Sejak "Zaman Keemasan Relativitas Umum" pada 1960-an, para ilmuwan berpendapat bahwa sebagian besar alam semesta terdiri dari massa misterius tak terlihat yang dikenal sebagai "Materi Gelap". Sejak itu, para ilmuwan telah berusaha untuk menyelesaikan misteri ini dengan pendekatan bercabang dua. Di satu sisi, ahli astrofisika telah berusaha menemukan partikel kandidat yang dapat menjelaskan massa ini.
Di sisi lain, ahli astrofisika telah mencoba menemukan landasan teori yang dapat menjelaskan perilaku Dark Matter. Sejauh ini, perdebatan telah berpusat pada pertanyaan apakah itu "panas" atau "dingin", dengan dingin menikmati keunggulan karena kesederhanaan relatifnya. Namun, sebuah studi baru yang dilakukan dipimpin oleh Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Ini didasarkan pada simulasi kosmologis pembentukan galaksi menggunakan model Semesta yang mencakup Materi Gelap interaktif. Simulasi dilakukan oleh tim peneliti internasional dari CfA, MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam, dan beberapa universitas. Studi baru-baru ini muncul di Internet Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society.
Ketika tiba saatnya, Dark Matter dinamai dengan tepat. Sebagai permulaan, itu membentuk sekitar 84% dari massa Semesta tetapi tidak memancarkan, menyerap atau memantulkan cahaya atau bentuk radiasi lain yang diketahui. Kedua, ia tidak memiliki muatan elektromagnetik dan tidak berinteraksi dengan materi lain kecuali melalui gravitasi, yang terlemah dari empat gaya fundamental.
Ketiga, itu tidak terdiri dari atom atau blok bangunan biasa (mis. Elektron, proton, dan neutron), yang berkontribusi pada sifat misteriusnya. Akibatnya, para ilmuwan berteori bahwa itu harus terdiri dari beberapa jenis materi baru yang konsisten dengan hukum alam semesta tetapi tidak muncul dalam penelitian fisika partikel konvensional.
Terlepas dari sifat aslinya, Dark Matter telah memiliki pengaruh besar pada evolusi kosmos sejak sekitar 1 miliar tahun setelah Ledakan Dahsyat. Bahkan, diyakini telah memainkan peran kunci dalam segala hal mulai dari pembentukan galaksi hingga distribusi radiasi Latar Belakang Mikro Kosmik (CMB).
Terlebih lagi, model-model kosmologis yang memperhitungkan peran yang dimainkan oleh Dark Matter didukung oleh pengamatan dari dua jenis struktur kosmik yang sangat berbeda ini. Juga, mereka konsisten dengan parameter kosmik seperti tingkat di mana Semesta berkembang, yang itu sendiri dipengaruhi oleh kekuatan misterius dan tak terlihat (dikenal sebagai "Energi Gelap").
Saat ini, model Dark Matter yang paling banyak diterima menganggap bahwa ia tidak berinteraksi dengan materi atau radiasi jenis lain (termasuk dirinya sendiri) di luar pengaruh gravitasi - yaitu "dingin". Inilah yang dikenal sebagai skenario Cold Dark Matter (CDM), yang sering dikombinasikan dengan teori Energi Gelap (diwakili oleh Lambda) dalam bentuk model kosmologis LCDM.
Bentuk teoritis Dark Matter ini juga disebut sebagai
“[CDM] adalah model yang paling teruji dan paling disukai. Ini terutama karena selama empat dekade terakhir, orang telah bekerja keras untuk membuat prediksi menggunakan Cold Matter sebagai paradigma standar - ini kemudian dibandingkan dengan data nyata - dengan temuan bahwa, secara umum, model ini mampu mereproduksi berbagai fenomena yang diamati di berbagai skala. "
Saat ia menggambarkannya, skenario Dark Matter yang dingin menjadi yang terdepan setelah simulasi numerik evolusi kosmik menggunakan “hot Dark Matter” - dalam kasus ini, neutrino. Ini adalah partikel subatom yang sangat mirip dengan
Simulasi ini menunjukkan bahwa distribusi yang diprediksi tidak seperti yang dilakukan Universe hari ini, ”tambah Bose. "Karena alasan itu, batas yang berlawanan mulai dipertimbangkan, partikel yang hampir tidak memiliki kecepatan ketika mereka dilahirkan (alias." Dingin "). Simulasi yang menyertakan kandidat ini cocok dengan pengamatan modern Semesta jauh lebih dekat.
“Setelah melakukan tes pengelompokan galaksi yang sama seperti sebelumnya, para astronom menemukan kesepakatan mengejutkan antara alam semesta yang disimulasikan dan diamati. Pada dekade-dekade berikutnya, partikel dingin telah diuji melalui pengujian non-trivial yang lebih ketat daripada sekadar pengelompokan galaksi, dan partikel itu umumnya melewati masing-masing dengan warna terbang. ”
Sumber daya tarik lain adalah fakta bahwa Dark Dark Matter (setidaknya secara teoritis) harus dapat dideteksi baik secara langsung maupun tidak langsung. Namun, di sinilah CDM mengalami masalah karena semua upaya mendeteksi satu partikel sejauh ini telah gagal. Dengan demikian, kosmolog telah mempertimbangkan kandidat lain yang mungkin memiliki tingkat interaksi yang lebih kecil dengan masalah lain.
