Bagaimana Fisika Menjelaskan Dark Matter?

Dark matter dan dark energy adalah dua fenomena yang teridentifikasikan dari analisis Latar Kosmik Gelombang Radio (Cosmic Microwave Background/CMB) yang dipetakan oleh Teleskop Satelit WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Belum banyak pengetahuan kita tentang dua fenomena ini, bahkan secara gamblang kita nyaris tidak tahu apa-apa tentang kedua hal ini. Lantas, bagaimana kita bisa mengindentifikasikan bahwa kedua benda ini ada sementara kita belum mengerti? Artikel ini menjelaskan bagaimana Fisika kita menjelaskan dark matter di Alam Semesta kita.

Eksistensi Dark Matter
Sekitar awal tahun 1930-an, Jan Oort (Astronom Belanda, 1900 – 1992) mempelajari pergerakan rotasi galaksi-galaksi di Kluster Lokal. Oort mengamati dan menghitung kecepatan pergerakan bintang-bintang di galakasi-galaksi tersebuti. Karena galaksi tidak terpecah-belah oleh pergerakan bintang-bintang di dalamnya, Oort menyimpulkan bahwa pastilah tersedia cukup massa pada pusat galaksi yang menghasilkan gaya gravitasi yang sanggup membuat galaksi tetap utuh. Ini seperti Matahari kita yang sangat massif sehingga sanggup menahan planet-planet dan benda-benda angkasa lainnya tetap mengorbit mengelilinginya.

Selain memanfaatkan pengetahuan kecepatan dan posisi, kita bisa menghitung massa sebuah benda angkasa (seperti bintang dan planet) dari intensitas cahaya yang dipancarkan masing-masing benda angkasa tersebut. Metoda ini adalah yang paling umum dipakai oleh astronomer. Oort mendapati bahwa massa galaksi-galaksi di Kluster Lokal yang didapat dari kecepatan orbit tiga kali lebih massif daripada yang didapat dari intensitas cahaya masing-masing galaksi.

Pada saat yang bersamaan, Fritz Zwicky (Astronomer Swiss, 1898 – 1974) mempelajari Kluster Koma dan mendapati bahwa kecepatan orbit galaksi-galaksi pada sisi terluar kluster ini lebih cepat daripada perhitungan distribusi massa yang didapat dari pengamatan intensitas kluster.

Pengamatan Zwicky ini bisa dipahami sebagai berikut: hukum gravitasi menyaratkan kecepatan orbit benda berbanding terbalik dengan jarak benda tersebut ke pusat orbit. Bumi kita mengorbit terhadap Matahari dengan kecepatan sekitar 100 ribu km/jam, sementara Saturnus yang lebih jauh ke Matahari daripada Bumi mengorbit dengan kecepatan sepertiganya. Untuk membuat Saturnus bergerak lebih cepat, salah satu cara adalah dengan menambahkan massa pada Matahari atau menambah massa secara tersebar dan signifikan antara Matahari dan planet terkait.

Perhitungan Zwicky yang berdasarkan pergerakan kluster memberikan angka bahwa Kluster Coma lebih massif 400 kali daripada perhitungan berdasarkan intensitas cahaya. Permasalahan adanya massa yang hilang ini oleh Zwicky dipostulatkan bahwa ada materi yang luput dari pengamatan para astronom, materi tersebut tidak meradiasikan cahaya. Materi inilah yang disebut dark matter (atau disingkat DM). Pengamatan dan perhitungan modern massa yang dihitung berdasarkan kecepan dan intensitas (disebut rasio Mass/Light, M/L) terhadap beberapa kluster memberikan angka perbandingkan M/L = 300.

Dark Matter dalam Teori Model Baku
DM tidak meradiasikan cahaya, baik itu memancarkan atau memantulkannya. Ini menyulitkan astronom untuk mendeteksi keberadaan Dark Matter. Sejauh ini keberadaan Dark Matter terdeteksi secara tidak langsung dengan metoda konvensional M/L seperti yang sudah kita bahas di atas. Sementara itu eksistensi DM kemudian menjadi penting dalam pemahaman Alam Semesta. Beberapa eksperiment bertekhnologi canggih, terakhir oleh Teleskop Satelit WMAP, memprediksi bahwa sekitar 22% isi Alam Semesta adalah DM.

Kita belum tahu apa partikel DM. Besar kemungkinan bukanlah partikel penyusun atom yang sudah kita kenal dengan baik, karena partikel-partikel penyusun atom meradiasikan cahaya dan teknologi kita sudah bisa mengidentifikasikan mereka dengan baik. Ekstensi dari Teori Model Baku memprediksi kandidat partikel DM dalam dua kategori: barionik dan non-barionik.

Barionik adalah materi yang terdiri oleh tiga quark (partikel elementer) dengan susunan tertentu, proton dan neutron adalah contohnya. Tentu saja bagaimana susunan quark dalam DM belum diketahui. Diprediksi bahwa DM-barionik berbentuk objek yang sangat padat dengan massa yang bervariasi.

Sementara non-barionik DM dibagi lagi atas dua kriteria: Hot Dark Matter (HDM) dan Cold Dark Matter (CDM). Disebut “hot” karena partikel penyusunnya bergerak dengan kecepatan relativistik yang berasal dari dentuman besar dahulu kala. Kandidat partikel HDM adalah nutrino. Sementara partikel penyusun CDM bergerak dengan kecepatan yang lambat dan juga berasal dari dentuman besar. Kandidat partikel CDM adalah nutralino, salah satu jenis partikel WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) – yaitu partikel yang massif dan berinteraksi di bawah gaya lemah (weak force). Keberadaan WIMP diprediksi oleh teori Supersimetri (salah satu ekstensi dari Model Baku).

Karena CDM lebih massif daripada HDM, maka CDM menghasilkan gaya gravitasi lebih besar daripada HDM. Tentu kemudian logikanya adalah semakin banyak CDM di alam semesta, semakin banyak kluster terbentuk. Dan inilah yang kita saksikan dalam struktur Alam Semesta dalam skala besar, bahwa Alam Semesta kita terdiri dari banyak kluster-kluster yang membentuk formasi tertentu. Fakta ini mungkin menunjukkan bahwa CDM lebih mendominasi daripada HDM di Alam Semesta kita.

Umumnya kalau kita berbicara tentang DM biasanya merujuk pada CDM. Sejauh ini ada tiga sifat utama DM: 1) DM adalah massif, 2) DM berinteraksi di bawah pengaruh gaya lemah, dan 3) DM bermuatan netral (tidak di bahas dalam artikel ini).

Massifnya DM, sesuai dengan Teori Relativitas Umum, akan membuat ruang-waktu melengkung. Efek ini disebut lensa gravitasi. Teleskop-teleskop yang diorbitkan di angkasa, seperti Satelit HST (Hubble Space Telescope), umumnya memakai efek ini untuk mencoba mendeteksi keberadaan DM. Selain teleskop satelit, banyak juga eksperimen-eksperimen di bumi untuk mendeteksi partikel WIMP, DAMA/NaI di Itali adalah salah satunya. Eksperimen lain dan lebih canggih juga sedang dikembangkan oleh NASA, misalnya adalah EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) yang mendeteksi DM dari proses peleburan dua atau lebih DM.

Nah, kapankah kita akan berhasil membuka tabir DM? Dan pada waktu bersamaan, satu misteri yang lebih besar lagi, dark energy, juga harus dikuak untuk menyempurnakan pemahaman kita tentang Alam Semesta.