Terbuat dari apakah materi gelap? Ini adalah salah satu pertanyaan astronomi modern yang paling membingungkan. Kita tahu bahwa materi gelap ada di luar sana, karena kita dapat melihat pengaruhnya yang jelas terhadap segala sesuatu mulai dari galaksi hingga evolusi seluruh alam semesta, tetapi kita tidak tahu apa itu adalah. Tebakan terbaik kami adalah bahwa itu adalah semacam partikel baru yang aneh yang tidak terlalu sering berbicara dengan materi normal (jika tidak, kita pasti sudah melihatnya sekarang). Satu kemungkinan adalah bahwa itu adalah jenis partikel hipotetis eksotis yang dikenal sebagai axion, dan tim astronom menggunakan tidak lain dari lubang hitam untuk mencoba melihat sekilas ke makhluk kosmik baru yang aneh ini.
Agenda Axion
Saya akan jujur dengan Anda, kami tidak tahu apakah axion ada. Mereka diciptakan untuk menjelaskan teka-teki dalam fisika energi tinggi. Ada semacam simetri di alam di mana jika Anda mengambil beberapa interaksi acak yang melibatkan banyak partikel subatomik dan mengganti muatan listrik semua orang untuk tanda yang berlawanan, dan juga menjalankan proses di cermin, Anda mendapatkan hasil yang sama persis. Ini dikenal sebagai simetri muatan dan paritas, atau singkatnya, simetri CP.
Simetri ini berlaku di mana-mana di alam, kecuali jika tidak, seperti dalam kasus gaya nuklir lemah, yang mampu melanggar simetri ini kapan pun terasa seperti itu.
Masalahnya adalah bahwa semua kekuatan nuklir yang kuat harus melanggar ini juga. Ada istilah-istilah dalam matematika yang sangat jelas mematahkan simetri CP, namun kami tidak melihat tanda-tanda simetri putus dengan kekuatan nuklir yang kuat dalam eksperimen kami. Jadi sesuatu harus terjadi untuk mengembalikan simetri ini ketika itu harus rusak.
Jawabannya - atau setidaknya satu jawaban potensial - adalah jenis partikel baru yang disebut axion. Axion mengembalikan semacam keseimbangan dalam gaya (ya saya tahu referensi Star wars di sini) sehingga simetri CP dipertahankan dan semua orang bisa menjalani kehidupan sehari-hari mereka. Tentu saja percobaan hingga saat ini belum secara langsung mengungkapkan keberadaan axion, dan ada berbagai kemungkinan massa dan properti yang dapat dimiliki axion.
Dalam rentang massa yang mungkin dan sifat-sifat yang memungkinkan dari axion, sesuatu yang luar biasa terjadi. Jika kita ingin mengisi alam semesta dengan materi gelap, materi gelap itu harus memiliki sifat tertentu. Itu tidak bisa berinteraksi dengan materi normal sangat sering dan bahkan tidak bisa berinteraksi dengan dirinya sendiri juga. Juga, perlu banyak, dan itu harus sangat stabil dan berumur panjang. Ternyata beberapa dari sejumlah sifat axion yang memungkinkan memungkinkan partikel hipotetis untuk menjadi kandidat untuk materi gelap.
The Dark Axions
Jika kita membiarkan axion menjadi materi gelap, umumnya dapat menjelaskan semua pengamatan materi gelap yang biasa. Itu bisa menjelaskan kurva rotasi di dalam galaksi. Itu bisa menjelaskan gerakan galaksi di dalam gugusan galaksi. Ini dapat diproduksi dalam jumlah yang cukup di Semesta awal agar sesuai dengan pengamatan latar belakang gelombang mikro kosmik. Dan seterusnya.
Terlebih lagi, aksial di inti galaksi dapat menyatu cukup rapat untuk membentuk satu bola masif yang pada awalnya memerah terlihat sangat mirip lubang hitam supermasif. Itu akan kecil, tidak akan berinteraksi dengan cahaya, dan itu akan sangat luar biasa. Sementara pengamatan terbaru dari Event Horizon Telescope memberi kami gambaran literal dari lubang hitam raksasa di galaksi lain, itu tidak berarti tidak mengesampingkan bahwa inti aksial ini masih mengintai di kedalaman galaksi di seluruh Semesta. Dan dengan kemungkinan inti aksial inilah kami mungkin dapat menangani sifat-sifat mereka.
Lubang Hitam adalah Kuncinya
Selain dari Event Horizon Telescope, kami tidak memiliki pengamatan langsung terhadap lubang hitam supermasif. Kita hanya bisa melihat materi yang berputar-putar dan bergolak di sekitar mereka. Dan dari sifat material itu kita bisa memperkirakan ukuran dan massa lubang hitam. Dengan teknik-teknik ini, selama beberapa dekade kami telah menemukan hubungan yang sangat aneh: galaksi yang lebih besar menampung lebih banyak lubang hitam besar di pusatnya. Hubungan ini sebenarnya relatif erat dan memberi tahu kita bahwa lubang hitam entah bagaimana berevolusi bersama dengan galaksi inangnya.
Tapi seperti yang saya katakan, kita tidak bisa mengamati lubang hitam secara langsung. Jadi mereka mungkin bukan lubang hitam sama sekali. Mereka mungkin adalah inti aksial yang bersembunyi di pusat galaksi-galaksi itu. Jika demikian, maka bukankah black hole berevolusi bersama dengan galaksi inangnya, tetapi bahwa inti aksial ikut berevolusi dengan galaksi inangnya. Semakin besar galaksi, semakin banyak materi gelap axion yang bisa dihostingnya, dan semakin besar inti axion di pusatnya.
Ini berarti kita dapat menggunakan hubungan antara objek gelap pusat (apakah itu lubang hitam atau inti aksial) dan galaksi itu sendiri untuk membatasi sifat-sifat aksial. Ini bekerja karena jika Anda mulai bermain dengan massa partikel axion maka ini memengaruhi seberapa mudah Anda dapat menggumpal untuk membentuk inti, yang akan mengubah hubungan dengan galaksi inang.
Sebuah tim astronom baru-baru ini menggunakan hubungan antara lubang hitam dan galaksi untuk melakukan hal ini, dan mampu menempatkan beberapa batas atas pada massa partikel axion, yang akan membantu memandu eksperimen masa depan dan pencarian langsung. Apakah axion bertanggung jawab atas materi gelap di alam semesta? Semoga suatu hari nanti kita bisa menjelaskan situasi.
Baca lebih lanjut: "Inti axion - massa halo dan hubungan massa black hole-halo: kendala pada beberapa skala parsec"
