Hubble Mendeteksi Gumpalan Materi Gelap Terkecil

Memanfaatkan Teleskop Antariksa Hubble NASA dan penerapan teknik pengamatan terbaru, para astronom telah menemukan gumpalan materi gelap yang ukurannya jauh lebih kecil daripada yang telah ditemukan sebelumnya. Temuan ini mengkonfirmasi salah satu prediksi fundamental dari teori “materi gelap dingin” yang diterima secara luas.

Menurut teori ini, semua galaksi terbentuk dan tertanam di dalam awan materi gelap. Materi gelap itu sendiri terdiri dari partikel yang bergerak lambat, atau “dingin,” yang bersatu dan membentuk struktur mulai dari ratusan ribu kali lipat massa galaksi Bima Sakti hingga gumpalan yang tidak lebih masif dari bobot sebuah pesawat komersial. (Dalam konteks ini, “dingin” mengacu pada kecepatan partikel.)

Observasi Hubble menghasilkan wawasan baru tentang sifat dan perilaku materi gelap. “Kami melakukan uji coba observasi untuk model materi gelap dingin dan lulus dengan hasil memuaskan,” kata anggota tim Tommaso Treu dari Universitas California (UCLA), Los Angeles.

Materi gelap adalah bentuk materi tak kasat mata yang membentuk sebagian besar massa alam semesta dan menjadi perancah di mana galaksi dibangun. Meskipun tidak dapat melihat materi gelap, para astronom dapat mendeteksi keberadaannya secara tidak langsung dengan mengukur bagaimana gravitasi materi gelap memengaruhi bintang dan galaksi. Mendeteksi struktur terkecil materi gelap melalui upaya pencarian bintang yang tertanam di dalamnya mustahil dilakukan, karena tentunya hanya mengandung sangat sedikit bintang.

Sementara konsentrasi materi gelap telah terdeteksi di sekitar galaksi-galaksi berukuran besar dan menengah, gumpalan materi gelap yang jauh lebih kecil belum ditemukan sampai sekarang. Dengan tidak adanya bukti observasi untuk gumpalan dalam skala kecil seperti itu, beberapa peneliti telah mengembangkan teori alternatif, termasuk “materi gelap hangat”. Gagasan ini memprediksi materi gelap yang bergerak cepat, dapat bergabung dan membentuk konsentrasi yang lebih kecil. Observasi terbaru tidak mendukung skenario ini, justru menemukan materi gelap yang “lebih dingin” daripada yang diperkirakan oleh teori alternatif materi gelap hangat.

“Materi gelap ternyata lebih dingin pada skala yang lebih kecil,” kata penanggung jawab tim Anna Nierenberg dari Laboratorium Propulsi Jet (JPL) NASA di Pasadena, California. “Para astronom telah melakukan serangkaian tes observasi lain terhadap teori materi gelap sebelumnya, tetapi hasil studi kami menyediakan bukti terkuat untuk eksistensi gumpalan kecil materi gelap dingin. Dengan menggabungkan prediksi teoritis terbaru, alat statistik dan obervasi terbaru Hubble, kami sekarang memiliki hasil yang jauh lebih kuat daripada sebelumnya.”

Berburu konsentrasi materi gelap tanpa bintang merupakan upaya yang cukup menantang. Namun, tim menerapkan teknik yang mengabaikan pengaruh gravitasi bintang sebagai pelacak materi gelap. Tim menargetkan delapan “lampu” kosmik kuat nan jauh yang disebut quasar (wilayah di sekitar lubang hitam aktif yang memancarkan banyak cahaya). Para astronom mengukur bagaimana cahaya yang dipancarkan oleh oksigen dan gas neon yang mengorbit masing-masing lubang hitam sumber quasar, terdistorsi oleh gravitasi galaksi masif di latar depan yang bertindak selaku lensa pembesar alami.

Setiap citra yang dihasilkan Wide Field Camera 3 Hubble ini mengungkap empat gambar quasar yang telah terdistorsi karena gaya gravitasi dari galaksi masif latar depan yang bertindak selaku lensa pembesar alami. Gambar diambil antara tahun 2015 dan 2018.
Kredit: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) dan T. Treu (UCLA)

Dengan menerapkan metode ini, tim menemukan gumpalan materi gelap di sepanjang garis pandang teleskop ke quasar, termasuk di dalam dan di sekitar galaksi pelensaan gravitasi. Konsentrasi materi gelap yang terdeteksi oleh Hubble hanya 1/10.000 hingga 1/100.000 massa lingkaran halo Bima Sakti. Banyak dari konsentrasi kecil materi gelap ini yang tidak mengandung galaksi-galaksi berukuran kecil, oleh karena itu mustahil untuk dideteksi dengan metode konvensional melalui pencarian bintang-bintang yang tertanam di dalam materi gelap.

