Bagaimana supernova membantu mengungkap misteri energi gelap

Komponen terbesar di alam semesta adalah sesuatu yang kita hampir tidak tahu apa-apa tentangnya. Observasi terbaik dan paling akurat yang dikumpulkan oleh para kosiolog selama berdekade-dekade menunjukkan bahwa semua materi di sekitar kita, setiap atom yang kita lihat di seluruh kosmos, hanya menyusun 5 persen dari semua yang ada. 27 persen lainnya adalah materi gelap, yang menahan galaksi-galaksi agar tetap bersatu. Dan segala sesuatu yang lain – sekitar 68 persen dari alam semesta – adalah energi gelap, sebuah kekuatan yang bertanggung jawab atas perluasan alam semesta. Tanpa energi gelap, laju perluasan akan melambat seiring waktu. Namun jelas sekali bahwa hal itu tidak terjadi, dan laju perluasan justru meningkat. Pasti ada semacam kekuatan yang mendorong perluasan tersebut, dan kekuatan yang tidak diketahui itulah yang kita sebut energi gelap. Sebanyak 68 persen yang mengejutkan dari alam semesta adalah energi gelap. Itu adalah konstituen terbesar di alam semesta, dan itu adalah misteri. Tapi bagi sejenis ilmuwan tertentu, itu membuat mempelajarinya menjadi tantangan yang tidak bisa ditolak. Dalam pertemuan American Astronomical Society bulan lalu, para peneliti mempresentasikan data yang dikumpulkan selama satu dekade dari sampel supernova terbesar dan teruniform yang pernah dikumpulkan. Data ini merupakan bagian dari Dark Energy Survey, sebuah kolaborasi internasional dari lebih dari 400 astronom yang bekerja sama untuk mengungkap misteri energi gelap. Analisis ini difokuskan pada berbagai jenis supernova yang disebut Tipe 1a. Supernova ini sangat berguna bagi para astronom karena memiliki kecerahan yang sangat dapat diprediksi, sehingga sangat berharga sebagai penanda jarak yang akurat. Dengan menggunakan supernova ini untuk menghitung jarak ke galaksi yang jauh, para ilmuwan dapat mengukur seberapa cepat alam semesta ini mengembang dan semoga mempelajari lebih banyak tentang energi gelap yang aneh ini. Energi gelap mungkin menyusun sebagian besar alam semesta, tetapi efeknya halus. Untuk mendeteksi pengaruhnya, para peneliti harus melihat dataset yang besar yang menunjukkan pergerakan galaksi dalam skala besar. Diperlukan alat yang sangat presisi untuk dapat mendeteksi jenis efek yang luas yang dimiliki energi gelap pada pergerakan galaksi. “Untuk melakukan pengukuran yang sangat presisi ini, Anda memerlukan kamera dan teleskop terbaik yang tersedia, di darat atau di luar angkasa,” jelas Maria Vincenzi dari Duke University, yang menjadi pemimpin bersama analisis kosmologi sampel supernova DES. “Membangun jenis instrumen seperti ini adalah usaha yang sangat besar sehingga tidak dapat dilakukan oleh satu kelompok atau sumber daya universitas tunggal.” Mayoritas penelitian sebelumnya tentang energi gelap menggunakan supernova dilakukan dengan menggunakan teknik spektroskopi, di mana cahaya dari supernova dipecah menjadi panjang gelombang. Dengan mencari panjang gelombang cahaya yang tidak ada, para ilmuwan dapat menyimpulkan panjang gelombang mana yang telah diserap – yang memberi tahu Anda tentang komposisi suatu objek. Itu sangat berguna untuk mendapatkan informasi terperinci dari sebuah objek, tetapi itu juga merupakan proses yang sangat mahal dan memakan waktu yang memerlukan penggunaan teleskop khusus seperti Teleskop Luar Angkasa James Webb. Penelitian terbaru ini mengambil pendekatan yang berbeda. “Kami mencoba melakukan hal-hal dengan cara yang benar-benar berbeda,” kata Vincenzi. Mereka menggunakan teknik fotometri, di mana mereka mengamati cahaya dari objek dan melacak bagaimana kecerahannya berubah dalam beberapa minggu, menghasilkan data yang disebut kurva cahaya. Mereka kemudian memasukkan kurva cahaya ini ke dalam algoritme pembelajaran mesin, yang dilatih untuk mengidentifikasi supernova tertentu yang mereka inginkan – supernova Tipe 1a. Aspek pembelajaran mesin tersebut sangat penting karena perbedaan antara kurva cahaya jenis supernova bisa halus. “Algoritma pembelajaran mesin dapat melihat hal-hal yang bahkan mata yang terlatih dengan baik mungkin tidak dapat melihatnya,” kata Vincenzi, selain itu juga jauh lebih cepat. Itu memungkinkan kelompok tersebut untuk mengidentifikasi sampel besar sekitar 1.500 supernova ini dalam