Materi Gelap dan Energi Gelap

Data astronomi dan pengamatan terbaru dalam kosmologi menunjukkan bahwa 95% kepadatan energi alam semesta berada di sektor gelap yang terdiri dari materi gelap, bentuk materi yang belum teridentifikasi, dan energi gelap yang asal-usulnya tidak diketahui. Materi gelap dan energi gelap tidak sama.

Materi gelap bertanggung jawab untuk meratakan kurva rotasi galaksi. Ia juga bertindak sebagai pendahulu dari struktur-struktur besar alam semesta. Energi gelap bertanggung jawab untuk mempercepat perluasan alam semesta. Memahami mekanisme yang mendasari percepatan ini adalah salah satu tantangan besar fisika modern. Masalah ini terkait dengan konstanta kosmologis, teka-teki yang berasal dari masa awal relativitas umum.

Galaksi alam semesta kita tampaknya berhasil mencapai prestasi nyata. Mereka berputar begitu cepat sehingga gravitasi yang dihasilkan oleh materi yang dapat diamati yang dikandungnya tidak dapat menyatukan mereka; logis, mereka seharusnya sudah dibatalkan sejak lama. Hal yang sama berlaku untuk kelompok galaksi. Itulah sebabnya para ilmuwan yakin bahwa ada sesuatu yang tidak terlihat yang terlibat: sesuatu yang belum dapat kami deteksi secara langsung memberikan galaksi-galaksi ini massa ekstra, yang menghasilkan gravitasi ekstra yang mereka perlukan agar tidak runtuh. Kehadiran misterius ini disebut “materi gelap”.

Simulasi halo materi gelap dari simulasi benda-N kosmologis. http://en.wikipedia.org/wiki/User:Cosmo0, Public domain, via Wikimedia Commons

Materi gelap

Tidak seperti materi biasa, materi gelap tidak sensitif terhadap gaya elektromagnetik. Karena itu, ia tidak dapat menyerap, memantulkan, atau memancarkan cahaya, sehingga sangat sulit untuk dideteksi. Para ilmuwan hanya dapat menyimpulkan keberadaan materi gelap dari efek gravitasi yang tampaknya terjadi pada materi yang terlihat. Materi gelap tampaknya sekitar enam kali massa materi yang terlihat; itu harus membuat sekitar 27% dari Semesta. Ini serius: materi yang kita ketahui dan yang membentuk semua bintang dan galaksi hanya mewakili 5% dari isi Semesta.

**Sifat materi gelap (dark mater)**

Tapi apa sifat materi gelap? Menurut salah satu teori, itu bisa mengandung apa yang disebut partikel “supersimetris”, partikel hipotetis yang akan dikaitkan dengan partikel yang sudah diketahui dari Model Standar. Eksperimen di Large Hadron Collider (LHC) dapat memberikan lebih banyak bukti tentang materi gelap.

Beberapa teori memprediksi bahwa partikel materi gelap akan cukup terang untuk diproduksi di LHC. Dalam hal ini, mereka akan melewati detektor tanpa terdeteksi. Mereka akan, bagaimanapun, membawa energi dan dorongan. Oleh karena itu, dimungkinkan untuk menyimpulkan keberadaan mereka dari energi dan momentum yang hilang setelah tumbukan. Kandidat materi gelap sering hadir dalam teori fisika di luar Model Standar, seperti supersimetri dan dimensi ekstra. Salah satu teori ini membangkitkan keberadaan “lembah tersembunyi”, dunia paralel yang terbuat dari materi gelap yang memiliki sangat sedikit kesamaan dengan materi yang kita ketahui.

Jika salah satu dari teori-teori ini dikonfirmasi, itu akan memungkinkan para ilmuwan untuk lebih memahami komposisi Alam Semesta, dan, khususnya, bagaimana galaksi-galaksi tidak terurai.

Energi gelap

Energi gelap membentuk sekitar 68% dari Semesta dan tampaknya terkait dengan ruang hampa. Itu didistribusikan secara merata di Semesta, tidak hanya dalam ruang tetapi juga dalam waktu – dengan kata lain, efeknya tidak berkurang dengan perluasan Semesta. Distribusi yang merata ini berarti bahwa energi gelap tidak memiliki efek gravitasi lokal, melainkan efek global di seluruh Semesta. Ini menghasilkan gaya tolak yang cenderung mempercepat perluasan Alam Semesta.

Laju pemuaian dan percepatannya dapat diukur dengan pengamatan dan penerapan hukum Hubble. Pengukuran ini, bersama dengan data ilmiah lainnya, telah mengkonfirmasi keberadaan energi gelap dan memberikan perkiraan jumlah yang diwakili oleh zat misterius ini.

Lubang Hitam di Alam Semesta | Black Hole

Apa kesamaan materi gelap dan energi gelap?

