Materi Gelap (Dark Matter)

Sahabat, kita lanjutkan ke Bab 5 dan
Bab 6 dari buku Astrophysics for
People in a Hurry. Setelah Neil
deGrasse Tyson memberikan
petunjuk awal tentang adanya
sesuatu yang tidak terlihat di antara
galaksi, kini ia mengajak kita
menyelami dua misteri terbesar
dalam kosmologi modern.
Dua misteri yang, jika digabungkan,
mencakup sekitar sembilan puluh
lima persen dari seluruh isi alam
semesta. Dua misteri yang belum
sepenuhnya terpecahkan.

Bab 5: Materi Gelap (Dark Matter)

Neil deGrasse Tyson membuka bab ini
dengan sebuah pengakuan yang jujur
dari seorang ilmuwan: ada sesuatu
yang sangat besar di alam semesta
yang tidak kita ketahui. Bukan karena
kita tidak bisa melihatnya, tetapi
karena benda itu tidak berinteraksi
dengan cahaya sama sekali.
Benda ini tidak memancarkan cahaya,
tidak menyerap cahaya, dan tidak
memantulkan cahaya. Ia sama sekali
tidak terlihat. Namun, ia memiliki
gravitasi yang sangat kuat. Kita
menyebutnya “dark matter”
(materi gelap).

Tanpa materi gelap, alam semesta
yang kita kenal tidak akan ada. Secara
harfiah. Galaksi kita, Bima Sakti,
berputar dengan kecepatan yang
sangat tinggi. Jika satu-satunya
materi yang ada di galaksi adalah
bintang, planet, gas, dan debu yang
bisa kita lihat, maka gravitasi dari
semua materi yang terlihat itu tidak
akan cukup kuat untuk menahan
galaksi tetap utuh. Galaksi kita
seharusnya sudah tercabik-cabik
oleh rotasinya sendiri, melontarkan
bintang-bintang ke segala arah
seperti komidi putar yang berputar
terlalu kencang.
Tetapi kenyataannya, galaksi kita
tetap utuh. Ini berarti ada gravitasi
tambahan, gravitasi yang sangat
besar, yang berasal dari sesuatu
yang tidak bisa kita lihat. Sesuatu
itulah yang disebut materi gelap.

Berapa banyak materi gelap di alam
semesta? Jumlahnya sangat besar.
Untuk setiap satu kilogram materi
normal, materi yang terbuat dari
atom-atom seperti yang ada
di tubuhmu, di Bumi, dan
di bintang-bintang, ada sekitar enam
kilogram materi gelap. Alam semesta
didominasi oleh sesuatu yang bahkan
tidak bisa kita lihat.

Tyson kemudian memperkenalkan
dua ilmuwan yang berjasa
menemukan bukti keberadaan materi
gelap. Yang pertama adalah
Fritz Zwicky, seorang astrofisikawan
asal Swiss yang bekerja di California
Institute of Technology pada tahun
1930-an. Zwicky adalah sosok yang
brilian tetapi sering kali sulit bergaul
dengan koleganya. Ia mempelajari
gugusan galaksi Coma, sekelompok
galaksi yang terikat bersama oleh
gravitasi. Ketika Zwicky mengukur
kecepatan galaksi-galaksi di dalam
gugusan itu, ia menemukan sesuatu
yang aneh. Mereka bergerak terlalu
cepat. Gravitasi dari materi yang
terlihat di gugusan itu seharusnya
tidak cukup untuk menahan mereka.
Seharusnya mereka sudah lama
terbang berpisah.
Zwicky menyimpulkan bahwa pasti
ada “dunkle Materie”, materi gelap
dalam bahasa Jerman, yang
memberikan gravitasi tambahan.

Sayangnya, ide Zwicky terlalu radikal
untuk zamannya. Komunitas ilmiah
tidak terlalu memperhatikannya, dan
Zwicky sendiri tidak dikenal sebagai
orang yang mudah diajak bekerja
sama. Penemuannya terlupakan
selama beberapa dekade.