dataset lima tahun, yang dikumpulkan dari satu instrumen yang disebut Kamera Energi Gelap yang dipasang di Teleskop Víctor M. Blanco di Chile. Dengan dataset yang mengesankan ini, para peneliti dapat memahami lebih banyak tentang perluasan alam semesta daripada sebelumnya, dan temuan tersebut mendukung model alam semesta yang secara luas diterima yang benar-benar aneh. Keanehan ini berkaitan dengan kepadatan energi gelap. Untuk memahami mengapa hal itu penting, membayangkan sesuatu yang lebih familiar membantu: materi. “Saat alam semesta mengembang, volume alam semesta meningkat. Tapi jumlah materi tidak. Ini adalah konstan dari total materi. Jadi jika volume meningkat dan materi konstan, kepadatannya akan berkurang,” jelas Dillon Brout dari Boston University, yang menjadi pemimpin bersama analisis kosmologi. Jadi jauh, semuanya baik-baik saja. Tapi energi gelap tidak seperti itu – ia memiliki kepadatan konstan seiring waktu. “Saat alam semesta mengembang, kepadatannya tidak berkurang. Anda mendapatkan jumlah energi gelap yang lebih besar secara proporsional,” kata Brout. Itu berarti bahwa energi gelap tampaknya menjadi sifat dari ruang itu sendiri, itulah mengapa kadang-kadang disebut juga sebagai energi dari vakum. “Jika Anda mendapatkan lebih banyak ruang, Anda mendapatkan lebih banyak energi gelap. Jika alam semesta membesar, Anda mendapatkan jumlah energi gelap yang tepat, karena itu adalah sifat dari ruang itu sendiri,” kata Brout. Energi gelap tidak seperti yang lain yang kita ketahui dalam alam, jadi beberapa orang skeptis terhadap teori ini dan percaya bahwa harus ada penjelasan lain untuk laju perluasan alam semesta, seperti adanya sesuatu yang salah atau tidak lengkap tentang relativitas umum. Tetapi semakin banyak, para kosiolog sepakat bahwa teori kepadatan konstan energi gelap ini, yang disebut Lambda dark matter dingin, adalah penjelasan terbaik yang kita miliki untuk pengamatan yang telah kita buat. Penelitian baru-baru ini tidak membuktikan dengan pasti bahwa teori ini benar, tetapi konsisten dengannya. “Ini telah sangat mengagumkan bagi semua orang yang bekerja di bidang ini selama dua puluh tahun terakhir,” kata Vincenzi. “Karena ini adalah bentuk energi yang sangat sulit disatukan dengan pengetahuan sebelumnya tentang energi dan gaya yang biasa kita pikirkan dalam fisika.” Energi gelap dapat dipikirkan sebagai salah satu sisi koin kosmologi, dengan materi gelap menjadi sisi lainnya. Kedua kekuatan ini saling meniadakan: satu mendorong sesuatu agar menjauh dan yang lainnya menariknya bersama. “Materi dan materi gelap mempengaruhi alam semesta dengan gravitasi mereka. Jadi materi gelap memiliki kecenderungan untuk melambatkan perluasan alam semesta, sedangkan energi gelap memiliki kecenderungan untuk mempercepatnya,” kata Brout. “Jadi ini benar-benar seperti permainan tarik-menarik antara materi gelap dengan gaya gravitasi, dan kelakuan energi gelap yang mendorong.” Model ini berarti bahwa seiring berlalunya waktu dan perluasan alam semesta, ada semakin banyak energi gelap. Pada titik-titik awal dalam sejarah alam semesta, fisika alam semesta didominasi oleh materi gelap karena ukurannya lebih kecil dan kepadatan materi lebih tinggi. Seiring alam semesta semakin besar, energi gelap mulai mendominasi. “Energi gelap mendominasi di bagian-bagian alam semesta yang sebagian besar kosong, di antara jarak yang sangat jauh antara galaksi yang sebagian besar diisi dengan ruang kosong. Di wilayah galaksi yang diisi dengan jauh lebih banyak materi atau materi gelap, seperti di dalam galaksi atau di sistem tata surya, kita tidak merasakan atau melihat efek energi gelap,” jelas Brout. Itu sebagian alasan mengapa energi gelap sangat sulit untuk diteliti: para peneliti perlu melihat pergerakan galaksi dalam skala besar untuk melihat efeknya. Kesenjangan yang besar Jika semua ini terlihat kontra-intuitif dan aneh, maka siap-siaplah, karena ada keanehan lain yang akan terungkap dalam cerita ini. Meskipun para ilmuwan tahu bahwa ada banyak energi gelap di alam semesta, efeknya relatif kecil. Meskipun energi gelap mendorong perluasan alam semesta, yang tentu saja tidak dapat dianggap remeh, ada masalah yang lama terjadi dalam kosmologi di mana efeknya lebih lemah dari yang diprediksi oleh teori – jauh lebih le