Bagaimana dengan energi gelap di sana? Apakah itu hal yang sama? Dari gaya tarik gravitasi yang diberikan oleh materi gelap? Tidak semuanya. Satu-satunya poin umum antara materi gelap dan energi gelap adalah bahwa istilah “gelap” ini memiliki arti yang serupa. Sesuatu yang tidak terlihat dalam kegelapan ruang melalui teleskop kita, dan yang memberikan kekuatan yang efeknya dapat kita lihat tanpa menemukan sumbernya dan mengetahui sifat aslinya. Jika materi gelap telah digunakan untuk menjelaskan fakta bahwa galaksi tetap dekat satu sama lain, energi gelap dipanggil untuk menjelaskan fakta bahwa alam semesta mengembang.

Memang, sejak pengamatan astrofisikawan Amerika Edwin Hubble, pada 1930-an, kita tahu bahwa bintang dan galaksi secara bertahap bergerak menjauh satu sama lain, sebuah tanda bahwa Alam Semesta kita mengembang seperti balon yang akan membengkak. Namun, jika kita berasumsi bahwa gaya utama yang bekerja pada benda masif (planet, bintang, lubang hitam, dll.) adalah gravitasi, perluasan Semesta ini akan melambat secara bertahap di bawah pengaruhnya. Memang, gravitasi adalah gaya tarik menarik yang memiliki efek membawa massa lebih dekat satu sama lain dan tidak menjauhkan mereka.

Lubang Putih di Alam Semesta – White Hole

Namun… menjelang akhir tahun 1990-an, para astrofisikawan benar-benar memperhatikan bahwa perluasan Alam Semesta tidak terjadi pada kecepatan yang konstan… melainkan semakin cepat! Sebuah penemuan yang memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 2011 (S. Perlmutter, B. Schmidt dan A. Riess). Di sini sekali lagi, astrofisikawan, yang tidak mampu menjelaskan keadaan ini, telah membayangkan kehadiran “energi gelap” yang mengimbangi efek tarik gravitasi, atau bahkan membalikkannya. Sebuah energi “yang tidak banyak kita ketahui saat ini”…

Akhirnya, materi gelap dan energi gelap tampaknya menjelaskan dengan sempurna titik-titik gelap dalam struktur dan sejarah Semesta kita. Karena alasan inilah mereka berdua “diciptakan”. Keduanya juga hanya spekulasi, tidak pernah diamati secara langsung dan sangat kontroversial. Ini adalah poin umum terbesar mereka.

Perbedaan Alam Semesta, Galaksi dan Tata Surya

Materi gelap secara signifikan mendistorsi galaksi kita

Halo materi gelap yang misterius bisa menjadi alasan mengapa galaksi kita, Bima Sakti, tidak datar sebagaimana mestinya. Sebuah penelitian baru-baru ini menunjukkan bahwa materi gelap yang tak kasat mata ini telah mendistorsi Bima Sakti, sehingga membuatnya tampak seperti sombrero yang hancur.

Sampai saat ini, para ilmuwan percaya bahwa Bima Sakti adalah piringan datar yang didominasi oleh dua lengan spiral. Namun, pengukuran yang dilakukan sejak pertengahan abad ke-20 menunjukkan bahwa galaksi tersebut mengalami distorsi yang tidak dapat dijelaskan. Deformasi ini terjadi terutama di perbatasan galaksi kita. Beberapa daerah miring ke satu arah sementara daerah lain miring ke arah berlawanan, sehingga memberikan tampilan yang terdistorsi.

Materi gelap membentuk 85% materi di alam semesta, namun karena tidak berinteraksi langsung dengan cahaya, maka materi tersebut sama sekali tidak terlihat. Namun demikian, dampak gravitasinya terhadap lingkungan dapat diamati. Salah satu cara materi gelap memanifestasikan dirinya adalah dengan mempercepat bintang-bintang ke kecepatan yang tidak dapat dijelaskan saat mereka mengorbit pusat galaksi.

Halo galaksi muncul tepat di luar lengan spiral Bima Sakti. Dalam studi tahun 2022, para astronom menggunakan Observatorium Gaia milik Badan Antariksa Eropa untuk memetakan posisi dan pergerakan sekitar 2 miliar bintang di Bima Sakti. Mereka menemukan bahwa bintang-bintang di halo galaksi anehnya tidak seimbang.

Untuk memahami dampak halo materi gelap ini, para peneliti menggunakan model komputer untuk menciptakan kembali galaksi muda yang mirip dengan Bima Sakti. Setelah melakukan simulasi galaksi selama 5 miliar tahun, mereka menemukan bahwa mereka telah menciptakan galaksi yang sangat mirip dengan galaksi kita.

Untuk melakukan ini, kemiringan halo materi gelap perlu dimasukkan ke dalam simulasi. Penyebab kemiringan ini belum diketahui secara pasti, namun simulasi para peneliti menunjukkan bahwa kemungkinan besar terjadi tabrakan raksasa, mungkin dengan galaksi lain, yang menyebabkan kemiringan ini.