Kemudian datanglah Vera Rubin.
Pada tahun 1970-an, Rubin, seorang
astronom di Carnegie Institution
of Washington, mulai mempelajari
rotasi galaksi spiral, termasuk galaksi
Andromeda. Ia mengukur kecepatan
bintang-bintang di berbagai jarak
dari pusat galaksi. Menurut hukum
gravitasi Newton, bintang-bintang
yang lebih jauh dari pusat galaksi
seharusnya bergerak lebih lambat,
sama seperti planet-planet di tata
surya kita: Merkurius, yang paling
dekat dengan Matahari, bergerak
paling cepat, sementara Neptunus,
yang paling jauh, bergerak paling
lambat. Tetapi Rubin menemukan
sesuatu yang sangat berbeda.
Bintang-bintang di tepi galaksi
bergerak sama cepatnya dengan
bintang-bintang di dekat pusat. Ini
tidak masuk akal, kecuali jika ada
sejumlah besar materi yang tidak
terlihat yang memberikan gravitasi
tambahan di bagian luar galaksi.

Rubin menghadapi skeptisisme yang
cukup besar. Ia adalah seorang wanita
di bidang yang didominasi oleh pria.
Tetapi datanya tidak bisa disangkal.
Pengamatannya sangat teliti, dan
hasilnya direplikasi oleh astronom
lain. Akhirnya, komunitas ilmiah
menerima bahwa materi gelap itu
benar-benar ada. Vera Rubin kini
diakui sebagai salah satu astronom
paling penting abad kedua puluh,
dan banyak yang percaya bahwa ia
seharusnya menerima Hadiah Nobel,
meskipun penghargaan itu tidak
pernah datang kepadanya semasa
hidupnya.

Lalu, apa sebenarnya materi
gelap itu?
Tyson mengakui bahwa kita masih
belum tahu. Hipotesis yang paling
kuat adalah bahwa materi gelap
terdiri dari partikel-partikel eksotis
yang belum pernah terdeteksi
secara langsung. Partikel-partikel
ini tidak termasuk dalam Model
Standar fisika partikel yang kita
kenal. Mereka mungkin adalah
WIMPs, kependekan dari
“Weakly Interacting Massive Particles”
(Partikel Masif yang Berinteraksi
Lemah), yang sangat sulit dideteksi
karena mereka hampir tidak pernah
berinteraksi dengan materi normal.
Para ilmuwan telah membangun
detektor-detektor yang sangat
sensitif, ditempatkan jauh di dalam
tanah untuk melindungi dari
gangguan sinar kosmik, berharap
suatu hari nanti sebuah partikel
materi gelap akan menabrak sebuah
atom dan meninggalkan jejak yang
bisa diukur. Sampai saat ini, belum
ada deteksi yang meyakinkan.

Bab 6: Energi Gelap
(Dark Energy)

Jika kamu merasa materi gelap sudah
cukup misterius, bersiaplah untuk
sesuatu yang lebih aneh lagi.
Pada tahun 1998, dua tim astronom
independen sedang mempelajari
supernova tipe Ia, ledakan bintang
yang sangat terang dan memiliki
kecerahan intrinsik yang hampir
seragam, sehingga bisa digunakan
sebagai “lilin standar” untuk
mengukur jarak di alam semesta.
Mereka ingin mengukur seberapa
cepat ekspansi alam semesta
melambat. Karena, logikanya,
gravitasi dari semua materi di alam
semesta seharusnya menarik segala
sesuatu kembali dan memperlambat
pengembangan.

Tetapi hasilnya sangat mengejutkan.
Alam semesta tidak melambat.
Ia justru semakin cepat mengembang.