Inilah yang dicari Sownak Bose, seorang astronom dengan CfA, dengan tim penelitinya. Demi belajar, mereka fokus pada kandidat "Materi Gelap" yang hangat. Jenis partikel ini akan memiliki kemampuan untuk berinteraksi secara halus dengan partikel yang sangat ringan yang bergerak mendekati kecepatan cahaya, meskipun lebih sedikit daripada variasi "panas" yang lebih interaktif.
Secara khusus, ia dapat berinteraksi dengan neutrino, mantan pelari terdepan untuk skenario HDM. Neutrino dianggap sangat lazim selama Semesta awal yang panas, sehingga kehadiran berinteraksi Materi Gelap akan memiliki pengaruh yang kuat.
"Dalam kelas model ini, partikel Dark Matter diizinkan untuk memiliki interaksi yang terbatas (tetapi lemah) dengan spesies radiasi seperti foton atau neutrino," kata Dr. Bose. "Kopling ini meninggalkan jejak yang agak unik dalam 'kebesaran' Semesta di masa-masa awal, yang sangat berbeda dengan apa yang mungkin diharapkan jika Materi Gelap adalah partikel dingin."
Untuk menguji ini, tim menjalankan simulasi kosmologis canggih di fasilitas superkomputer di Harvard dan University of Iceland. Simulasi-simulasi ini mempertimbangkan bagaimana pembentukan galaksi akan dipengaruhi oleh kehadiran kedua hal yang hangat dan Gelap dari sekitar 1 miliar setelah Big Bang hingga 14 miliar tahun (kira-kira sekarang). Kata Dr. Bose mengindikasikan:
“Kami menjalankan simulasi komputer untuk menghasilkan realisasi seperti apa jagat raya ini setelah evolusi 14 miliar tahun. Selain memodelkan komponen Dark Matter, kami juga menyertakan resep canggih untuk pembentukan bintang, efek supernova dan lubang hitam, pembentukan logam dll.”
Tim kemudian membandingkan hasilnya satu sama lain untuk mengidentifikasi tanda tangan karakteristik yang akan membedakan satu dari yang lain. Apa yang mereka temukan adalah bahwa untuk banyak simulasi efek dari Dark Matter interaktif ini terlalu kecil untuk dapat terlihat. Namun, mereka hadir dalam beberapa cara yang berbeda, terutama dengan cara galaksi yang jauh tersebar di seluruh ruang.
Pengamatan ini sangat menarik karena dapat diuji di masa depan menggunakan instrumen generasi berikutnya. "Cara untuk melakukan ini adalah dengan memetakan kelumpuhan Semesta pada masa-masa awal ini dengan melihat distribusi gas hidrogen," Dr. Bose menjelaskan. "Secara pengamatan, ini adalah teknik yang sudah mapan: kita dapat menyelidiki hidrogen netral di alam semesta awal dengan melihat spektrum galaksi jauh (biasanya quasar)."
Singkatnya, cahaya yang melakukan perjalanan kepada kita dari galaksi yang jauh harus melewati media intergalaksi. Jika ada banyak hidrogen netral di media intervening, garis emisi dari galaksi akan sebagian diserap, sedangkan mereka akan terhalang jika ada sedikit. Jika Dark Matter benar-benar dingin, ia akan muncul dalam bentuk distribusi gas hidrogen yang “lumpier”, sedangkan skenario WDM akan menghasilkan benjolan berosilasi.
Saat ini, instrumen astronomi tidak memiliki resolusi yang diperlukan untuk mengukur osilasi gas hidrogen di alam semesta awal. Tetapi seperti yang ditunjukkan oleh Dr. Bose, penelitian ini dapat memberikan dorongan untuk eksperimen baru dan fasilitas baru yang akan mampu melakukan pengamatan ini.
Misalnya, instrumen IR seperti James Webb Space Telescope (JWST) dapat digunakan untuk membuat peta baru dari distribusi penyerapan gas hidrogen. Peta-peta ini akan dapat mengkonfirmasi pengaruh Dark Matter interaktif atau mengesampingkannya sebagai kandidat. Diharapkan juga bahwa penelitian ini akan menginspirasi orang untuk memikirkan kandidat di luar mereka yang telah dipertimbangkan.
Pada akhirnya, Dr. Bose berkata, nilai sebenarnya berasal dari kenyataan bahwa prediksi teoretis semacam ini dapat memacu pengamatan ke batas-batas baru dan menguji batas-batas dari apa yang kita pikir kita ketahui. "Dan itu semua sains itu benar-benar," tambahnya, "membuat prediksi, mengusulkan metode untuk mengujinya, melakukan eksperimen dan kemudian membatasi / mengesampingkan teorinya!"
