Apa itu materi gelap?

Apa itu materi gelap? Lukisan gumpalan biru panjang yang tampak lapang dan tampak kosmik, dihiasi dengan lubang hitam bundar dengan berbagai ukuran.

Apa itu materi gelap? Sejak 1930-an, astrofisikawan telah mencoba menjelaskan mengapa materi yang terlihat di galaksi tidak dapat menjelaskan bagaimana galaksi terbentuk, atau bagaimana mereka berperilaku. Mereka percaya materi gelap meliputi alam semesta kita, tetapi mereka tidak tahu apa itu. Gambar melaluiScienceAlert.


Apa itu materi gelap?

Materi gelap adalah zat misterius yang diperkirakan menyusun sekitar 27% dari susunan alam semesta. Apa itu? Ini sedikit lebih mudah untuk mengatakan apa itubukan.

Itu tidak biasaatom– bahan penyusun tubuh kita sendiri dan semua yang kita lihat di sekitar kita – karena atom hanya menyusun sekitar 5% dari alam semesta, menurut sebuahkosmologismodel yang disebut Lambda Cold Dark Matter Model (alias theModel Lambda-CDM, atau terkadang hanya Model Standar).


Materi gelap tidak sama dengangelapenergi, yang membentuk sekitar 68% dari alam semesta, menurut Model Standar.

Materi gelap tidak terlihat; itu tidak memancarkan, memantulkan, atau menyerap cahaya atau jenis apa punradiasi elektromagnetikseperti sinar-X atau gelombang radio. Dengan demikian, materi gelap tidak dapat dideteksi secara langsung, karena semua pengamatan kita terhadap alam semesta, selain dari deteksigelombang gravitasi, melibatkan menangkap radiasi elektromagnetik di teleskop kami.

Namun materi gelap memang berinteraksi dengan materi biasa. Ini menunjukkan efek gravitasi terukur pada struktur besar di alam semesta seperti galaksi dan gugus galaksi. Karena itu, para astronom dapat membuatpetadistribusi materi gelap di alam semesta, meskipun mereka tidak dapat melihatnya secara langsung.

Mereka melakukan ini dengan mengukur efek materi gelap pada materi biasa, melalui gravitasi.




Bentuk bola dunia yang rata, dengan tambalan biru tua dan muda dan hijau yang cukup merata di atasnya.

Gambar langit ini – dirilis pada tahun 2013 – menunjukkan distribusi materi gelap di seluruh sejarah alam semesta seperti yang terlihat diproyeksikan di langit. Ini berdasarkan data yang dikumpulkan dengan Badan Antariksa EropaSatelit Planck. Daerah biru tua mewakili daerah yang lebih padat dari sekitarnya. Daerah terang mewakili daerah kurang padat. Bagian abu-abu dari gambar sesuai dengan bidang langit di mana emisi latar depan, terutama dari Bima Sakti tetapi juga dari galaksi terdekat, mencegah kosmolog melihat dengan jelas. Gambar melaluiINI.

WIMP dan supersimetri

Saat ini ada upaya internasional yang besar untuk mengidentifikasi sifat materi gelap. Membawa gudang teknologi canggih untuk mengatasi masalah ini, para astronom telah merancang yang semakin kompleks dan sensitifdetektoruntuk mencari tahu identitas zat misterius ini.

Materi gelap mungkin terdiri dari yang belum teridentifikasipartikel subatomdari jenis yang sama sekali berbeda dari apa yang oleh para ilmuwan disebutbarionikmateri – itu hanya materi biasa, hal-hal yang kita lihat di sekitar kita – yang terbuat dari atom biasa yang terbuat dariprotondanneutron.

