Dark Matter: Apa yang kita ketahui dan bagaimana kita mengetahuinya

Meskipun kita tidak yakin apa sebenarnya materi gelap itu, ilmu pengetahuan telah mengembangkan beberapa metode yang dapat diandalkan untuk menyimpulkan keberadaannya dan lokasinya. Kita mungkin tidak tahu apa itu, tetapi kita tahu itu ada di sana dan di mana 'di sana'.

Terlepas dari semua kemajuan kami dalam sains, fisika, dan astronomi, kami masih tidak tahu apa kira-kira 80% -90% dari materi di Semesta. Tapi ini bukan situasi yang benar-benar tanpa harapan, ada banyak hal yang kita ketahui tentang zat misterius ini, yang untuk sementara bernama dark matter. Sebagai contoh; kami tahu itu ada di sana dan kami tahu di mana itu.

Sebelum memeriksa metode yang memungkinkan kita untuk menyimpulkan keberadaan materi gelap, mari kita tentukan terlebih dahulu apa yang kita maksudkan ketika kita mengatakan 'materi gelap'. Pada dasarnya, istilah ini adalah materi yang tidak dapat kita lihat - baik karena dikaburkan oleh debu dan gas, terlalu redup untuk dilihat atau tidak menyerap dan memancarkan foton seperti yang kita alami dengan materi sehari-hari di sekitar kita .

Sekitar 15% dari massa materi yang tidak dapat kita lihat diperhitungkan oleh materi baryonic - jenis materi yang mengelilingi kita setiap hari - yang dikaburkan atau terlalu redup untuk dilihat. 80-90% lainnya adalah sesuatu yang tidak kita alami dalam kehidupan kita sehari-hari; atau jika ya, itu berperilaku dengan cara yang asing bagi kita.

Kita dapat cukup yakin bahwa itu non-baryonic - tidak terdiri dari proton dan neutron - gelap karena tidak berinteraksi dengan foton.

Ini adalah materi yang non-bercahaya, non-baryonik yang secara umum kita rujuk ketika kita mengatakan 'materi gelap' dan itu adalah definisi yang akan kita gunakan untuk maju. Juga, layak untuk ditunjukkan - kami tidak tahu apa itu.

Namun, itu tidak berarti bahwa kita benar-benar dalam kegelapan. Kita tahu bahwa massa ini ada di sana, kita dapat menyimpulkan keberadaannya dengan efek gravitasi terhadap materi yang dapat kita lihat. Kami juga dapat memastikan beberapa karakteristik materi gelap ini.

Kami tahu itu tidak berinteraksi dengan cahaya. Kami tahu itu melewati materi lain dan materi gelap seolah-olah tidak ada di sana.

Pertanyaannya masih tetap, bagaimana kita bisa yakin bahwa sebenarnya ada sesuatu yang bisa ditemukan? Apakah materi gelap ada sama sekali atau mungkinkah kita salah teori gravitasi dalam skala besar?

Massa yang hilang: Bagaimana kita tahu materi gelap ada di sana

Kebutuhan akan massa 'tak terlihat' lainnya di Semesta pertama kali diangkat oleh Fritz Zwicky pada tahun 1933. Setelah mempelajari gugus galaksi Coma, Zwicky berpendapat bahwa sebagian besar massa gravitasi dalam gugusan itu tidak dalam bentuk bintang dan gas, tetapi dalam beberapa bentuk gelap, hanya dapat dideteksi melalui efek gravitasinya.

Fritz Zwicky; bapak materi gelap (Masyarakat Fisik Swiss)

Zwicky - seorang astronom Swiss yang menghabiskan sebagian besar masa kerjanya di Califonia Institute of Technology (CalTech) di AS - menggunakan metode yang dikenal sebagai teorema virial untuk menyimpulkan massa gravitasi cluster Coma, menemukan bahwa massa gabungan bintang-bintang dan gas dalam sistem tidak cukup besar untuk menyatukannya secara gravitasi.

