Dark Matter: Materi Tak Terlihat yang Mengisi Alam Semesta

Pernahkah kamu mendengar bahwa sebenarnya alam semesta kita itu gelap? Semua benda familiar yang bisa kita lihat seperti planet, bintang, galaksi, dsb. ternyata hanya menyusun sebagian kecil dari keseluruhan materi di alam semesta. Sisanya adalah materi yang tidak terlihat. Para astronom menamakan materi yang tidak terlihat tersebut sebagai dark matter atau materi gelap.

Masalah Massa yang Hilang

Tahukah kamu bahwa semua benda yang bisa kamu lihat di sekitarmu, mulai dari tubuhmu, planet Bumi yang kamu injak, dan bintang-bintang di langit terbuat dari apa? Ya, mereka semua terbuat dari atom-atom. Atom sendiri tersusun dari partikel-partikel yang lebih kecil seperti proton, neutron, dan elektron. Bahkan partikel-partikel tersebut tersusun dari subpartikel yang jauh lebih kecil lagi.

maxresdefault
Fritz Zwicky
Sumber: Image

Ketika para ilmuwan mulai memahami apa saja yang menyusun atom pada awal abad ke-20, mereka merasa telah memahami dasar dari semua materi di alam semesta. Akan tetapi, pada tahun 1933, astronom Swiss yang bernama Fritz Zwicky mulai berpendapat bahwa alam semesta seharusnya juga diisi oleh sesuatu yang lain, bukan hanya atom-atom yang kita kenal saat ini. Zwicky menghitung semua materi yang terlihat di gugus galaksi. Dia menemukan bahwa jumlah materi yang terlihat tidak cukup banyak untuk menghasilkan gaya gravitasi yang mampu membuat galaksi-galaksi tersebut tetap berkumpul menjadi sebuah gugus galaksi. Galaksi-galaksi yang diamati Zwicky juga berotasi terlalu cepat sehingga seharusnya mereka saling tercerai-berai. Zwicky menyadari bahwa seharusnya terdapat sesuatu yang lain yang mampu menghasilkan gravitasi yang besar sehingga galaksi-galaksi tersebut tetap utuh. Dia menyebut materi tersebut sebagai materi gelap yang tidak terlihat.

Pada masanya, Zwicky dianggap sebagai orang yang eksentrik sehingga teorinya tidak ditanggapi serius oleh astronom lain. Mereka menganggap bahwa Zwicky menciptakan bentuk baru dari materi karena gaya gravitasi yang dia hitung tidak cocok dengan hasil pengamatan. Penelitian Zwicky dilupakan banyak orang hingga akhirnya pada tahun 1970-an seorang astronom yang bernama Vera Rubin menemukan suatu galaksi yang rotasinya aneh.

Di Tata Surya, kita mengetahui bahwa berlaku hukum gravitasi yang sederhana. Semakin jauh jarak suatu planet dari Matahari, gravitasi yang dirasakan oleh planet tersebut semakin melemah. Dengan demikian, planet tersebut akan berputar mengelilingi Matahari (berevolusi) dengan kecepatan yang lebih lambat. Seharusnya hukum yang sama berlaku untuk bintang-bintang yang mengorbit pusat galaksi. Bintang yang terletak lebih jauh dari pusat galaksi seharusnya bergerak lebih lambat karena pengaruh gravitasi yang lebih lemah. Anehnya, Rubin menemukan bahwa bintang-bintang di bagian yang lebih luar galaksi bergerak dengan kecepatan yang tidak jauh berbeda dengan bintang-bintang di bagian lebih dalam galaksi. Ada sesuatu yang membuat bintang-bintang tersebut tetap mengorbit dengan cepat dan tidak terlontar ke luar galaksi. Rubin menyadari bahwa sepertinya teori Zwicky benar.

coulddarkmat
Keanehan pada kecepatan orbit bintang-bintang di galaksi.
Kredit: Queens Uni.

