Mempelajari Materi Gelap, Zat Paling Misterius di Alam Semesta

Mungkin pertanyaan terbesar dalam astronomi saat ini adalah pertanyaan yang terdengar sederhana: Alam semesta terbuat dari apa? Kita mengetahui tentang proton, neutron, dan elektron, dan kita mengetahui bahwa partikel-partikel ini bergabung membentuk alam semesta yang kita amati: Bintang, planet, komet, dan lubang hitam.

Namun semua ini hanyalah sebagian kecil dari apa yang ada. Materi biasa, yang oleh para astronom disebut materi baryonik, merupakan minoritas jika Anda melihat alam semesta kita secara keseluruhan. Alam semesta nyatanya didominasi oleh materi gelap dan energi gelap, dua hal misterius yang belum pernah kita deteksi secara langsung.

Untuk menyelidiki teka-teki teraneh ini, Badan Antariksa Eropa (ESA) sedang membangun ruang Euclid teleskop, sebuah proyek mutakhir untuk menyelidiki materi gelap dan energi gelap yang akan diluncurkan pada tahun 2022.

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang cara membuat alat untuk mencari sesuatu yang tidak terlihat, kami berbicara dengan René Laureijs, ilmuwan proyek untuk Euclid.

Hanya melihat dampaknya saja

Baik materi gelap maupun energi gelap merupakan konstruksi teoritis, sehingga kita mempunyai alasan kuat untuk meyakini keberadaannya, meskipun keduanya belum pernah terdeteksi secara langsung. Sebaliknya, kita tahu mereka pasti ada di sana karena kita melihat dampaknya terhadap alam semesta.

“Materi gelap adalah sesuatu yang Anda lihat hanya efeknya,” jelas Laureijs. “Jadi Anda melihat sesuatu bergerak, atau benda-benda saling tarik menarik, dan Anda tidak tahu apa penyebabnya. Kita juga melihat dalam astronomi bahwa benda-benda tertarik, atau benda-benda bergerak, dan dengan melihat apa yang terjadi di sekitarnya, kita tidak dapat menjelaskan pergerakan ini dengan kehadiran materi biasa.”

Daya tarik ini hanya benar-benar terlihat pada skala yang sangat besar, jika dilihat pada objek seukuran galaksi. Pada awalnya, para astronom mengira mungkin ada yang salah dengan deskripsi mereka tentang gravitasi, dan itulah mengapa gravitasi terlihat berbeda pada skala astronomi. Namun mereka sekarang yakin bahwa itu adalah partikel yang menyebabkan efek ini, meskipun mendeteksi partikel itu sendiri masih merupakan tantangan yang berkelanjutan. “Kami belum pernah melihatnya, namun kami melihat bukti tidak langsung dari sesuatu yang berperilaku seperti materi namun tidak dapat dilihat. Dan itulah yang kami sebut materi gelap,” kata Laureijs.

Lalu ada energi gelap. Ini mirip dengan materi gelap karena merupakan konstruksi yang digunakan untuk menjelaskan pengamatan tak terduga tentang alam semesta. Namun hal ini sangat berbeda karena para astronom mengira itu mungkin merupakan bentuk energi, bukan partikel. Ini digunakan untuk menjelaskan perluasan alam semesta. Kita tahu bahwa alam semesta mengembang, namun pengamatan pada tahun 1990-an dengan menggunakan peralatan baru seperti Teleskop Luar Angkasa Hubble mengejutkan para astronom dengan menunjukkan bahwa laju ekspansi semakin cepat.

“Ini adalah efek yang sangat halus, tetapi dengan mengukur jarak ke galaksi jauh secara akurat, manusia dapat melakukannya ditemukan 20 tahun yang lalu bahwa alam semesta tidak hanya mengembang, namun mengembang dengan kecepatan yang dipercepat.” pemenang hadiah menjelaskan. “Artinya ada energi ekstra yang mendorong galaksi keluar, dan ternyata percepatan ini dimulai pada pertengahan usia alam semesta, sekitar 6 miliar tahun yang lalu. Sungguh menjadi sebuah teka-teki, mengapa hal itu bisa terjadi. Jadi ada gaya ekstra yang melawan gravitasi, mendorong semua galaksi keluar dengan percepatan, dan itulah yang kita sebut energi gelap.”