Delapan quasar dan galaksi-galaksi diselaraskan sedemikian rupa sehingga menghasilkan efek melengkung yang disebut pelensaan gravitasi, sekaligus menghasilkan empat gambar yang telah mengalami distorsi dari masing-masing quasar. Sebagaimana efek “kaca funhouse”, pelipatgandaan citra quasar jarang terjadi mengingat dibutuhkan penyelarasan antara galaksi-galaksi latar depan dengan quasar latar belakang. Namun, para peneliti sangat membutuhkan beberapa gambar untuk melakukan analisis terperinci.

Eksistensi gumpalan materi gelap mengubah kecerahan dan posisi setiap gambar quasar yang terdistorsi. Para astronom kemudian membandingkan pengukuran ini dengan prediksi bagaimana gambar quasar akan terlihat tanpa pengaruh materi gelap. Para peneliti menggunakan pengukuran untuk menghitung massa konsentrasi kecil materi gelap. Untuk menganalisis data, para peneliti juga mengembangkan program komputasi rumit dan teknik rekonstruksi intensif.

“Bayangkanlah delapan galaksi ini sebagai kaca pembesar raksasa,” jelas anggota tim Daniel Gilman dari UCLA. “Gumpalan kecil materi gelap seolah bertindak selaku celah kecil pada kaca pembesar, mengubah kecerahan dan posisi empat gambar quasar jika dibandingkan tanpa pelensaan gravitasi.”

Para peneliti menggunakan instrumen Wide Field Camera 3 Hubble untuk menangkap cahaya inframerah-dekat dari masing-masing quasar dan merentangkannya ke dalam warna komponen penyusunnya untuk dipelajari dengan spektroskopi. Emisi unik quasar latar belakang paling ideal dilihat dalam spektrum cahaya inframerah. “Observasi Hubble yang dilakukan di luar angkasa memungkinkan kami untuk melakukan pengukuran dalam sistem galaksi, yang tidak akan dapat diakses teleskop berbasis darat resolusi rendah, atmosfer Bumi juga menghalau cahaya inframerah yang perlu kami amati,” kata anggota tim Simon Birrer dari UCLA.

Treu menambahkan: “Menakjubkan, setelah hampir 30 tahun beroperasi, Hubble menyediakan pemandangan fisika dasar dan sifat alam semesta, yang bahkan tidak pernah diimpikan ketika ia diluncurkan.”

Pelensaan gravitasi diperoleh melalui analisis data survei berbasis darat, seperti Sloan Digital Sky Survey dan Dark Energy Survey, yang menyediakan peta tiga dimensi alam semesta paling terperinci yang pernah dibuat. Quasar terletak sekitar 10 miliar tahun cahaya dari Bumi, sedangkan galaksi latar depan sekitar 2 miliar tahun cahaya.

Grafik ini menggambarkan cahaya quasar jauh yang telah terdistorsi oleh gravitasi galaksi latar depan dan gumpalan kecil materi gelap di sepanjang jalur cahaya merambat.
Kredit: NASA, ESA dan D. Player (STScI)

Jumlah struktur kecil yang terdeteksi dalam penelitian ini menawarkan lebih banyak petunjuk tentang sifat materi gelap. “Sifat-sifat partikel materi gelap memengaruhi berapa banyak gumpalan terbentuk,” jelas Nierenberg. “Hal ini berarti kita dapat belajar tentang fisika partikel materi gelap dengan menghitung berapa banyak jumlah gumpalan kecil.”

Namun, jenis partikel yang membentuk materi gelap masih tetap menjadi misteri. “Saat ini, belum ada bukti langsung yang menyatakan bahwa materi gelap benar-benar ada,” kata Birrer. “Fisikawan partikel bahkan tidak akan berbicara tentang materi gelap jika kosmolog tidak mengatakan itu ada di sana, berdasarkan pengamatan efek yang ditimbulkannya. Ketika berbicara tentang materi gelap, maka kosmolog akan bertanya, bagaimana ia mengatur penampilan alam semesta, dan pada skala apa?”

Para astronom berharap untuk melakukan studi tindak lanjut tentang materi gelap menggunakan teleskop antariksa masa depan besutan NASA, seperti teleskop antariksa James Webb dan Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), keduanya merupakan observatorium inframerah. Webb mampu melakukan pengukuran serupa secara lebih efisien untuk seluruh pelipatgandaan quasar lensa gravitasi, sementara ketajaman dan bidang pandang luas WFIRST memungkinkan para astronom untuk mengamati seluruh wilayah kosmik yang dipengaruhi medan gravitasi dari galaksi-galaksi masif dan gugus galaksi. Webb dan WFIRST akan membantu para astronom untuk mengungkap misteri sistem kosmik yang langka ini.

Ditulis oleh: Staf www.nasa.gov, editor: Rob Garner

Sumber: Hubble Detects Smallest Known Dark Matter Clumps

#terimakasihgoogle dan #terimakasihnasa