Pencarian Dark Matter

Saat ini para astronom percaya bahwa dark matter merupakan materi yang fundamental dalam membentuk alam semesta yang kita ketahui. Pada 14 miliar tahun yang lalu, momen ketika Big Bang terjadi, alam semesta tercipta dan mengembang sangat cepat bersama dengan gugus-gugus galaksi yang mulai terbentuk. Namun, alam semesta tidak mengembang terlalu cepat sehingga galaksi-galaksi tersebut tidak terlontar ke sudut-sudut alam semesta. Hal ini karena dark matter menjaga agar galaksi-galaksi tersebut tetap utuh. Meskipun tidak terlihat, dark matter berperan penting dalam pembentukan gugus-gugus galaksi yang saat ini bisa kita lihat.

Dark matter bagaikan angin, kita tidak bisa melihatnya secara langsung, tetapi kita yakin bahwa dia itu ada. Yang lebih mengagumkan adalah dark matter mengisi sekitar 24% alam semesta kita. Para astronom meyakini bahwa 28,6% alam semesta kita diisi oleh materi. Seperti yang telah disebutkan, 24%-nya adalah dark matter sedangkan 4,6%-nya adalah materi normal (atom-atom yang kita kenal). Sekitar 71,4% alam semesta kita diisi oleh sesuatu yang disebut sebagai energi gelap (dark energy).

Universe
Komposisi alam semesta.
Kredit: NASA/WMAP Science Team.

Pada tahun 1980-an, bukti pertama keberadaan dark matter yang cukup meyakinkan ditemukan. Sebagai contoh, tahun 1981 tim yang dipimpin oleh Marc Davis dari Harvard University melakukan pengamatan survei galaksi. Mereka menyadari bahwa galaksi-galaksi tidak terletak pada pola yang seragam di alam semesta. Galaksi-galaksi cenderung saling berkumpul dan membentuk gugus-gugus galaksi yang besar. Pola pengumpulan ini disebut dengan jejaring kosmik (cosmic web). Jejaring ini saling terikat dengan dark matter. Dengan kata lain, dark matter adalah kerangka tempat materi normal melekat.

Penemuan jejaring kosmik memicu para astronom untuk mencari tahu mengapa gugus-gugus galaksi membetuk pola seperti itu. Lebih jauh lagi, mereka pun meneliti partikel apa sebenarnya dark matter itu. Pada tahun 1980, tim dari Rusia yang dipimpin oleh V.A. Lyubimov mengusulkan bahwa dark matter sebenarnya adalah partikel yang bernama neutrino. Neutrino memiliki julukan sebagai “partikel hantu” karena hampir tidak berinteraksi dengan partikel lainnya. Lyubimov berpendapat bahwa jika seluruh massa neutrino dijumlahkan, maka massanya akan sama dengan seluruh massa dark matter di alam semesta. Sayangnya terdapat satu masalah, yaitu neutrino merupakan hot dark matter yang berarti partikel tersebut ringan dan bergerak sangat cepat. Astronom yang bernama Carlos Frenk kemudian mencoba membuat simulasi pembentukan alam semesta yang berisi dark matter. Hal yang mengejutkan adalah jika alam semesta diisi oleh hot dark matter, maka bentuk jejaring kosmik yang terlihat tidak sama dengan yang kita amati saat ini. Alam semesta yang terbentuk sama sekali berbeda dengan yang seharusnya. Maka dari itu, muncul teori bahwa dark matter seharusnya dingin dan bergerak lambat. Langkah selanjutnya adalah mencari tahu partikel apa yang sifatnya seperti itu.

cosmic-web
Peta dark matter yang membentuk jejaring kosmik.
Kredit: Springel et al., Virgo Consortium.