Penemuan ini mengguncang dunia
astrofisika. Tim-tim tersebut tidak
saling mengenal dan bekerja secara
independen, tetapi mereka mencapai
kesimpulan yang sama. Ini bukanlah
kesalahan instrumen atau kesalahan
perhitungan. Alam semesta
benar-benar mengembang semakin
cepat, dan itu berarti ada sesuatu yang
mendorongnya. Sesuatu itu adalah
“dark energy” (energi gelap).
Penemuan ini dianugerahi Hadiah
Nobel dalam Fisika pada tahun 2011.

Apa itu energi gelap?
Tyson menggambarkannya sebagai
tekanan aneh dari ruang hampa itu
sendiri. Dalam fisika kuantum,
ruang hampa tidak pernah
benar-benar kosong. Partikel-partikel
virtual terus-menerus muncul dan
lenyap dalam waktu yang sangat
singkat. Energi dari fluktuasi
kuantum ini mungkin, dan ini masih
merupakan hipotesis, bertindak
sebagai energi gelap yang
mendorong pengembangan alam
semesta.

Yang lebih mencengangkan adalah
jumlahnya. Jika kita menghitung
seluruh massa dan energi di alam
semesta, energi gelap mencakup
sekitar enam puluh delapan persen
dari totalnya. Materi gelap
mencakup sekitar dua puluh tujuh
persen. Materi normal, segala
sesuatu yang terbuat dari atom,
segala sesuatu yang bisa kita lihat,
sentuh, dan rasakan,
bintang-bintang, planet-planet, gas,
debu, kamu, aku, semuanya, hanya
mencakup sekitar lima persen dari
total isi alam semesta.
Alam semesta didominasi oleh dua
hal yang sama sekali tidak kita pahami.

Tyson menutup bab ini dengan sebuah
pertanyaan yang menghantui:
apa nasib akhir alam semesta?
Jawabannya bergantung pada sifat
energi gelap, yang masih belum kita
ketahui. Jika energi gelap tetap
konstan, alam semesta akan terus
mengembang selamanya, semakin
cepat, sampai semua galaksi menjauh
begitu jauh sehingga langit malam
menjadi gelap total, dan alam semesta
berakhir dalam “Big Freeze”
(Pembekuan Besar), keheningan
yang dingin dan abadi. Tetapi jika
energi gelap semakin kuat seiring
waktu, skenarionya jauh lebih
mengerikan. Pengembangan akan
semakin cepat, sampai pada titik
di mana galaksi, bintang, planet, dan
bahkan atom-atom itu sendiri akan
tercabik-cabik oleh pengembangan
ruang. Ini disebut “Big Rip”
(Robekan Besar). Nasib alam
semesta, entah membeku atau robek
selamanya, bergantung pada jawaban
dari misteri yang belum terpecahkan
ini.

kalau masih kurang paham ini
versi yang sederhana:

Gaes, kita lanjut lagi petualangan
di buku Astrophysics for People in a
Hurry. Setelah Neil deGrasse Tyson
ngasih petunjuk awal soal sesuatu
yang gak keliatan di antara galaksi,
sekarang dia ngajak kita nyemplung
ke DUA MISTERI TERBESAR dalam
kosmologi modern. Dua misteri yang,
kalo lo gabungin, mencakup sekitar
95 PERSEN dari seluruh isi alam
semesta. Dua misteri yang BELUM
sepenuhnya terpecahkan. Siap-siap
otak lo meledak.

Bab 5: Materi Gelap

Tyson buka bab ini dengan pengakuan
jujur seorang ilmuwan. Ada sesuatu
yang SANGAT GEDE di alam semesta
yang gak kita ketahui. Bukan karena
kita gak bisa ngeliatnya, tapi karena
benda itu GAK BERINTERAKSI
sama cahaya sama sekali.
Gak mancarin cahaya, gak nyerap
cahaya, gak mantulin cahaya.
Samasekali GAK KELIATAN. Tapi
dia punya gravitasi yang SUPER
KUAT. Kita nyebutnya
dark matter, materi gelap.

