Don Lincoln adalah ilmuwan senior di Fermilab Departemen Energi AS, lembaga penelitian Large Hadron Collider terbesar di Amerika. Dia juga menulis tentang sains untuk umum, termasuk bukunya yang baru-baru ini "The Large Hadron Collider: Kisah Luar Biasa dari Higgs Boson dan Hal-Hal Lain yang Akan Meledakkan Pikiran Anda" (Johns Hopkins University Press, 2014). Anda bisa mengikutinya di Facebook. Lincoln menyumbang artikel ini untuk Suara Ahli Ilmu Langsung: Op-Ed & Insights.
Banyak orang yang paham sains menerima begitu saja bahwa alam semesta tidak hanya dibuat dari "miliaran dan miliaran" galaksi Carl Sagan, tetapi juga sejumlah besar zat tak kasat mata yang disebut zat gelap. Materi aneh ini dianggap sebagai jenis baru dari partikel subatom yang tidak berinteraksi melalui elektromagnetisme, atau kekuatan nuklir yang kuat dan lemah. Materi gelap juga seharusnya lima kali lebih lazim di alam semesta daripada materi atom biasa.
Namun, kenyataannya adalah bahwa keberadaan materi gelap belum terbukti. Materi gelap masih merupakan hipotesis, meskipun yang didukung cukup baik. Setiap teori ilmiah harus membuat prediksi, dan jika itu benar, maka pengukuran yang Anda lakukan harus sejalan dengan prediksi tersebut. Hal yang sama berlaku untuk materi gelap. Sebagai contoh, teori dark matter membuat prediksi seberapa cepat galaksi berputar. Tetapi, sampai sekarang, pengukuran yang dilakukan dari distribusi materi gelap terperinci di pusat galaksi massa rendah tidak sejalan dengan prediksi tersebut.
Perhitungan terbaru telah mengubah itu. Perhitungan membantu menyelesaikan teka-teki dari hubungan Tully-Fisher, yang membandingkan materi yang terlihat, atau biasa, dari galaksi dengan kecepatan rotasinya. Dalam istilah yang sangat sederhana, para ilmuwan telah menemukan bahwa galaksi spiral yang lebih besar (dan karena itu lebih terang), semakin cepat berputar.
Tetapi jika materi gelap ada, seberapa besar "galaksi" harus ditentukan tidak hanya oleh materi yang terlihat, tetapi juga oleh materi gelapnya. Dengan sebagian besar persamaan - jumlah materi gelap - hilang, hubungan Tully-Fisher seharusnya tidak berlaku. Namun demikian. Sulit membayangkan cara apa pun untuk mendamaikan hubungan ini dengan teori materi gelap yang ada. Sampai sekarang.
Asal materi gelap
Firasat pertama bahwa mungkin ada kebutuhan untuk sesuatu seperti materi gelap kembali ke tahun 1932. Astronom Belanda Jan Oort mengukur kecepatan orbit bintang-bintang di Bima Sakti dan menemukan mereka bergerak terlalu cepat untuk dijelaskan oleh massa galaksi yang diamati.
Bintang-bintang mengorbit galaksi induknya di jalur yang hampir melingkar dan gravitasi adalah kekuatan yang menahan bintang-bintang di orbitnya. Persamaan Newton memprediksi bahwa gaya yang membuat bintang-bintang bergerak dalam lintasan melingkar, F (melingkar), harus sama dengan gaya akibat gravitasi pada bintang, F (gravitasi), atau bintang itu akan terbang ke luar angkasa atau jatuh ke pusat galaksi. Bagi mereka yang ingat fisika SMA, F (melingkar) adalah pernyataan inersia dan hanya Newton's F = ma. F (gravitasi) adalah hukum gravitasi universal Newton.
Dekat pusat galaksi, Rubin dan Ford menemukan bahwa F (melingkar) kira-kira sama dengan F (gravitasi), seperti yang diharapkan. Tetapi jauh dari pusat galaksi, kedua sisi persamaan tidak cocok dengan baik. Sementara detail bervariasi dari galaksi ke galaksi, pengamatan mereka pada dasarnya bersifat universal.
