Materi gelap merupakan substansi tak kasatmata yang menyusun sekitar 85% massa alam semesta. Seperti namanya, materi gelap bersifat “gelap” karena tidak menyerap, memancarkan, ataupun memantulkan cahaya. Dan yang terpenting, materi gelap belum berhasil dideteksi secara langsung, atau “dilihat”.
Namun, para astronom secara konsisten mengamati pengaruh gravitasi dari sesuatu terhadap banyak entitas kosmis—sebuah ketidaksesuaian yang terlalu mudah dijelaskan oleh konsep materi gelap. Implikasinya, bagi banyak pengamatan astronomi, memperhitungkan materi gelap menjadi kunci untuk memahami lubang hitam, supernova, galaksi jauh, atau bahkan alam semesta secara keseluruhan. Meskipun kita belum benar-benar menemukannya. Atau memahami wujud aslinya.
Bagi para astronom, taruhannya bisa jadi sangat tinggi. Seperti yang akan terlihat, kehadiran materi gelap yang sangat mendasar di alam semesta membuat daftar ini membahas sebagian kecil—namun krusial—dari teka-teki kosmis yang solusi terbaiknya adalah konsep hipotetis ini.
1. Seluruh alam semesta
Sebuah citra langit penuh yang menunjukkan distribusi materi gelap sepanjang sejarah alam semesta, yang diproyeksikan di langit. Bagian abu-abu menandai area langit yang terlalu terang untuk dianalisis peneliti. Kredit: ESA / Planck Collaboration
Ya, saya serius. Premis awal materi gelap berawal dari 85% massa yang hilang dari seluruh alam semesta. Materi biasa—segala yang bisa kita lihat, seperti planet, bintang, dan manusia—hanya menyusun sekitar 15%, bahkan tidak sampai setengah.
Ini mendasari banyak asumsi ilmiah mengapa materi gelap dianggap menjelaskan poin-poin lain dalam daftar ini. Jika materi gelap menyusun 85% massa alam semesta, maka pengaruh gravitasinya terhadap materi kasatmata akan sebanding, sehingga mustahil menemukan objek yang tidak terpengaruh oleh gaya tak kasatmata ini.
2. Galaksi spiral
Komposit galaksi spiral M83 yang menghadap ke Bumi. Kredit: NASA/CXC/SAO (Sinar-X); NASA/ESA/AURA/STScI, Hubble Heritage Team, W. Blair (STScI/Johns Hopkins University) dan R. O’Connell (University of Virginia), (Optik); NASA/CXC/SAO/L. Frattare (Pengolahan Citra)
Seperti dikatakan NASA, “Meski tidak semua astronom sepakat tentang hakikat materi gelap, keberadaannya diterima secara luas.” Materi gelap menjadi konsensus mainstream pada 1970-an, ketika astronom Amerika Vera Rubin menunjukkan bahwa tanpa materi gelap, galaksi spiral seperti Bimasakti kita berperilaku tidak sesuai dengan hukum fisika yang ada.
Menurut pengetahuan astronomi lama, semakin cepat orbit bintang, seharusnya semakin besar massa—dan gravitasi—di bagian galaksi mana pun. Berdasarkan konten kasatmata dari sekitar 60 galaksi yang diteliti Rubin, dia memperkirakan bintang yang berputar cepat hanya berada di pusat, tempat cahaya bintang terkonsentrasi.
Tapi faktanya, bintang di tepian bergerak sama cepatnya. Ini tidak masuk akal, karena gabungan materi kasatmata menunjukkan bahwa jika kecepatan ini benar, galaksi seharusnya tercerai-berai—kecuali ada massa tak kasatmata, seperti materi gelap, yang menyatukan galaksi tersebut.
3. Pusat Galaksi
Para astronom percaya materi gelap mungkin bertanggung jawab atas lebih dari sekadar bentuk Bimasakti. Beberapa studi menunjukkan kita melebih-lebihkan jumlah materi gelap di Bimasakti. Namun, astronom meyakini kelimpahannya dapat membantu menyelidiki sifat-sifat galaksi kita yang belum terdefinisi.
Contohnya tahun lalu, tim dari Universitas Johns Hopkins mengusulkan bahwa kelebihan misterius sinar gamma di Pusat Galaksi dihasilkan oleh tumbukan partikel materi gelap. Baru bulan ini, studi dari Institut Astrofisika La Plata Argentina berargumen bahwa, secara statistik, cukup masuk akal untuk berasumsi adanya “inti materi gelap” masif di Pusat Galaksi yang mengendalikan populasi bintang di sekitarnya.