Dasar teorema virial adalah bahwa besarnya energi gravitasi dalam suatu sistem sama dengan dua kali energi kinetik. Dengan menggunakan ini sebagai titik awal, relatif lurus ke depan untuk menghitung massa sistem jika Anda mengetahui kecepatannya - yang dapat diukur menggunakan pergeseran Doppler.

Bukti pendukung terkuat tentang keberadaan materi gelap berasal dari pengukuran kurva rotasi galaksi spiral NGC 1560.

Tentu saja, hasil seperti Zwicky harus dapat ditiru dengan metode lain. Untungnya kami memiliki beberapa teknik berbeda untuk menentukan massa galaksi dan kluster galaksi.

Bukti massa galaksi juga disediakan oleh pelensaan gravitasi. Teori relativitas umum Einstein memprediksi bahwa massa melengkungkan struktur ruang-waktu. Semakin besar massa, semakin besar warpage. Cara termudah untuk menjelaskan hal ini adalah membayangkan menempatkan benda berbobot berbeda pada lembaran karet yang diregangkan dan melihat hasil bengkok yang dibuat dalam lembaran itu.

Representasi dasar pelensaan gravitasi

Bahkan cahaya mengikuti penyimpangan-penyimpangan ini, yang berarti bahwa cahaya dari galaksi jauh melengkung ketika melewati galaksi lain dan gugusan galaksi. Tingkat kelengkungan adalah indikasi besarnya massa yang melakukan intervensi.
Ini menghasilkan galaksi yang tampak terlantar atau bahkan dalam kasus ekstrem yang muncul di beberapa titik di langit karena jalur berbeda yang dibutuhkan cahaya untuk mencapai Bumi.

Bukti pendukung terkuat untuk konten materi gelap adalah di Alam Semesta setempat. Laju rotasi galaksi spiral dapat digunakan untuk menyimpulkan massa yang tertutup di dalam galaksi itu. Kecepatan bintang dan gas galaksi yang diekspresikan sebagai fungsi jari-jari spiral dikenal sebagai kurva rotasi.

Jika tidak ada materi gelap, kurva rotasi akan setuju dengan prediksi yang dibuat dari bintang-bintang dan gas. Diagram di bawah ini menunjukkan kurva rotasi yang diukur dari galaksi spiral NCG 1560. Kontribusi terhadap kecepatan yang dibuat oleh massa total gas dan bintang tidak cukup untuk menjelaskan kurva rotasi total.

Kurva rotasi NGC 1560. Poin data menunjukkan kecepatan yang diamati. Kurva putus-putus menunjukkan kontribusi yang diperkirakan terhadap kecepatan dari massa bintang. Garis putus-putus menunjukkan kontribusi terhadap kecepatan dari massa gas. Ini tidak cukup untuk menjelaskan kecepatan yang diamati. Garis putus-putus adalah kontribusi materi gelap yang diperlukan (Serjeant, 2010)

Bahkan jika kita menganggap ini sebagai bukti yang jelas tentang hilangnya massa di Alam Semesta, orang yang skeptis mungkin bertanya: “Mengapa ini berarti bahwa massa harus dalam bentuk yang tidak kita sadari? Bukankah itu kemungkinan bahwa massa ini hanyalah materi baryonic yang tidak bercahaya? Bagaimana jika ada beberapa kekurangan dalam pemahaman kita tentang gravitasi? Bagaimana jika ini masalah yang terkunci di lubang hitam? "

Fakta bahwa gas di galaksi dan materi gelap galaksi itu menempati ruang yang sama menyiratkan bahwa mungkin ada revisi teori gravitasi yang bisa menghilangkan kebutuhan akan materi gelap. Beberapa versi revisi mekanika Newton seperti Modified Newtonian Dynamics (MOND) telah diajukan.

Untuk mengkonfirmasi kebutuhan materi gelap dan menolak MOND dan hipotesis alternatif yang setara, kita harus mengamati situasi di mana gas dan materi gelap telah dipisahkan. Untungnya, skenario seperti ini disediakan oleh tabrakan antara kelompok galaksi, seperti yang dirinci di bawah ini.