Apa yang benar-benar luar biasa tentang materi gelap dan energi gelap adalah betapa lazimnya keduanya. Ketika mempertimbangkan komponen energi total alam semesta, perkiraan saat ini menunjukkan bahwa sekitar 68% alam semesta adalah energi gelap, sedangkan 27% adalah materi gelap. Semua materi normal yang kita lihat di sekitar kita – setiap bintang, setiap planet, setiap molekul gas – hanya berjumlah 5% dari seluruh materi yang ada.

Jadi ada 95% alam semesta yang hampir tidak kita pahami sama sekali. “Ini adalah teka-teki terbesar yang kita hadapi saat ini dalam bidang fisika dan astronomi,” kata Laureijs. “Sebagai seorang astronom, sungguh menyenangkan berada pada saat ini, untuk mengatasi masalah ini.”

Bagaimana cara memburu yang tak terlihat

Metode tradisional untuk mencari energi gelap adalah dengan mengukur perluasan alam semesta dengan mengamati supernova. Jika supernova meledak di galaksi yang jauh, kita dapat melacak energi yang dihasilkannya untuk memperkirakan seberapa jauh jaraknya – namun ada keterbatasan pendekatan ini. Jadi dalam beberapa dekade terakhir, dua metode baru untuk mengukur perluasan alam semesta telah dirancang, dan Euclid akan menggunakan keduanya.

Metode pertama adalah dengan melihat sebaran galaksi di alam semesta. Para astronom melihat jarak suatu galaksi dan mengamati pergeseran merahnya (sejauh mana cahaya dari galaksi tersebut digeser ke ujung merah spektrum), dan dari sini mereka dapat mengetahui seberapa cepat galaksi bergerak menjauh kita.

Cara yang kedua adalah dengan mengamati distribusi materi gelap. Kita tahu bahwa distribusi materi biasa mengikuti distribusi materi gelap, dan terdapat lebih banyak materi gelap daripada materi biasa di luar sana. Efek gravitasi materi gelap dapat dilihat melalui teknik yang disebut pelensaan gravitasi, yang mana massa materi gelap membelokkan cahaya di sekitarnya.

Inilah sebabnya Euclid mencari materi gelap dan energi gelap – karena mempelajari salah satu materi gelap juga dapat mengajarkan kita tentang materi gelap lainnya.

Tingkat presisi yang luar biasa

Untuk mengumpulkan jenis data yang diperlukan untuk mempelajari energi gelap dan materi gelap, alat yang digunakan secara konseptual relatif sederhana. Euclid memiliki dua instrumen utama: Kamera/spektrometer inframerah, dan kamera optik raksasa.

Instrumen inframerah memiliki berbagai filter dan prisma kisi yang memungkinkannya mengukur pergeseran merah galaksi jauh, yang menunjukkan seberapa jauh mereka menjauh dari kita. Kamera optik merupakan gabungan dari 36 sensor yang memberikan resolusi total lebih dari 600 megapiksel, sehingga menghasilkan gambar yang sangat tajam, seperti versi kamera digital yang jauh lebih presisi. Lalu ada teleskop itu sendiri dengan cermin setinggi 1,2 meter.

Tantangan dalam membangun perangkat keras adalah diperlukannya tingkat presisi yang sangat tinggi. Distorsi yang dicari para ilmuwan akibat kehadiran materi gelap dan energi gelap sangatlah kecil bahwa instrumennya harus sangat sensitif, mampu mendeteksi fluktuasi terkecil sekalipun dalam pembacaan. Namun hal ini berarti bahwa perubahan apa pun pada lingkungan teleskop itu sendiri dapat menyebabkan distorsi data yang besar. Bahkan sesuatu yang kecil seperti menyalakan perangkat elektronik di dalam satelit akan terlihat dalam pembacaan yang dilakukan.