Perbedaan yang begitu dramatis membutuhkan penjelasan. Di dekat pusat galaksi, pengukuran Rubin dan Ford berarti teorinya bekerja, sementara perbedaan jarak orbital yang lebih besar berarti ada sesuatu yang terjadi yang tidak bisa dijelaskan oleh teori yang ada. Wawasan mereka mengungkapkan bahwa kami tidak memahami cara kerja kelembaman (mis., F (melingkar)), atau kami tidak memahami cara kerja gravitasi (mis., F (gravitasi)). Kemungkinan ketiga adalah bahwa tanda yang sama salah, artinya ada beberapa kekuatan atau efek lain yang tidak dimasukkan persamaan. Hanya itulah satu-satunya kemungkinan.
Menjelaskan perbedaan
Dalam 40 tahun sejak karya asli Rubin dan Ford, para ilmuwan telah menguji banyak teori untuk mencoba menjelaskan perbedaan rotasi galaksi yang mereka temukan. Fisikawan Mordehai Milgrom mengusulkan modifikasi inersia, yang disebut "dinamika Newton yang dimodifikasi," atau MOND. Dalam bentuk awalnya, ia mendalilkan bahwa pada akselerasi sangat rendah, persamaan Newton F = ma tidak bekerja.
Fisikawan lain menyarankan modifikasi hukum gravitasi. Relativitas umum Einstein tidak membantu di sini karena, dalam bidang ini, prediksi Einstein dan Newton pada dasarnya identik. Dan teori gravitasi kuantum, yang berusaha menggambarkan gravitasi menggunakan partikel subatomik, tidak bisa menjadi penjelasan untuk alasan yang sama. Namun, ada teori gravitasi yang membuat prediksi pada skala galaksi atau ekstragalaktik yang berbeda dari gravitasi Newton. Jadi, itu adalah opsi.
Lalu ada prediksi bahwa ada kekuatan baru. Ide-ide ini terkumpul bersama dengan nama "kekuatan kelima," menyiratkan kekuatan di luar gravitasi, elektromagnetisme dan kekuatan nuklir yang kuat dan lemah.
Akhirnya, ada teori materi gelap: Jenis materi yang tidak berinteraksi dengan cahaya sama sekali, namun memberikan tarikan gravitasi, menembus alam semesta.
Jika rotasi galaksi merupakan satu-satunya data yang kita miliki, mungkin sulit untuk memilih di antara teori-teori yang berbeda ini. Lagi pula, dimungkinkan untuk mengubah setiap teori untuk menyelesaikan masalah rotasi galaksi. Tetapi sekarang ada banyak pengamatan dari berbagai fenomena yang dapat membantu mengidentifikasi teori yang paling masuk akal.
Salah satunya adalah kecepatan galaksi dalam kelompok besar galaksi. Galaksi-galaksi bergerak terlalu cepat sehingga cluster tidak dapat terikat bersama. Pengamatan lain adalah cahaya dari galaksi yang sangat jauh. Pengamatan galaksi kuno yang sangat jauh ini menunjukkan bahwa cahayanya terdistorsi dengan melewati medan gravitasi gugusan galaksi yang lebih dekat. Ada juga penelitian tentang ketidakseragaman kecil dari latar belakang gelombang mikro kosmik yang merupakan tangisan kelahiran alam semesta. Semua pengukuran ini (dan masih banyak lagi) juga harus ditangani oleh teori baru untuk menjelaskan kecepatan rotasi galaksi.
Pertanyaan gelap materi yang tidak terjawab
Teori materi gelap telah melakukan pekerjaan yang masuk akal dalam memprediksi banyak pengukuran ini, yang mengapa itu dihormati di komunitas ilmiah. Namun materi gelap masih merupakan model yang belum dikonfirmasi. Semua bukti keberadaannya sejauh ini tidak langsung. Jika materi gelap ada, kita harus dapat secara langsung mengamati interaksi materi gelap saat ia melewati Bumi dan kita mungkin dapat membuat materi gelap dalam akselerator partikel besar, seperti Large Hadron Collider. Namun tidak ada pendekatan yang berhasil.
Selain itu, materi gelap harus setuju dengan semua, bukan hanya banyak, pengamatan astronomi. Sementara materi gelap adalah model yang paling sukses sejauh ini, itu tidak sepenuhnya berhasil. Model materi gelap memprediksi lebih banyak galaksi satelit kerdil yang mengelilingi galaksi besar seperti Bima Sakti daripada yang sebenarnya terdeteksi. Meskipun galaksi kerdil lebih banyak ditemukan, masih ada terlalu sedikit dibandingkan dengan prediksi materi gelap.
