Bidang Orbit Galaksi Satelit Menentang Prediksi Materi Gelap

Gambar komposit indah Centaurus A, sebuah galaksi aktif terdekat dari Bima Sakti. 16 galaksi satelit telah diukur di sekitar galaksi ini, dengan 14 di antaranya terlihat berada dalam satu bidang orbit yang menentang harapan naif dari simulasi materi gelap dingin.
ESO/WFI (Optical); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submillimetre); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (X-ray)

Materi gelap adalah salah satu konsep yang paling kuat dan kontroversial dalam fisika modern. Kita telah menemukan bukti tak terbantahkan tentang bagaimana semua materi normal di alam semesta yang terdiri dari proton, neutron, dan elektron, tidak bisa menjelaskan rangkaian efek gaya gravitasi mereka sendiri. Oleh karena itu, para ilmuwan menambahkan sumber massa tambahan dengan karakteristik tertentu, yaitu materi gelap, yang membawa hampir semua prediksi gaya gravitasi sesuai dengan apa yang telah kita amati. Salah satu prediksi tentang materi gelap adalah galaksi-galaksi satelit katai yang berukuran kecil seharusnya terbentuk di dalam lingkaran halo besar di sekitar galaksi-galaksi raksasa. Namun di sekitar Bima Sakti, Andromeda, dan sekarang Centaurus A, galaksi-galaksi satelit mereka ternyata tidak berada di dalam lingkaran halo, justru berada di cakram galaksi induk. Para peneliti yang melakukan studi terbaru mengklaim fenomena ini adalah tantangan utama terhadap gambaran standar kosmologi Cold Dark Matter (CDM). Tapi benarkah seperti itu? Untuk menjawabnya diperlukan pengamatan secara lebih mendalam.

Gambaran rinci tentang alam semesta mengungkap bagaimana kosmos terdiri dari materi, bukannya anti materi, sedangkan materi gelap dan energi gelap sangat diperlukan untuk menyusun alam semesta, dan hingga saat ini kita belum mengetahui asal mula dari semua misteri ini.
Chris Blake dan Sam Moorfield

Kapanpun seseorang mencetuskan teori yang menarik, simpel dan dapat memecahkan banyak permasalahan, namun prediksi fundamental dari teori hanya dapat dideteksi secara tidak langsung, pasti akan ada orang yang menentangnya. Inflasi kosmik, misalnya, menjelaskan asal usul kosmos, namun hanya sisa dari efeknya saja yang dapat diamati saat ini. Energi gelap menjelaskan laju ekspansi alam semesta secara sempurna, namun belum ada cara untuk mengetahui asal usulnya. Dan materi gelap, yang turut membuat frustrasi, menjelaskan seluruh rangkaian observasi kosmologis, mulai dari dinamika galaksi ke jaringan kosmik berskala besar hingga fluktuasi cahaya sisa Big Bang. Tapi belum pernah ada yang secara langsung mendeteksi partikel materi gelap. Bahkan bisa dikatakan belum pernah ada yang lebih dekat dari sekadar mendeteksi. Tetapi bukan berarti materi gelap tidak nyata, jadi kita harus sangat berhati-hati dalam menganalisis.

Menurut model dan simulasi, semua galaksi harus tertanam di dalam lingkaran halo materi gelap, yang puncak kerapatannya berada di pusat galaksi. Namun, sejumlah besar gumpalan sub lingkaran halo materi gelap juga diperkirakan ada, menyembunyikan minatur galaksi-galaksi di dalamnya. Distribusi mereka seharusnya seperti lingkaran halo, bukannya berbentuk seperti cakram.
NASA, ESA, dan T. Brown dan J. Tumlinson (STScI)

Permasalahan galaksi-galaksi satelit adalah teka-teki nyata, karena melibatkan banyak fisika rumit. Ketika menjalankan simulasi materi gelap, simulasi harus fitur universal yang dari waktu ke waktu mengharuskan kita untuk membangun lingkaran halo materi gelap skala besar yang bergabung menjadi satu dan sesuai dengan galaksi spiral dan elips raksasa yang kita amati saat ini. Tapi di sekitarnya ada sub lingkaran halo berukuran lebih kecil yang turut muncul dalam simulasi pada semua orientasi di sekitar galaksi yang lebih besar. Namun dalam prakteknya, galaksi-galaksi satelit katai yang benar-benar kita amati muncul dalam sebuah bidang, yaitu bidang orbital yang sama dengan cakram galaksi utama.