“Teleskop ini dibuat sedemikian rupa sehingga sangat stabil dan menghasilkan gambar yang sangat tajam,” kata Laureijs. “Dan ia memiliki bidang pandang yang sangat luas. Jika Anda menggabungkan semuanya – bidang pandang yang stabil, tajam, dan luas – Anda akan mendapatkan desain yang mustahil! Jadi itu sangat sulit.”

Salah satu cara tim mengatasi masalah desain ini adalah dengan menempatkan teleskop di luar angkasa, di tempat yang jauh lebih jauh lingkungan yang stabil dan dapat menangkap gambar empat hingga lima kali lebih tajam daripada gambar paling tajam yang dapat diambil Bumi. Namun masih ada masalah dengan sinar matahari, karena menyesuaikan satelit relatif terhadap matahari akan mengubah jumlah panas yang diterimanya. Bahkan perubahan energi beberapa miliwatt saja sudah cukup untuk dideteksi oleh instrumen.

Masalah terbesar yang harus dihadapi oleh perancang teleskop adalah perluasan. Ketika material menjadi panas, material tersebut akan mengembang, dan bahkan fluktuasi suhu yang kecil pun dapat menyebabkan bagian-bagian teleskop membengkak dan menimbulkan distorsi pada data.

Hasilnya, sebagian besar komponen Euclid dibuat dari bahan luar biasa yang disebut silikon karbida. Keramik ini mempunyai koefisien muai yang sangat rendah, yang berarti keramik ini sangat sedikit memuai ketika terkena panas. Dan karena digunakan di seluruh instrumen, jika mengembang, maka akan terjadi secara merata. Bahkan rangka sensornya terbuat dari silikon karbida, begitu pula cermin utama teleskop. Cermin tersebut telah dipoles dengan baik hingga toleransi beberapa nanometer, sebuah proses yang memakan waktu hampir satu tahun.

Semua kehati-hatian ini berarti bahwa satelit ini sangat stabil, dan akan mampu menangkap gambar yang tajam dan akurat.

Menawarkan sesuatu untuk kemanusiaan

Meskipun studi tentang materi gelap dan energi gelap sangat penting bagi teori fisika, perburuan ini juga dapat mempunyai implikasi praktis. Pertama, perangkat keras yang dirancang untuk proyek seperti Euclid dan teknik pengukuran yang dikembangkan dapat digunakan di berbagai bidang berbeda. Kedua, banyaknya data yang akan dikumpulkan Euclid.

“Dengan data kami, kami tidak hanya mengukur energi gelap dan materi gelap, namun kami memotret segala sesuatu yang kami lihat di langit pada panjang gelombang tersebut,” kata Laureijs. “Jadi ada lebih banyak astronomi di dalamnya. Dan ini juga merupakan bagian yang menarik, karena kami menawarkan sesuatu yang sangat baru bagi umat manusia, kepada para astronom. Delapan tahun dari sekarang, Anda dapat mengunjungi situs web ESA dan pergi ke posisi mana pun di langit dan melihat tampilannya, dengan resolusi sangat besar, hingga kedalaman 10 juta tahun yang lalu.”

Namun, pencarian materi gelap dan energi gelap pada dasarnya adalah tentang memahami bagaimana alam semesta kita beroperasi pada hal yang paling mendasar tingkat, dan menjawab pertanyaan yang sangat membingungkan saat ini: “Apa yang kita lihat di sekitar kita hanyalah 5% dari apa yang ada di alam semesta kita. 95% lainnya adalah materi gelap dan energi gelap, sesuatu yang sulit kami jelaskan,” kata Laureijs. “Bagi saya, inilah alasan mendasar kami melakukan Euclid.”

Pertanyaan yang aneh dan tidak dapat dijelaskan tentang apa yang menyusun alam semesta inilah yang mendorong para ilmuwan, insinyur, dan astronom yang bekerja pada materi gelap. Karena apa yang kita lihat di sekitar kita hanyalah permukaan dari apa yang ada di dunia yang belum kita ketahui.