Daftar calon partikel subatom dipecah menjadi beberapa kelompok: ada:WIMP(Weakly Interacting Massive Particles), kelas partikel yang diperkirakan telah diproduksi di alam semesta awal. Para astronom percaya bahwa WIMP mungkin musnah sendiri ketika bertabrakan satu sama lain, jadi mereka telah mencari jejak-jejak peristiwa seperti pelepasanneutrinoatausinar gamma. Sejauh ini, mereka tidak menemukan apa pun. Selain itu, meskipun teori yang disebutsupersimetrimemprediksi keberadaan partikel dengan sifat yang sama dengan WIMP, pencarian berulang untuk menemukan partikel secara langsung juga tidak menemukan apa pun, dan eksperimen diCollider Hadron Besaruntuk mendeteksi kehadiran supersimetri yang diharapkan benar-benar gagal menemukannya.


Beberapa jenis detektor yang berbeda telah digunakan untuk mendeteksi WIMP. Gagasan umumnya adalah bahwa kadang-kadang, WIMP mungkin bertabrakan dengan atom biasa dan melepaskan kilatan cahaya redup, yang dapat dideteksi. Detektor paling sensitif yang dibuat hingga saat ini adalahXENON1T, yang terdiri dari silinder 10 meter yang berisi 3,2 ton xenon cair, dikelilingi oleh pengganda foto untuk mendeteksi dan memperkuat kilatan yang sangat redup dari interaksi langka ini. Pada Juli 2019, ketika detektor dinonaktifkan untuk membuka jalan bagi instrumen yang lebih sensitif,XENONnT, tidak ada tabrakan antara WIMP dan atom xenon yang terlihat.

Meskipun WIMP telah lama menjadi kandidat favorit untuk materi gelap, mereka bukan satu-satunya kandidat. Kegagalan untuk menemukan WIMP, dan rasa frustrasi yang menyertainya karena tidak mampu menjelaskan persentase yang signifikan dari massa alam semesta, telah membuat banyak ilmuwan mencari alternatif yang mungkin.

Saat ini, partikel hipotetis yang disebutaksionsedang menerima banyak perhatian. Selain menjadi kandidat kuat untuk materi gelap, keberadaan axion juga dianggap memberikan jawaban atas beberapa pertanyaan persisten lainnya dalam fisika sepertiMasalah CP yang Kuat.

Tersenyum lelaki tua berbaju putih duduk, menunjuk sesuatu.

Astronom Fritz Zwicky pertama kali meramalkan keberadaan materi gelap pada 1930-an setelah pengamatannya terhadap gugus galaksi Coma. Gambar melaluizwicky-stiftung.ch.


Sejarah materi gelap

Gagasan bahwa mungkin ada hal-hal di alam semesta yang tidak terlihat oleh kita, yang tidak memancarkan cahaya, memiliki sejarah panjang sejak ratusan tahun hingga zaman Newton. Dengan ditemukannya apa yang disebut “nebula gelap” – awan debu antarbintang menghalangi cahaya dari bintang latar belakang – danPierre LaplaceSpekulasi abad ke-18 tentang objek yang mungkin menelan cahaya, yang kemudian dikenal sebagai lubang hitam, para astronom menerima keberadaan apa yang disebut 'alam semesta gelap'.

Tetapi di zaman modern, itu adalah astronomFritz Zwicky, pada 1930-an, yang melakukan pengamatan pertama tentang apa yang sekarang kita sebut materi gelap. Pengamatannya pada tahun 1933 tentang Gugus Koma galaksi tampaknya menunjukkan bahwa ia memiliki massa 500 kali lebih banyak daripada yang dihitung sebelumnya olehEdwin hub. Selanjutnya, massa ekstra ini tampaknya sama sekali tidak terlihat. Meskipun pengamatan Zwicky pada awalnya disambut dengan banyak skeptisisme, mereka kemudian dikonfirmasi oleh kelompok astronom lain.