4. Pelensaan gravitasi
Menurut relativitas umum, gravitasi adalah distorsi ruang-waktu. Entitas kosmis masif seperti bintang atau galaksi menghasilkan gaya gravitasi yang cukup untuk melengkungkan ruang-waktu. Ketika cahaya merambat sepanjang jalur yang melengkung ini, ia tampak membelok bagi pengamat di Bumi.
Karena materi gelap juga memiliki massa—dan jumlah yang besar—sering kali ia muncul dalam pengamatan pelensaan gravitasi. Fenomena ini, yang digunakan astronom sebagai teknik visualisasi yang praktis, memanfaatkan sifat pembelokan cahaya gravitasi untuk mengamati objek langit yang biasanya sulit, bahkan mustahil, untuk dilihat. Tapi ketika materi gelap muncul, ia menciptakan ilusi yang membuat ruang-waktu terlihat seperti mengalami glitch bagi astronom—seperti Salib Einstein aneh berujung lima ini.
5. Gugus Peluru (Bullet Cluster)
Gambar komposit ini menunjukkan gugus galaksi 1E 0657-56, yang dikenal sebagai “gugus peluru”. Kredit: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch dkk. (Sinar-X); Optik: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe dkk. (Optik); NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe dkk. (Peta Lensa)
Pada 2006, Observatorium Sinar-X Chandra milik NASA merilis komposit menakjubkan dari gugus galaksi 1E 0657-56, yang dijuluki Gugus Peluru, terbentuk dari salah satu peristiwa paling energetik yang diamati manusia sejak Dentuman Besar.
Gas panas yang dihasilkan selama tumbukan berinteraksi secara elektromagnetik, sehingga kita seharusnya dapat melacak pergerakannya. Namun, pelensaan gravitasi mengungkapkan bahwa sebagian besar massa gugus (ditunjukkan dengan warna biru) berada di sekitar galaksi—bukan di pusat, tempat gas berada (warna merah muda).
Mengikuti karya mendasar Rubin dalam astrofisika materi gelap, citra Gugus Peluru menjadi salah satu demonstrasi terkuat dari pengaruh materi gelap terhadap alam semesta.
6. Supersimetri
Fisikawan partikel memiliki firasat bahwa materi gelap dan supersimetri mungkin terkait erat. Ide ini memprediksi bahwa partikel pembawa gaya (seperti foton) dan partikel materi (seperti proton) seharusnya berpasangan, yang dapat membantu menjelaskan sedikit namun krusial ketidaksesuaian dalam Model Standar fisika partikel yang hampir sempurna.
Menurut CERN, banyak teori supersimetri berhipotesis bahwa partikel partner ini akan stabil, netral secara listrik, dan berinteraksi lemah dengan materi kasatmata—persis kriteria dalam pencarian materi gelap. Akselerator LHC milik CERN sendiri belum menemukan bukti langsung supersimetri, tetapi fisikawan masih berharap koneksi antara supersimetri dan materi gelap ada.
7. Keanehan dalam latar gelombang mikro kosmis
Citra langit penuh dari latar gelombang mikro kosmis. Kredit: NASA/WMAP Science Team
Latar gelombang mikro kosmis adalah peninggalan dari kelahiran eksplosif alam semesta kita—Dentuman Besar. Ia merupakan pancaran radiasi yang hampir seragam, berfungsi sebagai rekaman bagi astronom untuk melacak dan mempelajari evolusi materi di alam semesta sepanjang waktu.
Namun, detektor yang sangat sensitif telah menangkap variasi aneh dalam suhu, yang diyakini ilmuwan merepresentasikan jejak materi gelap. Meski materi gelap tidak berinteraksi langsung dengan radiasi, efek gaya gravitasinya akan meninggalkan ketidaksempurnaan, atau anisotropi, dalam latar gelombang mikro kosmis.
Dan distribusi anisotropi semacam itulah yang memungkinkan ilmuwan mendeskripsikan sifat fisik kunci dari bentuk alam semesta—jadi, sejauh menyangkut ketidaksempurnaan, ini adalah ketidaksempurnaan yang cukup berguna.