Misteri Dark Matter di jagat raya mulai tersingkap. Fisikawan Havard berhasil mendeteksi sebagian karakteristik dari materi gelap. Antara lain dapat membawa muatan listrik dan berinteraksi dengan materi normal melalui transmisi elektromagnetik.
Ilustrasi evolusi alam semesta. Dimulai dengan Big Bang di sebelah kiri diikuti oleh munculnya latar belakang gelombang mikro kosmik. Pembentukan bintang-bintang pertama mengakhiri zaman kegelapan kosmik, diikuti oleh pembentukan galaksi. Kredit: CfA / M. Weiss
Para astronom dari Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics telah mengusulkan model baru untuk dark matter, material tak terlihat yang menyusun sebagian besar materi di alam semesta. Mereka telah mempelajari apakah sebagian kecil partikel materi gelap itu mungkin berperan sebagai partikel pembawa muatan listrik-listrik di jagat raya.
“Sebelumnya, Anda pernah mendengar tentang mobil listrik dan e-book. Sekarang kita mulai berbicara tentang materi gelap listrik,” kata Julian Munoz dari Harvard University di Cambridge, Massachusetts, AS. Dia memimpin penelitian yang telah dipublikasikan di jurnal Nature terbaru akhir Mei 2018. “Namun, muatan listrik ini berada pada skala terkecil,” jelas Munoz dalam artikel berjudul: A small amount of mini-charged dark matter could cool the baryons in the early Universe.
CfA dan Proyek EDGES
Munoz dan kolaboratornya, Avi Loeb dari Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics (CfA) di Cambridge telah mengeksplorasi kemungkinan bahwa partikel-partikel materi gelap bermuatan ini berinteraksi dengan materi normal melalui transmisi gaya elektromagnetik.
Penelitian baru mereka bersesuaian dengan hasil kajian dari kolaborasi riset bertajuk EDGES (Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature). Pada bulan Februari, para ilmuwan dari proyek ini mengatakan mereka telah mendeteksi jejak gelombang radio dari bintang generasi pertama, dan kemungkinan bukti indikatif adanya interaksi antara materi gelap dan materi normal. Beberapa astronom dengan cepat menantang klaim EDGES. Sementara itu, Munoz dan Loeb sudah berusaha menggali landasan teori yang mendukung hipotesisnya.
“Kami dapat menceritakan kisah dan peran fisika yang mendasari dengan penelitian kami, tidak peduli bagaimana Anda menafsirkan hasil EDGES sebelumnya,” kata Loeb, yang merupakan ketua departemen astronomi Harvard. “Sifat materi gelap adalah salah satu misteri terbesar dalam sains dan kita perlu menggunakan data baru terkait untuk mengatasinya,” tegasnya.
Cerita dimulai dengan bintang-bintang pertama, yang memancarkan sinar ultraviolet (UV). Menurut skenario yang diterima umum, sinar UV ini berinteraksi dengan atom hidrogen dingin di gas yang terletak di antara bintang-bintang dan memungkinkan mereka untuk menyerap radiasi gelombang mikro kosmik (CMB), radiasi sisa dari peristiwa Big Bang.
Julian Munoz
Radiasi CMB
Penyerapan ini seharusnya menyebabkan penurunan intensitas CMB selama periode yang terjadi kurang dari 200 juta tahun setelah Big Bang. Tim EDGES mengklaim telah mendeteksi bukti adanya penyerapan cahaya CMB ini, meskipun ini belum diverifikasi secara independen oleh ilmuwan lain. Namun, suhu gas hidrogen dalam data EDGES adalah sekitar setengah dari nilai yang diharapkan.
“Jika EDGES telah mendeteksi gas hidrogen yang lebih dingin dari yang diharapkan selama periode ini, apa yang bisa menjelaskannya?” kata Munoz. “Satu kemungkinan adalah hidrogen didinginkan oleh eksistensi materi gelap.”
Pada saat radiasi CMB sedang diserap, setiap elektron bebas atau proton yang terkait dengan materi biasa akan bergerak pada kecepatan yang mungkin paling lambat (karena kemudian mereka dipanaskan oleh sinar-X dari lubang hitam pertama). Hamburan partikel bermuatan paling efektif pada kecepatan rendah. Oleh karena itu, setiap interaksi antara materi normal dan materi gelap selama periode ini akan menjadi yang terkuat jika beberapa partikel materi gelap dibebankan. Interaksi ini akan menyebabkan gas hidrogen menjadi dingin. Ini karena materi gelap yang dingin berpotensi meninggalkan tanda atau jejak pengamatan seperti yang diklaim oleh proyek EDGES.
“Kami membatasi kemungkinan bahwa partikel materi gelap membawa muatan listrik kecil – setara dengan satu juta elektron – melalui sinyal terukur dari fajar kosmik,” jelas Loeb. “Dugaan bermuatan kecil seperti itu memunculkan logika mustahil untuk diamati bahkan dengan akselerator partikel terbesar,” tambahnya.
