Energi Gelap dan Materi Gelap

Pada awal tahun 1990-an, muncul sebuah gagasan terkait ekspansi kosmos. Dengan kerapatan energi di dalamnya, suatu hari nanti ekspansi ruang diprediksi terhenti dan alam semesta runtuh seperti semula. Atau kerapatan energi justru tidak cukup untuk menghentikan ekspansi ruang, sehingga alam semesta terus meluas untuk selamanya, meskipun gaya gravitasi akan mempelambat laju ekspansi seiring waktu. Proses perlambatan ekspansi kosmos memang tidak pernah diamati, tetapi secara teoritis ekspansi kosmos seharusnya melambat, mengingat alam semesta penuh dengan materi dan gaya gravitasi akan menarik seluruh materi menjadi satu.

Kemudian pada tahun 1998, obervasi fenomena supernova jauh oleh Teleskop Antariksa Hubble NASA, mengungkap laju ekspansi kosmos yang lebih lambat daripada saat ini. Jadi, bukannya melambat oleh gaya gravitasi sebagaimana diperkirakan oleh para ilmuwan, laju ekspansi kosmos justru terakselerasi. Tidak ada yang pernah memprediksi fenomena ini dan tidak ada yang tahu bagaimana cara menjelaskannya, tapi tentu ada gaya misterius yang bertanggung jawab atas akselerasi laju ekspansi kosmos.

Akhirnya, para kosmolog menggagas tiga macam penjelasan. Mungkin akselerasi laju ekspansi kosmos dihasilkan oleh teori gravitasi Einstein versi lama, yang mengandung “konstanta kosmologis”. Mungkin ada semacam aliran energi aneh yang mengisi ruang di alam semesta. Mungkin ada yang salah dengan teori gravitasi Einstein dan dibutuhkan sebuah teori baru mencakup beberapa jenis medan yang meningkatkan laju ekspansi kosmos. Para kosmolog belum mampu menemukan penjelasan yang memadai, tetapi mereka telah memberikan nama untuk solusi tersebut, energi gelap.

Apa Itu Energi Gelap?

Energi gelap adalah gaya misterius, kita hanya tahu jumlah energi gelap dari pengaruhnya terhadap ekspansi kosmos. Komposisi alam semesta terdiri dari 68% energi gelap, 27% materi gelap, sedangkan kurang dari 5% sisanya adalah materi normal termasuk Bumi dan seluruh benda langit yang dapat kita amati dengan semua instrumen kita. Kalau dipikir-pikir, materi normal mungkin belum layak disebut materi “normal”, karena hanyalah sebagian kecil penyusun alam semesta.

Ekspansi Kosmos.
Diagram yang mengungkap perubahan laju ekspansi sejak kelahiran alam semesta 15 miliar tahun yang lalu. Semakin dangkal kurva, semakin cepat laju ekspansi. Kurva berubah secara mencolok sekitar 7,5 miliar tahun yang lalu, ketika seluruh objek di alam semesta mulai terpisah oleh akselerasi laju ekspansi. Para astronom menganggap gaya misterius bertanggung jawab atas akselerasi laju ekspansi yang memisahkan galaksi-galaksi.
Kredit: NASA/STSci/Ann Feild

Satu teori untuk menjelaskan eksistensi energi gelap adalah karena memang itu sifat ruang. Albert Einstein adalah ilmuwan pertama yang menyadari ruang tidak benar-benar kosong. Ruang memiliki sifat-sifat yang menakjubkan dan banyak yang baru mulai dipahami. Sifat pertama yang ditemukan Einstein adalah ruang itu meluas. Kemudian teori gravitasi versi lama Einstein yang mengandung konstanta kosmologis, memprediksi ruang memiliki energinya sendiri. Karena energi adalah sifat ruang itu sendiri dan tidak akan berkurang meskipun volumenya bertambah.

Ketika meluas, ruang justru memiliki lebih banyak energi dari peningkatan volume. Wujud energi ini justru menyebabkan alam semesta meluas lebih cepat. Sayangnya, tidak ada yang memahami mengapa akselerasi ekspansi ruang harus sesuai dengan konstanta kosmologis, termasuk mengapa nilai konstanta kosmologis dapat sesuai dengan observasi akselerasi laju ekspansi kosmos.

Inti materi gelap yang menentang teori.
Gambar ini menunjukkan distribusi materi gelap, galaksi, dan molekul gas panas di inti gugus galaksi Abell 520 yang menentang teori fundamental materi gelap

Gagasan lain yang menjelaskan bagaimana ruang memperoleh energi berasal dari teori materi kuantum. Dalam teori ini, “ruang hampa” sebenarnya penuh dengan partikel sementara (“virtual”) yang terus terbentuk, kemudian menghilang. Tetapi ketika para fisikawan mencoba menghitung pengaruh energi terhadap ruang hampa, jawabannya salah dan sangat menyimpang. Perhitungan menghasilkan angka 10¹²⁰ kali lebih besar. Angka 1 dengan 120 nol di belakangnya. Jadi, misteri terus berlanjut.

