Ilmuwan Temukan Materi Gelap dari 12 Miliar Tahun yang Lalu

REPUBLIKA.CO.ID, NAGOYA -- Para ilmuwan telah menemukan material gelap di sekitar galaksi yang ada sekitar 12 miliar tahun yang lalu. Temuan ini meruapakan deteksi paling awal dari zat misterius yang mendominasi alam semesta ini.

Temuan ini dicapai oleh kolaborasi tim yang dipimpin oleh para peneliti dari Universitas Nagoya Jepang. Hasilnya menunjukkan bahwa material gelap di alam semesta awal kurang ‘menggumpal’ daripada yang diprediksi oleh banyak model kosmologis saat ini.

Jika penelitian lebih lanjut mengonfirmasi teori ini, hal ini bisa mengubah pemahaman para ilmuwan tentang bagaimana galaksi berevolusi. Kunci untuk memetakan material gelap di alam semesta paling awal adalah latar belakang gelombang mikro kosmik (cosmic microwave background/CMB). CMB merupakan semacam radiasi fosil yang tersisa dari Big Bang yang didistribusikan ke seluruh kosmos.

Karena cahaya membutuhkan waktu yang terbatas untuk melakukan perjalanan dari objek yang jauh ke Bumi, para astronom melihat galaksi lain sebagaimana adanya ketika cahaya yang diamati meninggalkan mereka. Semakin jauh sebuah galaksi, semakin lama cahaya telah berjalan. 

Namun, mengamati material gelap lebih rumit. Material gelap adalah zat misterius yang membentuk sekitar 85 persen  dari total massa alam semesta. Materi gelap tidak berinteraksi dengan material dan cahaya seperti materi sehari-hari yang terbuat dari proton dan neutron yang mengisi bintang dan planet.

Mendeteksi material gelap ‘awal’

Untuk ‘melihat’ material gelap, para astronom harus mengandalkan interaksinya dengan gravitasi. Menurut teori relativitas Einstein, benda-benda bermassa luar biasa menyebabkan kelengkungan ruang-waktu. Analogi umum adalah lembaran karet elastis yang menahan bola dengan massa yang meningkat.

Semakin besar massanya, semakin besar 'lekuk' yang ditimbulkannya pada lembaran. Demikian pula, semakin besar objek kosmik, semakin ekstrem kelengkungan ruang-waktu yang ditimbulkannya.

Objek besar seperti galaksi menyebabkan ruang-waktu melengkung begitu kuat sehingga cahaya dari sumber di belakang galaksi melengkung, seperti jalur kelereng yang digulung melintasi lembaran karet yang diregangkan akan menyimpang. Efek ini menggeser posisi sumber cahaya di langit, sebuah fenomena yang disebut pelensaan gravitasi.

Untuk mempelajari distribusi material gelap di sebuah galaksi, para astronom dapat mengamati bagaimana cahaya dari sumber di belakang galaksi itu berubah saat melewati 'galaksi lensa'. Semakin banyak material gelap yang dikandung galaksi lensa, semakin besar distorsi cahaya yang melewatinya.

Tetapi teknik ini memiliki keterbatasan. Karena galaksi paling awal dan paling jauh sangat redup, saat para astronom melihat lebih dalam ke alam semesta dan lebih jauh ke masa lalu, efek pelensaan menjadi lebih halus dan sulit untuk dilihat.

Para ilmuwan membutuhkan banyak sumber latar belakang dan banyak galaksi awal untuk lensa spot oleh material gelap. Masalah ini telah membatasi pemetaan distribusi material gelap ke galaksi yang berusia sekitar delapan hingga 10 miliar tahun.

Tetapi CMB menyediakan sumber cahaya yang lebih kuno daripada galaksi mana pun. CMB adalah radiasi di mana-mana yang diciptakan ketika alam semesta cukup dingin untuk memungkinkan atom terbentuk, mengurangi jumlah elektron bebas hamburan foton. Pengurangan elektron bebas memungkinkan foton untuk bergerak bebas, yang berarti bahwa alam semesta tiba-tiba berhenti menjadi buram dan menjadi transparan terhadap cahaya.

Dan seperti cahaya dari sumber jauh lainnya, CMB dapat terdistorsi oleh galaksi dengan material gelap karena lensa gravitasi. “Sebagian besar peneliti menggunakan galaksi sumber untuk mengukur distribusi material gelap dari sekarang hingga 8 miliar tahun yang lalu,” kata asisten profesor Universitas Tokyo Yuichi Harikane dalam pernyataannya.

“Namun, kita bisa melihat lebih jauh ke masa lalu karena kita menggunakan CMB yang lebih jauh untuk mengukur material gelap.”

Tim menggabungkan distorsi pelensaan dari sampel besar galaksi kuno dengan CMB untuk mendeteksi material gelap yang berasal dari saat alam semesta baru berusia 1,7 miliar tahun. Material gelap kuno ini melukiskan gambaran kosmik yang sangat berbeda.

“Untuk pertama kalinya, kami mengukur material gelap dari hampir saat-saat awal alam semesta,” kata Harikane.

“12 miliar tahun yang lalu, keadaannya sangat berbeda. Anda melihat lebih banyak galaksi yang sedang dalam proses pembentukan daripada saat ini. Gugus galaksi pertama juga mulai terbentuk.”

Gugus-gugus ini dapat terdiri dari antara 100 dan 1.000 galaksi yang terikat pada sejumlah besar material gelap oleh gravitasi.

Apakah materi gelap menggumpal?

Salah satu aspek yang paling signifikan dari temuan tim adalah kemungkinan bahwa material gelap kurang menggumpal di alam semesta awal daripada yang disarankan oleh banyak model saat ini. Model Lambda-CDM yang diterima secara luas menunjukkan bahwa fluktuasi kecil pada CMB seharusnya menghasilkan gravitasi yang menciptakan kantong material yang padat.

Fluktuasi ini akhirnya menyebabkan material runtuh untuk membentuk galaksi, bintang dan planet, dan juga harus menghasilkan kantong material gelap yang padat. Tim akan terus mengumpulkan data untuk menilai apakah model Lambda-CDM sesuai dengan pengamatan material gelap di alam semesta awal.

Data yang digunakan oleh tim untuk mencapai temuan mereka berasal dari Subaru Hyper Suprime-Cam Survey, yang menganalisis data dari teleskop di Hawai'i. Namun, para peneliti hanya menggunakan sepertiga dari data ini sejauh ini, yang berarti bahwa peta distribusi material gelap yang lebih baik dapat tersedia saat sisa pengamatan digabungkan.

Tim juga menantikan data dari Legacy Survey of Space and Time (LSST) Observatorium Vera C. Rubin yang dapat memungkinkan para peneliti untuk melihat material gelap lebih jauh ke masa lalu.