Meskipun dark matter tidak terlihat secara langsung, dark matter tetap dapat dideteksi melalui gravitasinya. Bahkan cahaya yang lewat di sekitar dark matter pun akan dibelokkan. Efek ini disebut sebagai gravitational lensing (pelensaan gravitasi). Pelensaan gravitasi dapat digunakan untuk menemukan tempat-tempat yang terdapat dark matter. Teknik ini digunakan para astronom untuk membuat peta dark matter di alam semesta. Hingga saat ini, mereka baru bisa memetakan fraksi kecil dari alam semesta. Namun, mereka memiliki ambisi yang tinggi dan berharap dapat membuat peta dark matter yang mencakup seperdelapan ukuran alam semesta. Ukuran sebesar itu sama dengan ruang yang diisi jutaan galaksi

Seiring dengan berjalannya waktu, beberapa ide mengenai wujud dark matter diajukan. Salah satu ide yang populer adalah dark matter merupakan partikel jenis baru yang disebut dengan WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles (Partikel Masif yang Berinteraksi Lemah). Menurut Anne Green dari University of Nottingham, WIMPs nyaris tidak berinteraksi dengan materi normal. Sebagai contoh, jika WIMPs menabrak dinding, WIMPs akan melewatinya tanpa menimbulkan bekas tabrakan. WIMPs memiliki massa yang besar, mungkin sekitar massa ratusan atau ribuan proton. Sayangnya kita masih belum tahu apa sebenarnya WIMPs. WIMPs hanyalah sebuah istilah, sedangkan partikelnya bisa saja terdiri dari berbagai jenis partikel yang berbeda. Kabar buruknya adalah WIMPs sangat sulit untuk dideteksi. Mungkin bagimu ini terdengar gila. Pertama, astronom menemukan dark matter yang tidak bisa dilihat secara langsung. Lalu, sekarang mereka mengusulkan partikel yang sangat sulit untuk dideteksi untuk menjelaskannya. Ya, kamu bukan orang pertama yang berkomentar seperti itu.

Pemikiran tentang apa sebenarnya dark matter itu tidak selamanya melibatkan suatu partikel misterius untuk menjelaskannya. Pada tahun 1983, beberapa ilmuwan berpendapat bahwa dark matter sebenarnya tidak ada. Yang salah adalah hukum gravitasi yang kita ketahui saat ini sehingga galaksi-galaksi seakan-akan bersikap aneh. Mereka mengembangkan teori baru tentang gravitasi yang disebut sebagai “Modified Newtonian Dynamics” atau disingkat sebagai MOND. Meskipun sempat populer, saat ini MOND belum bisa menjelaskan data hasil pengamatan dengan baik.

Mendeteksi Dark Matter

Pada tahun 2006, NASA memublikasikan citra yang spektakuler yang membuat pendukung MOND kalah telak. Citra tersebut menampilkan dua gugus galaksi yang sedang bertabrakan. Materi normal jelas terlihat di bagian tengah dan di bagian inilah kita berharap hampir seluruh massa dan gravitasi berada. Namun, di bagian luar terlihat adanya pembelokan cahaya oleh gravitasi yang mengindikasikan bahwa masih ada gravitasi yang besar di daerah tersebut. Citra ini merupakan bukti langsung keberadaan dark matter. Jika ini benar, maka tantangan yang kita hadapi kembali ke awal. Kita harus mencari dark matter, sedangkan kita tidak tahu apa yang sedang kita cari tahu.

bk978-0-7503-1373-5ch1f10_online“Bullet Cluster” merupakan dua gugus galaksi yang sedang bertabrakan
dan memberikan bukti kuat tentang keberadaan dark matter.
Kredit: NASA/CXC/ESO/Clowe dan Markevitch.