Tanpa materi gelap, alam semesta yang
kita kenal GAK AKAN ADA. Serius,
secara harfiah. Galaksi Bima Sakti
kita berputar dengan kecepatan
super tinggi. Kalo satu-satunya
materi di galaksi cuma bintang, planet,
gas, dan debu yang bisa kita liat,
gravitasinya GAK CUKUP KUAT
buat nahan galaksi tetep utuh.
Bima Sakti harusnya udah
TERCABIK-CABIK sama rotasinya
sendiri, mentalin bintang ke segala
arah kayak komidi putar yang
kegilaan. Tapi kenyataannya, galaksi
kita UTUH. Artinya, ada GRAVITASI
TAMBAHAN. Gravitasi gede yang
berasal dari sesuatu yang gak bisa
kita liat. Itulah materi gelap.

Terus, seberapa banyak sih materi
gelap di alam semesta?
BANYAK BANGET. Buat setiap
1 kilogram materi normal, materi
dari atom kayak di tubuh lo,
di Bumi, di bintang-bintang, ada
sekitar 6 KILOGRAM materi gelap.
Alam semesta kita didominasi
sesuatu yang bahkan GAK BISA
KITA LIAT. Gila kan?

Tyson lalu ngenalin dua ilmuwan yang
berjasa nemuin bukti materi gelap.
Pertama, Fritz Zwicky. Astrofisikawan
Swiss yang kerja di Caltech tahun
1930-an. Zwicky ini brilian, tapi
katanya susah bergaul. Dia pelajari
gugusan galaksi Coma. Pas ngukur
kecepatan galaksi di dalemnya, dia
nemu keanehan. Mereka bergerak
TERLALU CEPAT. Gravitasi dari
materi yang keliatan harusnya gak
cukup buat nahan. Harusnya mereka
udah lama buyar. Zwicky nyimpulin,
pasti ada “dunkle Materie”, materi
gelap dalam bahasa Jerman, yang
ngasih gravitasi tambahan.

Tapi sayangnya, ide Zwicky terlalu
radikal buat zamannya. Komunitas
ilmiah gak terlalu merhatiin, dan
Zwicky sendiri bukan orang yang
enak diajak kerja sama.
Penemuannya terlupakan puluhan
tahun.

Lalu datang Vera Rubin. Tahun
1970-an, Rubin, astronom di Carnegie
Institution of Washington, mulai
pelajari rotasi galaksi spiral, termasuk
Andromeda. Dia ngukur kecepatan
bintang di berbagai jarak dari pusat.
Menurut hukum gravitasi Newton,
bintang yang lebih jauh harusnya
bergerak LEBIH LAMBAT. Kayak
planet di tata surya. Merkurius paling
deket Matahari paling cepet, Neptunus
paling jauh paling lambat. Tapi Rubin
nemu hal yang BEDA JAUH. Bintang
di pinggir galaksi bergerak SAMA
CEPATNYA sama bintang di dekat
pusat. Ini gak masuk akal. Kecuali,
ada sejumlah gede materi gak keliatan
yang ngasih gravitasi tambahan
di bagian luar galaksi.

Rubin ngadepin skeptisisme gede.
Dia wanita di bidang yang didominasi
pria. Tapi DATANYA GAK BISA
DISANGKAL. Pengamatannya teliti,
direplikasi astronom lain. Akhirnya
komunitas ilmiah nerima kalo materi
gelap BENERAN ADA. Vera Rubin
sekarang diakui sebagai salah satu
astronom paling penting abad 20.
Banyak yang percaya dia harusnya
dapet Nobel, walau penghargaan itu
gak pernah dateng semasa hidupnya.