Pertanyaan besar dan terbuka lainnya adalah bagaimana materi gelap mempengaruhi hubungan antara kecerahan galaksi dan kecepatan rotasi mereka. Hubungan ini, yang pertama kali disajikan pada tahun 1977, disebut hubungan Tully-Fisher, dan telah menunjukkan beberapa kali bahwa massa yang terlihat dari galaksi berkorelasi baik dengan kecepatan rotasinya.
Tantangan berat untuk materi gelap
Jadi, itu mengakhiri cerita belakang. Apa yang baru?
Hubungan Tully-Fisher adalah tantangan berat bagi model materi gelap. Rotasi sebuah galaksi diatur oleh jumlah total materi yang dikandungnya. Jika materi gelap benar-benar ada, maka jumlah total materi adalah jumlah dari materi biasa dan gelap.
Tetapi teori materi gelap yang ada memprediksi bahwa galaksi acak mana pun mungkin mengandung fraksi materi gelap yang lebih besar atau lebih kecil. Jadi, ketika seseorang mengukur massa yang terlihat, Anda berpotensi kehilangan sebagian besar massa total. Akibatnya, massa yang terlihat harus menjadi prediktor yang sangat buruk dari total massa (dan karenanya kecepatan rotasi) galaksi. Massa galaksi bisa mirip dengan massa yang terlihat (biasa) atau bisa jauh lebih besar.
Dengan demikian, tidak ada alasan untuk berharap bahwa massa yang terlihat harus menjadi prediktor yang baik dari kecepatan rotasi galaksi. Namun demikian.
Bahkan, dalam sebuah makalah yang dirilis tahun ini, skeptis materi gelap menggunakan pengukuran hubungan Tully-Fisher untuk berbagai galaksi untuk membantah hipotesis materi gelap dan untuk versi inersia yang dimodifikasi, seperti MOND.
Lebih cocok untuk materi gelap
Namun, dalam sebuah makalah yang dirilis pada bulan Juni, para ilmuwan telah memberikan dorongan signifikan pada model materi gelap. Pekerjaan baru ini tidak hanya mereproduksi keberhasilan prediksi sebelumnya dari model materi gelap, tetapi juga mereproduksi hubungan Tully-Fisher.
Makalah baru adalah model "semi-analitik", yang berarti bahwa itu adalah kombinasi dari persamaan analitik dan simulasi. Ini mensimulasikan penggumpalan materi gelap di alam semesta awal yang mungkin memiliki seeded pembentukan galaksi tetapi juga termasuk interaksi materi biasa, termasuk hal-hal seperti infall materi biasa ke dalam benda langit lain karena tarikan gravitasi, pembentukan bintang dan pemanasan dari gas infalling oleh cahaya bintang dan supernova. Dengan hati-hati mengatur parameter, para peneliti lebih mampu mencocokkan hubungan Tully-Fisher yang diprediksi. Kunci perhitungannya adalah bahwa kecepatan rotasi yang diprediksi mencakup nilai realistis untuk rasio baryon terhadap materi gelap di galaksi.
Perhitungan baru merupakan langkah tambahan penting dalam memvalidasi model materi gelap. Namun, itu bukan kata terakhir. Setiap teori yang berhasil harus setuju dengan semua pengukuran. Kegagalan untuk setuju berarti bahwa teori atau data salah, atau setidaknya tidak lengkap. Beberapa perbedaan antara prediksi dan pengukuran masih tetap ada (seperti jumlah galaksi satelit kecil di sekitar yang besar), tetapi makalah baru ini memberi kita keyakinan bahwa pekerjaan di masa depan akan menyelesaikan perbedaan yang tersisa ini. Materi gelap tetap merupakan teori prediksi kuat untuk struktur alam semesta. Itu tidak lengkap dan perlu validasi dengan menemukan partikel materi gelap yang sebenarnya. Jadi, masih ada pekerjaan yang masih harus dilakukan. Tetapi perhitungan terbaru ini adalah langkah penting menuju hari di mana kita akan tahu sekali dan untuk semua jika alam semesta benar-benar didominasi oleh sisi gelap.