Cluster Bullet: bukti empiris langsung dari materi gelap

Kehadiran materi gelap telah disimpulkan oleh efek gravitasi seperti yang dijelaskan di atas, tetapi kebutuhan untuk bentuk materi baru daripada revisi pemahaman kita saat ini disediakan oleh pengamatan cluster galaksi 1EO657-5558 atau Bullet Cluster.

Cluster Bullet adalah sisa dari dua sub-cluster yang mengalami tabrakan sekitar 100 juta tahun yang lalu. Pemeriksaan X-ray pada kluster peluru menunjukkan gas intracluster terperangkap di antara sub-cluster, berperilaku persis seperti yang kita harapkan. Mereka telah ditekan bersama dan memperlambat kemajuan mereka menuju tepi cluster.

Pengamatan yang dilakukan dengan menggunakan pelensaan gravitasi mengungkapkan bahwa massa dominan dalam gugus Bullet berperilaku sangat berbeda terhadap gas. Massa ini telah dipisahkan dari gas intracluster. Faktanya, kita dapat melihat bahwa kelompok materi gelap telah melewati materi lainnya dan bahkan satu sama lain membentuk dua 'puncak'.

Gambar (Lambourne, Jones, Serjeant (2009))

Perilaku ini tidak dapat dijelaskan oleh teori gravitasi yang dimodifikasi. Pentahapan hantu ini juga tidak bisa ditampilkan oleh materi baryonic. Materi gelap ada. Tapi dimana itu?

Perburuan aktif: metode untuk menemukan materi gelap

Untuk menemukan materi gelap, kita beralih ke Einstein dan teorinya tentang relativitas umum, lebih tepatnya kita menggunakan lensa gravitasi yang lemah. Dalam hal ini, kami mencari distorsi yang disebabkan galaksi latar yang jauh dengan mengintervensi materi gelap.

Untuk menggambarkan ini menggunakan analogi sehari-hari, bayangkan menatap bagian bawah kolam renang yang memiliki pola kotak di atasnya. Jika kolam masih, Anda akan melihat grid cukup banyak seperti di dasar kolam. Namun, jika permukaan air bergolak, Anda akan melihat kisi-kisi berubah bentuk dan tidak berbentuk.

Untuk menempatkan ini pada skala kosmologis; kita bisa membayangkan bidang gugusan galaksi melingkar sempurna dilihat melalui web materi gelap. Distorsi dalam bentuk cluster menunjukkan adanya materi gelap, semakin besar distorsi semakin besar konsentrasi materi gelap. Distorsi ini disebut sebagai geser kosmik.

(A. Refrieger, Universitas Cambridge)

Meskipun di luar dari situasi hipotetis ini galaksi jarang berbentuk lingkaran sempurna, jika pernah, dan geser yang sebenarnya sangat kecil, para astronom dapat meratakan distorsi pada beberapa galaksi yang diposisikan di langit.

Skema Bimasakti menunjukkan halo materi gelap (abu-abu), gugus bola (lingkaran merah), piringan tebal (ungu tua), piringan bintang (putih), tonjolan bintang (merah-jingga), dan lubang hitam tengah. Disk bintang berdiameter sekitar 100.000 tahun cahaya. Lingkaran gelap memanjang hingga setidaknya 600.000 tahun cahaya. (NASA / CXC / M. Weiss)

Dalam kasus Bima Sakti kita sendiri, kita dapat menentukan bahwa materi gelap ada dalam lingkaran miring yang mengelilingi piringan galaksi kita. Kami dapat menentukan bahwa massanya sekitar 10 ² massa matahari, 10 kali massa bintang-bintang Bimasakti dan 100 kali massa gas dan debu. Dari sini, kita dapat yakin bahwa itu adalah pengaruh gravitasi materi gelap yang menyatukan galaksi kita dan lainnya.

Meskipun kami tidak tahu persis apa itu materi gelap, ada banyak hal yang kami ketahui dan bahkan lebih banyak yang dapat kami simpulkan. Dekade mendatang menjanjikan untuk memecahkan salah satu misteri sains terbesar, sifat materi gelap kemungkinan akan terungkap, mungkin jawabannya hanya membuat kita memiliki lebih banyak pertanyaan.