Sifat gravitasi begitu unik sehingga pada dasarnya memaksa para kosmolog untuk menganut salah satu dari dua kesimpulan radikal: materi gelap itu ada, atau aturan fundamental gravitasi perlu direvisi besar-besaran. Untuk menyelesaikan perdebatan ini, para ilmuwan melakukan penyelidikan gravitasi terbesar hingga saat ini, dan menemukan bahwa kearifan fisika lama tetap berlaku untuk pengamatan-pengamatan yang paling membingungkan.
Dalam studi yang diterbitkan pekan ini di Physical Review Letters, sebuah tim astronom internasional menguji pengamatan kosmik terhadap relativitas umum Albert Einstein, yang dibangun di atas hukum dasar gravitasi Isaac Newton. Relativitas umum—yang mendefinisikan gravitasi sebagai distorsi dalam ruang-waktu—merupakan salah satu gagasan paling sukses dalam sejarah sains. Hal “baru” dari studi ini adalah bahwa ia secara definitif menunjukkan bahwa bahkan struktur terbesar dan terjauh di alam semesta mengikuti aturan gravitasi yang serupa dengan yang kita alami sehari-hari.
Ini menjadi pelemah bagi teori-teori alternatif yang berusaha memodifikasi aturan fundamental gravitasi untuk menjelaskan ketidakkonsistenan pengamatan dalam kosmologi. Artinya, aturan dasarnya sudah benar—hanya ada sesuatu lain yang belum kita lihat. Banyak ilmuwan menyebut “sesuatu” ini sebagai materi gelap.
“Dengan begitu banyak pertanyaan yang belum terjawab, gravitasi tetaplah salah satu bidang penelitian yang paling menarik,” kata Patricio Gallardo, salah satu penulis studi dan seorang astrofisikawan di University of Pennsylvania, dalam sebuah pernyataan. “Ini adalah bidang yang secara alami menarik.”
Ada Sesuatu di Luar Sana
Pada tahun 1970-an, astronom ternama Vera Rubin menemukan bahwa galaksi yang berputar tampak menentang hukum gravitasi. Kebetulan, logika Newtonian menyatakan bahwa bintang-bintang yang lebih jauh dari pusat galaksi seharusnya mengorbit lebih lambat dibandingkan bintang di pusat, tempat cahaya bintang terkonsentrasi. Namun pengamatan Rubin justru mengungkapkan hal sebaliknya, dan bahwa bintang-bintang di pinggiran bergerak sama cepatnya.
Menurut Gallardo, perbedaan serupa muncul pada gugus galaksi, di mana beberapa di antaranya bergerak “terlalu cepat untuk jumlah materi kasat mata yang mereka kandung,” ujarnya. “Itulah teka-teki utamanya. Entah gravitasi berperilaku berbeda pada skala yang sangat besar, atau alam semesta mengandung materi tambahan yang tidak bisa kita lihat secara langsung.”
Munculnya Materi Gelap
Materi gelap—zat tak kasat mata yang diduga menyusun 85% massa alam semesta—diperkenalkan (sebagian) untuk menjawab masalah ini. Meskipun para peneliti belum menemukan bukti langsung untuk materi gelap, ada konsensus kuat bahwa keberadaannya memecahkan banyak fenomena yang belum terjelaskan di kosmos.
Tentu saja, karena kita belum benar-benar menemukan materi gelap, tidak semua ilmuwan mempercayainya, dengan banyak yang mengusulkan penjelasan alternatif. Namun, banyak studi terkini, seperti pemetaan ekstensif materi gelap ini, secara konsisten sampai pada kesimpulan yang mendukung keberadaan materi gelap.
Newton, Einstein, dan Gravitasi
Itu termasuk studi terbaru ini, yang mengumpulkan data tentang gugus galaksi yang diamati oleh Teleskop Kosmologi Atacama (ACT) di Chili dan Sloan Digital Sky Survey di New Mexico. Para peneliti melacak sumber cahaya tertentu yang dipancarkan sekitar 380.000 tahun setelah Big Bang. Setiap kali sumber cahaya purba ini melintasi gugus galaksi masif, gerakannya sedikit melengkung akibat efek gravitasi.
Dalam analisisnya, tim mengukur perubahan kecil ini di ratusan ribu gugus galaksi yang terpisah puluhan juta tahun cahaya. Hasil perhitungannya hampir sempurna cocok dengan apa yang diprediksi oleh teori Newton dan Einstein mengenai pengaruh gravitasi pada sumber cahaya ini.
“Analisis kami di sini cukup umum—tidak bergantung pada kosmologi spesifik,” catat para peneliti dalam makalah tersebut. Namun, mereka menambahkan, hukum gravitasi yang dimodifikasi tidak sesukses persamaan konvensional. Oleh karena itu, jika hukum gravitasi tidak bermasalah, ketidaksesuaiannya pasti terletak pada sesuatu yang tidak kita lihat—sesuatu seperti materi gelap.