Hanya sejumlah kecil materi gelap dengan muatan listrik lemah yang dapat menjelaskan data EDGES dan menghindari ketidaksepakatan dengan pengamatan lainnya. Jika sebagian besar materi gelap terisi, maka partikel-partikel ini akan dibelokkan menjauh dari daerah yang dekat dengan piringan galaksi kita sendiri, dan mencegah masuk kembali. Ini tentu bertentangan dengan pengamatan yang menunjukkan bahwa sejumlah besar materi gelap terletak dekat dengan piringan Bima Sakti.
Para ilmuwan tahu dari pengamatan CMB bahwa proton dan elektron bergabung di alam semesta awal untuk membentuk atom netral. Hanya sebagian kecil dari partikel bermuatan ini, sekitar satu dalam beberapa ribu, tetap gratis. Munoz dan Loeb sedang mempertimbangkan kemungkinan bahwa materi gelap mungkin telah bertindak dengan cara yang sama. Data dari EDGES, dan eksperimen serupa, mungkin satu-satunya cara untuk mendeteksi beberapa partikel bermuatan yang tersisa, karena sebagian besar materi gelap akan netral.
“Ruang parameter yang layak untuk skenario ini cukup terbatas, tetapi jika dikonfirmasi oleh pengamatan lanjutan di masa depan, tentu saja kita akan dapat belajar sesuatu yang mendasar tentang sifat materi gelap, salah satu teka-teki terbesar yang kita miliki dalam fisika saat ini,” kata Cora Dvorkin, fisikawan Harvard lain yang tidak terlibat dengan penelitian baru.
Lincoln Greenhill juga dari CfA saat ini sedang menguji klaim observasional oleh tim EDGES. Dia memimpin proyek Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA), yang menggunakan Long Wavelength Array di Owen’s Valley California dan Socorro, New Mexico.
Misteri Materi Gelap
Sebelumnya, para ahli fisika dan kosmologi bersepakat bahwa materi dan energi normal di alam semesta hanya mencakup sekitar 5%. Sisanya merupakan materi gelap (26,7%) dan energi gelap (68,3%). Apa dan bagaimana keduanya masih misterius.
Menurut fisikawan Glenn Roberts Jr dari Universitas California – Berkeley, ada tiga hal yang diketahui tentang dark mater. Pada saat yang sama, ada tiga hal pula yang belum diketahui tentang materi gelap ini.
Apa yang diketahui?
1. Kita dapat mengamati efeknya.
Meskipun kita tidak dapat melihat materi gelap, kita dapat mengamati dan mengukur efek gravitasinya. Galaksi telah diamati berputar lebih cepat dari yang diharapkan berdasarkan materi yang terlihat. Galaksi bergerak lebih cepat dalam kelompok dari yang diharapkan. Para ilmuwan juga dapat menghitung “massa yang hilang” saat terjadi dinamikan atas gerakan ini.
2. Dark matter Itu berlimpah.
Jumlah materi gelap mencapai sekitar 85 persen dari total massa alam semesta, dan sekitar 27 persen dari total massa dan energi alam semesta.
3. Kita tahu lebih banyak tentang materi normal, bukan materi gelap.
Detektor yang semakin sensitif menurunkan tingkat kemungkinan partikel-partikel dari materi gelap dapat berinteraksi dengan materi normal.
Citra komposit dari dua kluster galaksi yang bertumbukan. Warna pink menunjukkan gas panas yang terkandung dalam kebanyakan materi normal, sementara gumpalan biru menunjukkan masa dari energi gelap, dan warna violet menunjukkan massa materi gelap..
Apa yang tidak diketahui?
1. Apakah materi gelap terdiri dari satu partikel atau banyak partikel?
Mungkinkah materi gelap terdiri dari seluruh keluarga partikel, seperti teori “hidden valley” (lembah tersembunyi) atau “dark sector” (sektor gelap)?
2. Apakah ada “kekuatan gelap” yang bekerja pada materi gelap?
Belum diketahui apakah ada kekuatan di luar gravitasi dan kekuatan lain yang bertindak atas materi gelap tetapi tidak pada materi biasa, dan apakah materi gelap dapat berinteraksi dengan dirinya sendiri?
Grafik ini menunjukkan batas-batas sensitivitas (kurva garis-padat) dari berbagai eksperimen yang mencari tanda-tanda partikel materi gelap teoritis yang dikenal sebagai WIMP (partikel-partikel besar yang berinteraksi secara lemah). Kontur tertutup berbayang menunjukkan petunjuk WIMP
3. Apakah ada antimateri gelap?
Mungkinkah materi gelap memiliki rekan antimateri, seperti halnya materi normal, dan apakah ada ketidakseimbangan serupa yang mendukung materi gelap di atas “antimateri gelap” seperti dengan materi-antimateri biasa? Semuanya belum diketahui.
Kredit: University of California – Berkeley
Dedi Junaedi
