MATERI GELAP

Dalam astronomi dan kosmologi, materi gelap adalah materi yang diduga ada berdasarkan efek gravitasinya pada materi biasa dan radiasi latarnya, tetapi tidak terdeteksi sebagai emisi radiasi atau radiasi elektromagnetik yang menyebar.

Materi gelap dihipotesiskan pertama kali oleh seorang lulusaan ETH seperti Einstein dan telah menjalani karir profesionalnya di California Institute of Technology (Institut Teknologi California) atau Caltech. Namanya adalah Fritz Zwicky. Lahir di Bulgaria pada tahun1898, Zwicky pergi ke Swiss untuk tinggal bersama kakek dan neneknya saat berusia 6 tahun dan tetap menjadi warga negara Swiss selama hidupnya. Karena terlalu muda untuk bertempur dalam Perang Dunia I, Zwicky belajar fisika teoritis di ETH, tempat dia menerapkan mekanika kuantum pada kristal untuk tesis doktornya pada tahun1922. Pada tahun 1925, Zwicky pindah ke Amerika Serikat karena mendapat beasiswa Rockefeller, dan memilih untuk belajar di Caltech karena terletak di kaki Gunung Pasadena, yang sedikit mirip dengan Pegunungan Alpen yang dicintainya. Meskipun sponsornya, Robert A. Milikan, berharap Zwicky memusatkan pada mekanika kuantum, tetapi dia justru tertarik pada astronomi. Dia mulai bekerja sama dengan astronom berbahasa Jerman lainnya, Walter Baade. Di awal karirnya, Zwicky mempelajari kelompok galaksi yang dikenal sebagai kelompok Coma Berenices, di dalam daftar Messier disebut M100.

Dengan menggunakan teknik Doppler yang dirintis oleh Vesto Slipher dan dilaksanakan di Observatorium Mount Wilson oleh Milton Humason, Zwicky menemukan kecepatan delapan galaksi di dalam kelompok Coma dan mengukur massa yang dibutuhkan oleh galaksi tersebut untuk tetap terikat pada kelompoknya secara gravitasional. Lalu, dia membandingkan massa itu dengan penghitungan massa kelompok berdasarkan cahaya yang dipancarkannya. Hasilnya, massa yang jauh lebih besar dibutuhkan untuk menjaga agar kelompok tersebut tidak terpencar. Zwicky menyebut massa yang hilang ini sebagai “dunkle materie”, materi gelap. Penghitungannya menunjukkan bahwa harus ada lebih dari sekadar materi gelap daripada materi biasa di dalam kelompok Coma. Hasil yang menggegerkan ini diabaikan oleh ahli astrofisika lain selama lebih dari 40 tahun. Mungkin karena diterbitkan di Jerman sebagai “Die Rotverscheibung von Extragalaktischen Nebeln” (Ingsutan Merah Nebula Extragalaksi) di dalam jurnal kecil, Helvetica Physica Acta pada tahun 1934.

Sumbangan besar berikutnya diberikan oleh Vera Rubin dan W. K. Ford pada tahun 1970, yang pertama kali mempelajari rotasi M31 (Galaksi Andromeda) lalu lebih dari 60 galaksi spiral lainnya. Ternyata semua galaksi ini berotasi lebih cepat daripada yang bisa didukung oleh massa kasat matanya, sekali lagi menunjukkan adanya massa tak kasat mata. Setelah lebih banyak bukti percobaan, masalah menjadi ini terlalu besar untuk diabaikan. Materi gelap tampaknya benar-benar ada, dan besarnya hampir 10 kali lipat materi biasa (kasat mata) yang bersinar.

Keseluruhan isi alam semesta bisa diringkas dalam konsep masa/energinya. (Massa dan energi dikenal sebagai sesuatu yang dapat ditukar satu sama lain melalui persamaan Einstein yang terkenal, yang telah menghubungkan keduanya: Energi = (massa)(kecepatan cahaya)², atau E = mc². Tabel berikut menunjukkan perhitungan terakhir untuk isi massa/energi seluruh alam semesta, beserta komentar singkat mengenai sesuatu yang telah diketahui tentang isinya.

Kandungan Alam Semesta	% Massa/Energi Alam Semesta	Komentar
Energi gelap	73	Menyebabkan pengembangan alam semesta yang makin cepat. Meski tidak terlihat dan sifatnya belum diketahui, efek kuat energi gelap telah diperhatikan.
Materi gelap	23	Juga belum diamati, tetapi materi gelap berperan dalam rotasi cepat galaksi dan kelompok-kelompok galaksi.
Materi biasa	4	Bintang, galaksi, dan kelompok galaksi yang terang yang diamati.
Neutrino	<1	Batas atas untuk massa totalnya sudah dirancang, tetapi nilai yang sebenarnya belum ditentukan.

Dampak penemuan ini cukup mengejutkan: Meskipun betul-betul tidak terdeteksi, tetapi energi gelap dan materi gelap dinyatakan menyusun 96% alam semesta dan mendominasi gerakannya.