Lalu, apa sebenernya materi gelap itu?
Tyson ngaku, KITA MASIH BELUM
TAU. Hipotesis terkuat, materi gelap
terdiri dari PARTIKEL EKSOTIS yang
belum pernah terdeteksi langsung.
Partikel ini gak masuk Model Standar
fisika partikel yang kita kenal. Mungkin
mereka adalah WIMPs, kependekan
dari Weakly Interacting Massive
Particles. Partikel Masif yang
Berinteraksi Lemah. Susah banget
dideteksi karena mereka HAMPIR
GAK PERNAH berinteraksi sama
materi normal. Para ilmuwan udah
bangun detektor super sensitif
di dalem tanah, ngindarin gangguan
sinar kosmik, berharap suatu hari
partikel materi gelap nabrak atom
dan ninggalin jejak. Sampe sekarang?
Belum ada deteksi yang meyakinkan.

Bab 6: Energi Gelap

Kalo lo ngerasa materi gelap udah
cukup misterius, siap-siap buat yang
LEBIH ANEH lagi. Tahun 1998, dua
tim astronom independen lagi belajar
supernova tipe Ia. Ledakan bintang
yang terang banget, punya kecerahan
intrinsik yang hampir seragam,
jadi bisa dipake kayak “lilin standar”
buat ngukur jarak di alam semesta.
Tujuan mereka? Ngukur seberapa
cepat ekspansi alam semesta
MELAMBAT. Karena logikanya,
gravitasi dari semua materi harusnya
narik semuanya balik dan ngerem
pengembangan.

Tapi hasilnya? NGEGETIN.
Alam semesta GAK MELAMBAT.
Dia justru SEMAKIN CEPAT
mengembang.

Penemuan ini ngeguncang dunia
astrofisika. Kedua tim gak saling kenal
dan kerja independen, tapi nyampe
kesimpulan yang SAMA. Ini bukan
salah instrumen atau salah hitung.
Alam semesta BENERAN
mengembang makin kenceng. Artinya,
ADA SESUATU YANG MENDORONG.
Sesuatu itu adalah dark energy,
energi gelap. Penemuan ini
dianugerahin Hadiah Nobel Fisika
tahun 2011.

Apa itu energi gelap?
Tyson ngegambarin sebagai tekanan
aneh dari RUANG HAMPA itu sendiri.
Dalam fisika kuantum, ruang hampa
gak pernah beneran kosong. Partikel
virtual terus-terusan muncul dan
lenyap dalam waktu super singkat.
Energi dari fluktuasi kuantum ini
MUNGKIN, ini masih hipotesis,
bertindak sebagai energi gelap yang
ngedorong pengembangan alam
semesta.

Yang lebih bikin melongo adalah
JUMLAHNYA. Kalo kita itung
seluruh massa dan energi di alam
semesta, energi gelap mencakup
sekitar 68 PERSEN. Materi gelap
sekitar 27 PERSEN. Materi normal,
segala sesuatu dari atom, yang bisa
lo liat, sentuh, rasain. Bintang, planet,
gas, debu, lo, gue, SEMUANYA.
Cuma sekitar 5 PERSEN dari total isi
alam semesta. Alam semesta kita
DIDOMINASI dua hal yang sama
sekali GAK KITA PAHAMI.

Tyson nutup bab ini dengan
pertanyaan menghantui.
Apa nasib akhir alam semesta?
Jawabannya bergantung sifat energi
gelap yang BELUM kita tau.
Kalo energi gelap tetep konstan,
alam semesta bakal terus
mengembang selamanya, makin
cepet. Sampe semua galaksi menjauh
begitu jauh, langit malam jadi
GELAP TOTAL. Alam semesta
berakhir dalam Big Freeze,
Pembekuan Besar. Keheningan dingin
abadi. Tapi kalo energi gelap makin
KUAT seiring waktu, skenarionya
jauh lebih ngeri. Pengembangan
makin cepet, sampe galaksi, bintang,
planet, bahkan ATOM TERSOBEK
oleh pengembangan ruang.
Ini namanya Big Rip, Robekan Besar.
Nasib alam semesta, mau membeku
atau robek selamanya, bergantung
jawaban misteri yang BELUM
terpecahkan ini.