Tiga puluh tahun kemudian, astronomVera Rubinmemberikan sepotong besar bukti keberadaan materi gelap. Dia menemukan bahwa pusat-pusat galaksi berputar pada kecepatan yang sama dengan ujung-ujungnya, sedangkan, tentu saja, mereka harus berputar lebih cepat. Pikirkan sebuahpiringan hitam vinildi dek rekaman: pusatnya berputar lebih cepat dari tepinya. Itulah yang ditentukan oleh logika yang harus kita lihat di galaksi juga. Tapi kita tidak. Satu-satunya cara untuk menjelaskan hal ini adalah jika seluruh galaksi hanyalah pusat dari beberapa struktur yang jauh lebih besar, seolah-olah hanya label pada LP sehingga untuk berbicara, menyebabkan galaksi memiliki kecepatan rotasi yang konsisten dari pusat ke tepi.

Vera Rubin, mengikuti Zwicky, mendalilkan bahwa struktur yang hilang di galaksi adalah materi gelap. Idenya mendapat banyak perlawanan dari komunitas astronomi, tetapi pengamatannya telah dikonfirmasi dan dilihat hari ini sebagai bukti penting keberadaan materi gelap. Untuk menghormati karya detektif yang penting dan bersejarah ini untuk menetapkan keberadaan materi gelap, sang revolusionerTeleskop Survei Sinoptik Besar, saat ini sedang dibangun di Chili dan dijadwalkan untuk melihat cahaya pertama tahun depan, baru-baru ini berganti nama menjadiObservatorium Vera C. Rubin.

Seorang astronom wanita muda dalam gaun, bekerja di teleskop, dikelilingi oleh astronom pria.

Pelopor materi gelap Vera Rubin (1928-2016). Gambar ini – diambil di Observatorium Lowell – berasal dari tahun 1965. Gambar melalui Carnegie Institute/NPR.

Apakah perlu?

Beberapa astronom telah mencoba untuk meniadakan kebutuhan keberadaan materi gelap sama sekali dengan mendalilkan sesuatu yang disebutDinamika Newton yang dimodifikasi(MOND). Gagasan di balik ini adalah bahwa gravitasi berperilaku berbeda pada jarak jauh dengan apa yang dilakukannya secara lokal, dan perbedaan perilaku ini menjelaskan fenomena seperti kurva rotasi galaksi yang kita kaitkan dengan materi gelap. Meskipun MOND memiliki pendukungnya, sementara ia dapat menjelaskan kurva rotasi dari masing-masing galaksi, versi MOND . saat initidak bisa memperhitungkanuntuk perilaku dan pergerakan materi dalam struktur besar seperti gugus galaksi dan, dalam bentuknya yang sekarang, dianggap tidak dapat sepenuhnya menjelaskan keberadaan materi gelap. Artinya, gravitasimelakukanberperilaku dengan cara yang sama pada semua skala jarak. Sebagian besar versi MOND, di sisi lain, memilikiduaversi gravitasi, yang lebih lemah terjadi di daerah dengan konsentrasi massa rendah seperti di pinggiran galaksi. Namun, tidak dapat dibayangkan bahwa beberapa versi baru MOND di masa depan mungkin belum menjelaskan materi gelap.

Meskipun beberapa astronom percaya kita akan menetapkan sifat materi gelap dalam waktu dekat, pencarian sejauh ini tidak membuahkan hasil, dan kita tahu bahwa alam semesta sering mengejutkan kita sehingga tidak ada yang bisa diterima begitu saja.

Pendekatan yang dilakukan para astronom adalah menghilangkan partikel-partikel yangtidak bisamenjadi materi gelap, dengan harapan kita akan ditinggalkan dengan yangadalah.

Masih harus dilihat apakah pendekatan ini benar.

Intinya: Materi gelap membentuk sekitar 27% dari alam semesta menurut teori astronomi. Ia tidak dapat dilihat atau dideteksi secara langsung melalui alat para astronom yang ada, tetapi pengaruhnya dapat diukur melalui tarikan gravitasinya pada materi biasa.

Baca lebih lanjut: Apa itu supersimetri? dari Cara Kerja Barang

Baca lebih lanjut: WIMP Ajaib, dari Majalah Symmetry

Baca lebih lanjut: Dinamika Newton yang dimodifikasi, dari Dunia Fisika

Baca lebih lanjut: Vera Rubin dan Dark Matter, dari American Museum of Natural History