. Akibatnya, seiring bertambahnya ruang akibat ekspansi, energi intrinsik keseluruhan ruang di alam semesta akan bertambah, sehingga semakin cepat pula ekspansinya.
Nah, kita sudah lihat beberapa bukti serta kandidat dark matter dan dark energy. Pertanyaan selanjutnya: Berapa banyak dark matter dan dark energy di alam semesta?

Saat ini, data paling akurat yang kita miliki mengenai konstituen alam semesta adalah data yang diperoleh satelit Planck pada tahun 2013. Data tersebut memberi estimasi bahwa alam semesta tersusun atas 68.3% dark energy, 26.8% dark matter, dan 4.9% materi biasa.

Ya, materi biasa menyusun kurang dari 5% keseluruhan alam semesta. Segala hal yang umumnya kita deteksi dan teliti ternyata hanya sebagian kecil dari alam semesta; sekitar 95.1% sisanya masih berada di zona gelap yang tak tergapai oleh penglihatan maupun pengetahuan manusia. Tampaknya masih banyak misteri yang menyelubungi alam semesta.

Akibat keterbatasan pengetahuan kita, tentu saja kita tidak tahu apakah dark matter dan dark energy memiliki nilai aplikatif bagi manusia. Memang, tujuan utama penelitian mengenai dua hal tersebut adalah menerangi zona pengetahuan kita akan misteri alam semesta, bukan aplikasi. Namun, siapa tahu kegelapan yang sekarang tidak kita pahami menjadi jalan menuju masa depan yang lebih gemilang.

****

Silakan tonton video berikut untuk lebih memahami dark matter dan dark energy:
“What is Dark Matter and Dark Energy?” oleh Kurzgesagt https://www.youtube.com/watch?v=QAa2O_8wBUQ

👉 READING GUIDE

CERN. “Dark matter”. http://home.cern/about/physics/dark-matter
Francis, M. (21 Maret 2013). “First Planck results: the Universe is still weird and interesting”. http://arstechnica.com/science/2013/03/first-planck-results-the-universe-is-still-weird-and-interesting/
NASA (5 Juni 2015). “Dark Energy, Dark Matter”. http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
Schneider, S. E & Arny, T. T. (2015). Pathways to Astronomy (4th edition). New York, NY: McGraw-Hill Education.

Januari 2016
Cosmos @ Perspektif

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s