Sangat menarik dan juga misterius, materi gelap adalah salah satu dari enigma terbesar dalam ilmu astrofisika dan kosmologi. Telah diketahui bahwa 90 persen dari materi di alam semesta ini terdiri dari materi gelap, tetapi keberadaannya hanya bisa ditunjukkan secara tidak langsung, dan selalu menyisakan pertanyaan. Penelitian terbaru yang dilakukan oleh SISSA (International School of Advance Study) menyingkirkan banyak keraguan akan keberadaan dari materi gelap di galaksi, menyangkal relasi empiris yang mendukung teori alternatif mengenai materi gelap. Penelitian ini, yang dipublikasikan dalam Astrophysical Journal, juga menawarkan wawasan baru dalam memahami materi gelap dan hubungannya dengan materi biasa.
Dari kejadian ekspansi alam semesta dan pergerakan bintang-bintang, ada banyak fenomena yang tidak bisa dijelaskan hanya dengan keberadaan materi baryon (proton, neutron) saja. Energi gravitasi yang berasal dari materi yang ada, tidak bisa menjelaskan keseluruhan energi gravitasi di alam semesta. Fakta-fakta tersebut yang menuntun pemikiran tentang keberadaan dari materi gelap, dan pemikiran bahwa galaksi ‘terikat’ oleh suatu energi gravitasi yang tidak terlihat.
Ada berbagai macam teori alternatif yang telah dikemukakan oleh para ilmuwan tentang keberadaan materi gelap ini.
Teori pertama: materi gelap adalah MACHO
Materi gelap dijelaskan secara sederhana sebagai materi dengan massa yang besar, sangatlah padat namun tidak bercahaya atau sangat redup sehingga berada diluar kepekaan instrument yang ada. Ojek-objek semacam ini antara lain bintang katai putih, bintang katai merah, bintang neutron, bintang katai coklat, planet planet seukuran Jupiter dan lubang hitam berukuran kecil. Bila benda-benda tersebut berukuran banyak dan melebihi jumlah materi-materi yang lain yang bercahaya, maka gabungan total massa dari keseluruhan objek-objek ini secara gravitasi dapat memengaruhi dinamika dalam sebuah galaksi dan menjelaskan dari mana asal ‘tambahan massa’ dalam kurva rotasi. Objek-objek tersebut secara kolektif dinamakan MACHO (Massive Compact Halo Objects) — objek halo massif dan padat.
Teori kedua: Materi gelap adalah WIMP
Alternatif kedua untuk menjelaskan materi gelap ini adalah keberadaan partikel-partikel non baryon. Partikel non baryon adalah partikel selain dari proton dan neutron: bisa neutrino, elektron bebas atau partikel-partikel eksotik lain seperti partikel-partikel super simetri atau aksion. Partikel ini haruslah berinteraksi melalui gaya nuklir lemah dan gravitasi, Tidak melalui gaya elektromagnetik karena bila demikian pastilah kita bisa mendeteksi mereka. Selain berinteraksi lemah, partikel ini juga harus masif relative terhadap partikel-partikel lainnya. Itulah sebabnya, agar kontras dengan MACHO, partikel ini dinamakan WIMP atau Weakly Interacting Massive Particles (Partikel masif yang berinteraksi lemah).
Teori ketiga: Materi gelap tidak ada
Penjelasan ketiga adalah materi gelap tidak ada dan gejala ‘massa tambahan’ dalam kurva rotasi dijelaskan secara sederhana sebagai kurangnya pemahaman kita akan hukum kedua Newton, dan oleh karena itu perlu dimodifikasi. Konsep ini diajukan oleh Moti Milgrom dan dia menamakannya MOND (modified Newtonian Dynamics). Milgrom menjelaskan bahwa Hukum Ketiga Newton yang selama ini kita gunakan berlaku hanya untuk percepatan besar namun perlu diberi parameter tambahan bila kita meninjau percepatan yang sangat kecil. Jadi untuk kasus percepatan kecil, hokum Ketiga Newton bukan lagi F= m a, tetapi F=m a2/a, dimana a adalah sebuah konstanta percepatan yang besarnya sekitar 10-8 cm s-2.
Dengan menggunakan MOND, kurva rotasi dapat dijelaskan dengan baik dan dihitung hanya mengunakan massa bryonik. MOND juga memprediksikan adanya galaksi dengan kecerlangan rendah, dan juga gejala-gejala lain yang belum bisa diprediksi teori-teori materi gelap.
Teori alternatif terbantahkan
“Tiga tahun yang lalu, beberapa rekan kami di Case Western Reserve University mempertanyakan tentang pemahaman kami akan alam semesta dan seberapa dalam penelitian yang telah kami lakukan, karena adanya keraguan akan keberadaan dari materi gelap di galaksi,” kata Chiara di Paolo, yang sedang menepuh pendidikan doktoral di SISSA. “Kami menganalisa pergerakan putaran dari 153 galaksi, yang secara prinsipil adalah jenis perputaran yang biasa, kami mendapatkan suatu hubungan empiris antara kecepatan gravitasi total dari bintang (yang diamati) dan komponen yang akan kita amati dalam keberadaan dari materi biasa dalam teori Newtonian klasik. Hubungan empiris ini, berlaku untuk semua galaksi yang mereka analisa dan dalam jarak radius semua galaksi, dan bisa menjelaskan tentang percepatan gravitasi tanpa harus kembali mempertanyakan tentang keberadaaan materi gelap, tetapi ikut melibatkannya, sebagai contoh, teori dari gravitasi yang dimodifikasi seperti teori modified Newtonian dynamic (MOND).
Paolo dan rekan-rekannya ingin untuk menguji hubungan antar keduanya dengan menganalisa galaksi yang berbentuk putaran elips yang berbeda dengan galaksi dengan bentuk putaran spiral— 72 galaksi dengan low surface bright (LSB) — galaksi dengan permukaan berkecerahan rendah dan 34 galaksi kecil/galaksi katai (dwarf galaxy). Mereka mendapatkan hasil lanjutan, ditemukannya sebuah hubungan, dimana selain total percepatan gravitasi dan komponen yang ada didalamnya, dan juga jarak radius galaksi dan morfologi dari galaksi.
“Kami telah mempelajari hubungan antara total percepatan dan komponen didalamnya dari 106 galaksi, mendapatkan hasil yang berbeda dari yang pernah ada sebelumnya,” kata Paolo Salucci, professor ilmu astrofisik di SISSA dan juga salah satu dari peneliti dari riset ini. ‘Hasil penelitian kami bukan hanya menunjukkan tidak tepatnya perhitungan empiris sebelumnya dan juga menyingkirkan keraguan akan keberadaan materi gelap dalam galaksi. Untuk kedepannya, hubungan terbaru ini bisa memberikan informasi yang penting dalam memahami sifat sifat dari komponen yang tidak terdefinsikan ini.”