Terdapat tiga cara berbeda untuk menjelaskan sifat dasar materi gelap yang sedang dalam pertimbangan: materi gelap barionik, materi gelap nonbarionik, atau kemungkinan kesalahpahaman gravitasi.

1.             Materi Gelap Barionik

Meski sesungguhnya, hanya proton dan neutron yang merupakan barion, astronom memasukkan elektron di dalam materi gelap barionik. Intinya adalah, jenis materi gelap ini terdiri atas partikel-partikel yang telah dikenal, tetapi tidak mengeluarkan radiasi yang cukup untuk dideteksi.

Contoh-contoh yang mungkin tentang materi gelap barionik meliputi:

·      Materi biasa. Awan-awan helium dan hidrogen tersebar di seluruh media antargalaksi memenuhi syarat sebagai materi gelap. Ini juga disebut materi redup.

·      MACHO. MAssive Compact Halo Objects (benda-benda bersinar yang padat dan besar) terdiri atas objek-objek di jangkauan luar galaksi (halo) yang mempunyai massa, tetapi karena ukurannya kecil atau radiasinya minimal, maka tidak bisa terdeteksi. Contoh MACHO meliputi:

a)      Si kerdil cokelat, yang merupakan benda-benda berukuran sedang yaitu antara ukuran Yupiter dan bintang terkecil, hampir 80 kali massa Yupiter. Benda-benda ini mungkin terbentuk di waktu yang sama dengan bintang dan planet, tetapi karena memiliki massa yang tidak cukup untuk memulai fusi nuklir, maka benda-benda tersebut mendingin dengan lambat dengan cara memancarkan radiasi yang terlalu redup untuk ditangkap sensor.

b)      Si kerdil putih, bintang neutron, dan lubang hitam, merupakan sisa-sisa bintang bermassa kecil, sedang, dan besar yang sebelumnya ada, yang mengeluarkan radiasi yang terlalu kecil (atau tidak ada radiasi, dalam kasus lubang hitam) untuk bisa dideteksi.

Usaha untuk menemukan MACHO yang dilakukan saat ini meliputi pengamatan gravitasional dimana cahaya dari bintang yang jauh dibelokkan oleh adanya MACHO, sehingga secara tidak langsung mengungkapkan keberadaannya. Hasil dari percobaan-percobaan di Bima Sakti menunjukkan adanya beberapa MACHO di area luar halo galaksi, meskipun tidak cukup untuk menyebabkan materi gelap yang begitu banyak.

2.             Materi Gelap Nonbarionik

Materi gelap nonbarionik mungkin tersusun dari partikel-partikel yang bukan merupakan susunan partikel dasar yang telah dikenal yang mempunyai massa. Kemungkinan terdapat materi gelap nonbarionik dingin maupun panas.

·      Materi gelap dingin. Materi ini terdiri atas partikel-partikel yang sangat besar dan bergerak lambat. Partikel-partikel ini disebut WIMP, Weakly Interacting Massive Particles (Partikel-Partikel Besar yang Berinteraksi Lemah). Tidak seorang pun yang telah menemukannya secara eksperimental, tetapi beberapa orang mendalilkannya sebagai bagian dari teori tentang bagaimana partikel-partikel dasar memperoleh massa. Materi gelap dingin mungkin terdiri atas:

a)      Fotino, merupakan teman supersimetris foton dengan massa 10 sampai 100 kali proton.

b)      Aksion, merupakan partikel hipotesis yang disebutkan untuk menjelaskan kurangnya sifat tertentu pada neutron dan juga menyebabkan sifat alam semesta yang tidak simetris dalam pengamatan. Jika aksion memang ada maka, foton mungkin bergerak bolak-balik dari aksion lalu kembali foton, menyebabkan variasi di dalam luminositas bintang. Kemungkinan lain adalah aksion mungkin menghubungkan materi gelap dan energi gelap dengan suatu cara. Aksion adalah partikel yang eksotis, yang mungkin berhubungan dengan masalah mengenai bagaimana partikel di alam semesta memperoleh massanya.

c)      Bijih kuark, merupakan kombinasi tidak biasa dan belum diamati dari enam kuark.

·       Materi gelap panas. Materi ini terdiri atas partikel-partikel bermassa ringan yang bergerak sangat cepat. Neutrino adalah kandidat yang paling mirip untuk materi gelap panas. Neutrino semula dikira memiliki massa nol, tetapi percobaan terakhir menunjukkan bahwa mungkin neutrino memiliki massa yang kecil. Meskipun banyak neutrino di alam semesta, tetapi massa agregatnya mungkin terlalu kecil sehingga tidak banyak mempegaruhi masalah materi gelap.

3.             Kesalahpahaman Gravitasi

Galaksi masih tetap dimodelkan seakan-akan merupakan kumpulan partikel yang mematuhi Hukum Newton. Meskipun teori gravitasi telah bertahan dalam berbagai percobaan, beberapa percobaan baru mengungkapkan pentingnya modifikasi jarak antar galaksi.[]