Studi menunjukkan ‘materi gelap’ dan ‘energi gelap’ mungkin tidak ada—bagaimana jalan keluarnya

Gambar yang menunjukkan tempat para ilmuwan percaya materi gelap berada di cluster galaksi Abell 520 - di dekat gas panas di tengahnya, berwarna hijau. Chandra X-ray Observatory Center, CC BY-NC

Studi menunjukkan ‘materi gelap’ dan ‘energi gelap’ mungkin tidak ada—bagaimana jalan keluarnya

Materi gelap (dark matter) dan energi gelap (dark energy) itu misterius, zat tak dikenal yang diperkirakan bisa membentuk lebih dari 96% alam semesta. Walau kita tidak pernah melihatnya secara langsung, zat ini menjelaskan dengan sangat bagus bagaimana bintang-bintang dan galaksi bergerak dan bagaimana semesta mengembang.

Tapi sebuah studi baru, diterbitkan dalam The Astrophysical Journal, menunjukkan bahwa zat-zat itu mungkin tidak ada sama sekali.

Saya mengajar astronomi dan astrofisika di berbagai universitas di seluruh dunia, dan tak banyak topik yang menggugah minat sebesar materi gelap dan energi gelap.

Kuliah pengantar dalam subjek ini biasanya diawali dengan mengamati sebuah diagram lingkaran densitas massa dan energi semesta. Ini memperlihatkan bahwa, sekarang, atom-atom reguler seperti hidrogen dan helium hanya merupakan beberapa persen dari semesta.

Diagram Lingkaran Komposisi Kosmologis (CC-BY-3.0). Ben Finney

Sekitar seperempat diagram lingkaran adalah materi gelap. Singkatnya, inilah sebuah bentuk materi yang tampaknya hanya berinteraksi melalui gravitasi. Beberapa deretan bukti mendukung eksistensi bentuk materi ini. Misalnya, kita bisa melihat gaya tarik gugusan-gugusan galaksi dan struktur-struktur lain di alam semesta. Kita tahu bahwa materi dalam struktur-sturktur semacam itu tidak cukup untuk ditopang hanya dengan gravitasi, artinya suatu materi tak kasat mata tambahan pasti ada untuk membuat struktur-struktur itu berputar dalam kecepatan yang bisa diamati.

Materi gelap tampaknya menimbulkan lengkung-lengkung di sekitar galaksi-galaksi pusat dalam gambar ini, membentuk wajah tersenyum. NASA/ESA, CC BY-SA

Repotnya, bagian terbesar diagram lingkaran itu adalah energi gelap. Inilah jenis energi, atau medan, yang menimbulkan sebuah gaya anti-gravitasi di semesta itu sendiri—mendorongnya hingga menyebar berserakan. Cara lain memahaminya: energi gelap mengerahkan sebuah tekanan negatif. Semesta bukan saja mengembang dengan laju konstan, melainkan juga ekspansi itu bertambah cepat karena adanya energi gelap.

Kita bisa memastikan bahwa semesta mengembang dalam cara demikian dengan mengamati kecepatan galaksi-galaksi saling menjauhi satu sama lain. Dan saya pribadi terlibat dalam pengujian energi gelap, seperti survei WiggleZ. Dalam pengujian ini, tim kami mengukur efek energi gelap menggunakan sebuah teknik “penggaris standar” baru, yang bisa memperkirakan jarak di kosmos. Pengujian ini membawa pada kesimpulan bahwa energi gelap itu nyata.

Jalan keluar lain?

Untuk sesaat kita andaikan bahwa energi gelap maupun materi gelap adalah pil yang terlalu aneh untuk ditelan. Apa alternatifnya? Salah satu jalan keluarnya adalah mengandaikan bahwa pemahaman kita tentang semesta ternyata keliru. Barangkali gravitasi dan relativitas umum tidak bekerja dalam cara seperti yang kita sangka.