Gagasan lain untuk menjelaskan energi gelap adalah jenis baru dari aliran atau medan energi dinamis, sesuatu yang mengisi seluruh ruang tetapi juga berpengaruh terhadap ekspansi kosmos. Beberapa ilmuwan menyebutnya “quintessence,” menurut elemen kelima para filsuf Yunani. Tetapi jika quintessence adalah jawabannya, kita masih tidak tahu wujudnya, asal usulnya atau apa yang berinteraksi dengannya. Jadi, misteri terus berlanjut.

Kemungkinan terakhir adalah teori gravitasi Einstein salah. Karena tak sekadar memengaruhi ekspansi kosmos, tetapi juga akan memengaruhi perilaku seluruh materi di dalam galaksi dan gugus galaksi. Fakta ini berpotensi menyediakan cara untuk memutuskan apakah solusi energi gelap membutuhkan teori gravitasi baru atau tidak, kita bisa mengamatinya melalui ikatan galaksi di dalam gugus. Lantas, jika dibutuhkan teori baru, teori seperti apa untuk menggambarkannya secara akurat? Apakah bisa dengan tepat menggambarkan pergerakan objek di tata surya sebagaimana dijelaskan oleh teori Einstein, sekaligus memberikan prediksi yang berbeda seperti yang kita harapkan? Ada beberapa kandidat teori, tetapi belum ada yang meyakinkan. Jadi, misteri terus berlanjut.

Solusi yang dibutuhkan terletak pada sifat ruang itu sendiri, atau sebuah substansi dinamis baru, atau teori gravitasi baru, para ilmuwan tetap harus mengumpulkan lebih banyak data dari observasi.

Apa Itu Materi Gelap?

Penyesuaian model teoritis komposisi alam semesta dengan obervasi kosmologis, mengarah ke 68% energi gelap, 27% materi gelap dan 5% materi normal.

Para ilmuwan yakin materi gelap bukanlah materi normal. Pertama, gelap, artinya tidak berwujud menyerupai bintang dan planet sebagaimana yang bisa kita amati. Observasi mengungkap terlalu sedikit jumlah materi normal untuk mengisi 27% komposisi alam semesta. Kedua, tidak berwujud awan gelap materi normal, materi yang terdiri dari partikel yang disebut barion. Para ilmuwan mengetahuinya karena mereka tidak mampu mendeteksi awan-awan baryonik melalui penyerapan radiasi yang melewati mereka. Ketiga, materi gelap bukanlah antimateri, karena kita tidak melihat ciri khas sinar gamma yang dihasilkan ketika antimateri memusnahkan materi.

Akhirnya, kita juga bisa mengesampingkan lubang hitam supermasif di pusat galaksi-galaksi raksasa berdasarkan pelensaan gravitasi, fenomena konsentrasi materi masif yang mendistorsi cahaya saat melintas di dekatnya dari objek yang lebih jauh. Tetapi, kita tidak melihat cukup banyak fenomena pelensaan gravitasi yang mengarah ke perhitungan materi normal dapat mengisi 25% komposisi materi gelap seperti yang diharapkan.

Abell 2744: Terungkapnya Gugus Pandora.
Salah satu tabrakan antar gugus galaksi paling rumit dan dramatis yang pernah diamati, diabadikan dalam gambar komposit baru Abell 2744 ini. Warna biru menunjukkan peta konsentrasi total massa (sebagian besar adalah materi gelap).

Namun pada titik ini, masih ada beberapa penjelasan alternatif tentang materi gelap yang dianggap cukup logis. Materi baryonik dapat membentuk materi gelap jika seluruh materi terikat ke objek kosmik yang disebut katai coklat, atau di dalam potongan elemen berat yang berukuran kecil dan padat. Penjelasan alternatif ini disebut “massive compact halo object” atau MACHO. Tetapi, pandangan yang diterima luas oleh komunitas ilmuwan adalah materi gelap sama sekali tidak terkait dengan materi baryonik, tetapi terbentuk dari partikel eksotis lain seperti axions atau WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles).

Materi Gelap Tidak Ditemukan di Sebuah Galaksi Aneh.
Para peneliti terkejut ketika mereka menemukan galaksi NGC 1052-DF2 yang kehilangan sebagian besar, jika tidak semua, materi gelapnya.

Ditulis oleh: Staf science.nasa.gov

Sumber: Dark Energy, Dark Matter

#terimakasihgoogle dan #terimakasihnasa