Galaksi-galaksi katai yang ditemukan mengitari galaksi Centaurus A menunjukkan orientasi yang jelas terhadap bidang orbit galaksi, sebuah tantangan untuk dijelaskan oleh teori CDM.
O. Muller et al., Science 359, 6375 (2018)

Selain itu, sementara muncul harapan naif agar galaksi-galaksi satelit katai juga menunjukkan gerakan acak, apa yang kita amati menunjukkan bukti signifikan bahwa mereka berada di dalam putaran satu bidang orbit dengan galaksi induk itu sendiri. Fenomena serupa ditemukan pertama kali di Bima Sakti dan Andromeda, dan penelitian terbaru menunjukkan bagaimana hal ini juga berlaku untuk Centaurus A, dengan 14 dari 16 galaksi satelit yang ditemukan terlihat berotasi bersama dengan galaksi pusat.

Entah apakah ada sesuatu yang menyembunyikan lingkaran halo materi gelap ini, ada yang salah dengan simulasi atau sesuatu yang tidak sepenuhnya diperhitungkan untuk materi gelap. Mari kita lihat masing-masing kemungkinannya.

Hanya ada sekitar 1.000 bintang di galaksi katai Segue 1 dan Segue 3 yang memiliki massa gravitasi setara dengan 600.000 Matahari. Bintang-bintang yang membentuk galaksi satelit katai Segue 1 dilingkari dalam gambar.
Marla Geha dan Observatorium Keck

1.) Lingkaran halo materi gelap memang nyata, tapi galaksi-galaksi satelit katai berukuran kecil di luar cakram galaksi utama terlalu sulit untuk diamati. Permasalahan terhadap galaksi satelit yang hilang adalah masalah klasik dalam kosmologi, karena simulasi CDM sejak dulu mengindikasikan eksistensi sejumlah besar galaksi-galaksi katai ultra redup di sekitar galaksi raksasa daripada yang telah kita temukan. Belum lama ini, banyak galaksi katai ultra-redup yang telah ditemukan, sebagian besar berada di dekat galaksi induk. Cahaya yang mereka pancarkan lebih redup daripada gugus bintang terbuka yang ditemukan di Bima Sakti, yang sebagai besar hanya terdiri dari ratusan bintang, meskipun tertutup oleh massa dari materi gelap yang mencapai ratusan ribu kali lipat massa Matahari. Namun, penemuan ini tidak sepenuhnya menjelaskan masalah orientasi, karena bidang orbital terlihat nyata.

Lebih jauh lagi, argumen bahwa galaksi-galaksi katai disembunyikan seharusnya hanya berlaku untuk Bima Sakti, karena hanya bidang Bima Sakti yang mengaburkan galaksi-galaksi satelit. Pengamatan galaksi-galaksi satelit di Centaurus A dan Andromeda nampaknya dapat menjelaskan hal ini. Ada argumen tentang apakah semua bidang orbit yang diamati secara dinamis stabil dalam rentang waktu yang lama, namun tidak terlihat galaksi-galaksi katai yang hilang yang dapat menjelaskan kesejajaran bidang yang tak terduga.

Proyeksi skala besar melalui volume Illustris pada z=0, berpusat di gugus paling masif hingga kedalaman 15 Mpc/h. Menunjukkan kepadatan materi gelap (kiri) yang beralih ke kerapatan gas (kanan). Struktur alam semesta berskala besar tidak dapat dijelaskan tanpa materi gelap, meskipun ada banyak upaya untuk memodifikasi teori gravitasi. Namun, struktur skala yang lebih kecil sering menimbulkan permasalahan untuk simulasi materi gelap.
Kolaborasi Illustri/Simulasi Illustris

2.) Simulasi yang memprediksi distribusi galaksi-galaksi satelit seperti lingkaran halo adalah kurang tepat. Inilah penjelasan potensial yang harus diperhatikan dengan sangat serius. Ada sejumlah proses yang sedang berjalan dalam evolusi galaksi, termasuk penggabungan galaksi-galaksi yang berukuran lebih kecil untuk membentuk galaksi yang berukuran lebih besar, materi yang jatuh ke galaksi dan arus materi gelap dan materi normal di sepanjang filamen kosmik. Filamen kosmik berperan layaknya jalan raya galaksi, yang memberikan akses bagi galaksi-galaksi katai untuk mengarah ke galaksi yang lebih besar selama miliaran tahun. Selain itu, ada efek umpan balik dari pembentukan bintang, interaksi antara gas, plasma dan radiasi yang turut memainkan peran namun belum diperhitungkan dengan baik dalam simulasi standar CDM. Lagipula distribusi galaksi-galaksi satelit seperti lingkaran halo mungkin bukan fitur generik, ketika seluruh efek fisik lainnya diperhitungkan.

Kelanjutan artikel: Bidang Orbit Galaksi Satelit Menentang Prediksi Materi Gelap (Bagian 2)