Meskipun sulit, terdapat tiga cara berbeda untuk menjawab tantangan tersebut. Pertama adalah dengan mengamati dark matter yang sedang berinteraksi di alam semesta. Hal ini dilakukan dengan memonitor perilaku dark matter menggunakan peta yang sudah ada dan mencari peristiwa tabrakan. Partikel-partikel dark matter biasanya lewat begitu saja ketika bertabrakan dengan materi normal. Namun, diharapkan terdapat beberapa dark matter yang menabrak inti atom. Ketika ini terjadi, dark matter akan “menendang” dan melontarkan inti atom. Tabrakan ini akan menghasilkan sinar gamma: cahaya dengan energi sangat tinggi, dan seakan-akan dark matter tersebut “bersinar”. Pada tahun 2014, dengan menggunakan data teleskop Fermi NASA, beberapa astronom mengklaim bahwa mereka telah menemukan sinar gamma dari tabrakan dark matter yang terjadi di suatu tempat di galaksi Bima Sakti. Meskipun begitu, sinar gamma tersebut bisa saja dihasilkan oleh sumber lain seperti bintang energetik yang disebut dengan pulsar atau dari bintang yang sedang runtuh. Pengamatan lain adalah dengan mengamati dark matter yang bertabrakan dengan sesama dark matter. Richard Massey dari Durham University dan timnya beberapa tahun yang lalu memonitor tabrakan antargalaksi. Mereka awalnya berharap bahwa semua dark matter di galaksi tidak terpengaruh oleh tabrakan dan lolos begitu saja. Ternyata mereka malah menemukan sebagian dark matter yang tertinggal dari galaksi induknya ketika tabrakan terjadi. Ini mengindikasikan adanya interaksi antar-dark matter.

Cara kedua untuk mendeteksi dark matter adalah dengan menciptakannya. Para ilmuwan berharap dengan menggunakan alat seperti Large Hadron Collider (LHC) di Swiss mereka dapat membuat dark matter. LHC dapat menumbukkan proton-proton pada kecepatan tinggi (mendekati kecepatan cahaya). Tumbukan ini cukup kuat untuk menghancurkan proton menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. LHC dapat mempelajari bagian-bagian penyusun proton tersebut. Pada saat peristiwa tumbukan berenergi tinggi, partikel baru seperti WIMPs mungkin bisa ditemukan. Jika dark matter adalah WIMPs, maka LHC memiliki kesempatan besar untuk menemukannya. Namun, jika dark matter bukan WIMPs, LHC tidak akan pernah bisa menemukannya.

lhc-cern-accelerator-1200x630Large Hadron Collider.
Kredit: CERN/Claudia Marcelloni.

Cara ketiga adalah dengan membuat laboratorium di bawah tanah. Para ilmuwan berharap untuk bisa mendeteksi WIMPs yang bertumbukan dengan materi normal. Miliaran partikel dark matter lewat menembus tubuh kita setiap detik. Mereka ada di mana-mana. Secara teori, kita seharusnya dapat mendeteksi sinar gamma yang dihasilkan dari tumbukkan antara dark matter dengan materi normal. Masalahnya adalah radiasi sinar kosmik yang diterima di permukaan Bumi dapat mengganggu pendeteksian dark matter. Oleh karena itu kita harus membangun laboratorium di bawah tanah. Sejauh ini belum ada hasil yang meyakinkan yang didapat. Beberapa laboratorium mengklaim menemukan sesuatu, tetapi setelah diteliti lebih lanjut ternyata bukan WIMPs.

atom

Partikel WIMP yang misterius.
Sumber:
Image

Untuk saat ini pengetahuan kita tentang alam semesta masih gelap. Para astronom berharap dapat menemukan jawaban tentang dark matter dalam waktu beberapa dekade ke depan. Meskipun telah hampir satu abad sejak Zwicky mengusulkan keberadaan dark matter, hingga saat ini kita masih belum tahu wujud dark matter yang sesungguhnya. Ini merupakan pengingat bagi kita bahwa masih banyak hal yang harus dipelajari untuk memahami alam semesta. Masih banyak rahasia alam semesta yang perlu kita ungkap.

Referensi:

  1. http://iopscience.iop.org/book/978-0-7503-1373-5/chapter/bk978-0-7503-1373-5ch1
  2. http://www.bbc.com/earth/story/20150824-what-is-the-universe-made-of

Penulis: Irham Taufik Andika
Editor: Muhammad Bayu Saputra

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