Dalam pengandaian serupa, hukum-hukum Newton—yang sudah lama kita pandang menjelaskan segala sesuatu tentang gerak—adalah sebuah penyederhanaan teori relativitas yang lebih rumit, barangkali pemahaman kita tentang relativitas adalah penyederhanaan sesuatu yang lain? Lebih mendasar lagi, barangkali kita sudah membuat kesalahan penilaian tentang asumsi-asumsi yang mendasari persamaan-persamaan yang kita tangani? Mungkin kita perlu memodifikasi persamaan-persamaan gravitasi?

Studi baru oleh André Maeder, profesor astronomi kehormatan di Universitas Jenewa, berpusat di sekitar apa yang disebut “invarian skala”. Yang dimaksud dengan invarian skala adalah properti-properti hukum fisika tertentu (atau serangkaian objek fisik) tidak berubah, sekalipun jika kita mengkalikan panjang atau energinya dengan suatu bilangan. Properti-properti itu tetap sama, tidak bergantung skala. Salah satu contoh jenis invarian skala paling spesifik adalah sebuah fraktal. Walau kita memperbesar dengan suatu set perbesaran, bentuk fraktal akan sama saja.

Fraktal, bentuk yang sama diulang. Kevin Wong / Flickr

Kita bisa menganggap ruang kosong memiliki kualitas tersebut. Maksudnya, ruang kosong masih memiliki properti ruang kosong, walau kita memperbesar atau memperkecilnya—dan properti-propertinya tidak berubah jika ia ditekan atau direntangkan. Yang didapati Maeder adalah jika kita memperlakukan ruang kosong sebagai berskala invarian, mungkin materi gelap atau energi gelap tidak ada perlunya sama sekali.

Ini berbeda dari yang dikemukakan Einstein—bahwa ruang kosong beroperasi berdasarkan apa yang dikenal sebagai konstanta kosmologi, yang merupakan sebuah bentuk energi gelap. Ruang dalam keadaan demikian tidak bisa berskala invarian dengan cara yang sama. Banyak ilmuwan yang secara implisit dan eksplisit mengasumsikan deskripsi ini tepat. Tapi ini berarti energi gelap dan materi gelap masih diperlukan dan karena itu fisika baru diperlukan untuk menjelaskannya.

Menguji teori

Yang menggembirakan, teori Maeder bisa diuji. Misalnya, dengan observasi kita bisa menentukan kecepatan rotasi berbagai galaksi dan membandingkan data itu dengan prediksi-prediksi yang dibuat menurut model ruang kosong Maeder. Kita bisa menelaah gerak berbagai galaksi dalam gugusan-gugusan untuk menguji apakah ada kesesuaian dengan model yang diusulkan.

Para ilmuwan mengusulkan materi gelap hanya untuk menjelaskan bagaimana galaksi atau gugusan galaksi bergerak karena gaya tarik gravitasi. Tapi bagaimana jika ruang angkasa itu sendiri bisa membuat galaksi-galaksi dan gugusan galaksi bergerak dengan cara ini? Sejauh ini, berbagai pengujian yang dipaparkan Maeder sejalan dengan pengamatan yang dilakukan.

Namun, ada lebih banyak lagi pengujian yang harus dilakukan. Sedangkan Maeder baru meneliti dua gugusan galaksi. Dan jangan dilupakan alangkah banyaknya penelitian yang menunjukkan bahwa materi gelap dan energi gelap benar-benar ada. Bagaimana pun juga sungguh menggoda untuk mengatakan bahwa jika hipotesis yang diajukan Maeder benar, hipotesis itu menunjuk pada revisi besar terhadap ide-ide kita tentang kosmologi.

Walau kita belum sampai ke situ, pada akhirnya, diagram lingkaran densitas massa dan energi seluruh semesta mungkin perlu ditinjau kembali untuk menghapus dua bagian terbesarnya! Itulah saat yang menggairahkan menjadi seorang ahli kosmologi.

This article was originally published in English

Support evidence-based journalism with a tax-deductible donation today.