Alam Semesta Lima Persen

Salah satu wahyu paling mencengangkan di abad ke-20 dalam pemahaman kita akan Alam Semesta adalah bahwa materi biasa hanya menyumbang kurang dari 5% dari total massa alam semesta. Sisanya diisi oleh hal yang tidak dikenal dan asing yang disebut sebagai dark atau gelap. Kurang lebih 25% dari 'dark' ini adalah 'materi asing' yang disebut dark matter atau materi gelap, dan kurang lebih 70% sisanya adalah 'energi asing' yang disebut dark energy atau energi gelap. Itu artinya, segala sesuatu yang dapat kita amati selama ini, yang kita anggap sebagai komposisi alam semesta, hanya memiliki porsi sekitar 5% dari alam semesta yang sebenarnya. Sedangkan 95% sisanya adalah hal-hal misterius yang belum bisa kita amati dan pahami sampai saat ini.

Materi gelap adalah suatu materi hipotesis yang tidak dapat dideteksi karena materi ini tidak berinteraksi dengan materi biasa dan juga tidak berinteraksi dengan gaya elektromagnetik. Itu berarti materi gelap tidak menyerap, memantulkan atau memancarkan gelombang atau radiasi elektromagnetik sehingga kita tidak bisa mengamati dan mengenalinya, bahkan dengan menggunakan instrumen penelitian berteknologi paling canggih yang dimiliki manusia saat ini.

Sedangkan energi gelap adalah suatu kekuatan atau gaya tolak misterius yang menyebabkan alam semesta kita mengembang atau berekspansi dipercepat. Walaupun sama-sama memiliki nama yang menggunakan istilah dark atau gelap, energi gelap dan materi gelap sama sekali tidak memiliki hubungan. Energi gelap bukanlah energi dari materi gelap. Materi gelap mengakibatkan gravitasi dari objek berskala besar jauh lebih besar daripada prediksi perhitungan, sedangkan energi gelap mengakibatkan alam semesta mengembang lebih cepat daripada prediksi perhitungan.

Alasan ilmuwan menyimpulkan bahwa materi gelap itu ada adalah karena berdasarkan hasil observasi mereka menemukan bahwa ada sesuatu di luar sana (di alam semesta) yang memiliki gravitasi dan bisa mengerahkannya untuk memberikan efek yang signifikan terhadap objek atau materi biasa yang bisa kita lihat. Dengan kata lain, wujud dan penampakan atau bentuk fisik dari materi gelap ini tidak bisa kita lihat, tapi efek gravitasinya terhadap objek yang terlihat bisa diamati.

Sebaliknya, alasan ilmuwan menyimpulkan keberadaan energi gelap adalah lewat pengaruhnya pada laju ekspansi alam semesta. Lewat bukti pengamatan astronomi dari Hubble ditambah perhitungan yang didasarkan pada persamaan medan Einstein, maka seberapa cepat alam semesta berekspansi dapat dihitung. Akan tetapi, bukti pengamatan astronomi bertahun-tahun setelah Hubble menunjukkan bahwa laju ekspansi alam semesta berkali-kali lipat lebih cepat dari pada prediksi teoretis tersebut. Apa yang menyebabkan alam semesta mengemembang dipercepat ini kemudian disebut energi gelap.

Materi gelap awalnya dikenal sebagai "massa yang hilang" yang keberadaannya pertama kali disimpulkan oleh astronom Amerika-Swiss bernama Fritz Zwicky. Pada saat itu Zwicky sedang mempelajari gugus galaksi bernama cluster coma, dan menemukan bahwa massa atau bobot dari semua bintang di gugus galaksi Coma hanya menyediakan sekitar 1 persen dari massa yang dibutuhkan untuk menjaga galaksi agar tidak lepas atau terlontar keluar dari tarikan gravitasi gugus galaksi tersebut.

Massa yang hilang ini tetap dipertanyakan selama beberapa dekade, hingga tahun 1970-an, keberadaannya dikonfirmasi oleh astronom Amerika; Vera Rubin dan W. Kent Ford melalui pengamatan fenomena yang serupa. Rubin dan Ford melakukan pengukuran yang lebih terperinci dan lebih akurat terhadap bintang-bintang di beberapa galaksi spiral (galaksi berbentuk spiral) yang dekat dengan galaksi kita termasuk galaksi Andromeda (M31). Keduanya mencatat bahwa bintang-bintang di galaksi spiral bergerak mengorbit pusat galaksi jauh lebih cepat daripada yang seharusnya. Hal ini mengarahkan pada penelitian lanjutan yang menunjukkan bahwa galaksi spiral harus terdiri dari materi gelap yang perbandingannya enam kali lebih banyak dari materi biasa yang terlihat.

Walaupun keberadaannya disetujui, seperti apa wujud materi gelap itu masih menjadi teka-teki. Dalam mempelajari atau mengamati objek di angkasa, maka selain gravitasi, interaksi antara objek tersebut dengan gelombang elektromagnetik (cahaya) dapat menjadi parameter pengukuran. Sayangnya, materi gelap tidak menunjukkan tanda-tanda bahwa dirinya berinteraksi dengan materi biasa.

Ilmuwan masih bekerja keras untuk menemukan materi gelap. Mereka terus berburu materi atau partikel-partikel hipotesis untuk dijadikan kandidat sebagai materi gelap. Ini merupakan hal yang sangat sulit, karena syarat menjadi materi gelap adalah partikel tersebut tidak menyerap, memantulkan ataupun memancarkan cahaya (gelombang elektromagnetik), dan hanya memiliki gaya gravitasi untuk berinteraksi dengan materi lain disekitarnya. 

Satu-satunya alternatif jika materi gelap tidak ditemukan adalah dengan memodifikasi hukum gravitasi universal Newton agar bisa menyediakan medan gravitasi yang lebih kuat yang dibutuhkan pada skala jarak yang lebih besar. Mengingat hukum gravitasi Newton sudah tahan uji sampai sekarang, maka modifikasi tersebut tidak layak dan bisa juga dikatakan tidak mungkin.

Untuk energi gelap atau dark energy sendiri ditemukan pertama kali pada tahun 1998 oleh kolaborasi Adam Riess dan Saul Perlmutter di Amerika Serikat dan Brian Schmidt di Australia. 

Salah satu teknik untuk mengukur laju ekspansi alam semesta adalah dengan mengamati kecerahan dari objek yang memiliki luminositas (kecemerlangan) yang sudah diketahui yaitu supernova Ia. Metode inilah yang digunakan Adam Riess, dkk. Kedua tim (tim Riess di Amerika dan tim Schmidt di Australia) menggunakan delapan teleskop termasuk dari Keck Observatory dan MMT Observatory. 

Supernova tipe Ia yang meledak ketika alam semesta hanya berukuran dua pertiga dari ukurannya saat ini, teramati dan terukur lebih redup atau dengan kata lain lebih jauh daripada yang seharusnya (dibandingkan dengan perhitungan teoretis). Ini menyiratkan bahwa laju ekspansi alam semesta saat ini lebih cepat daripada sebelumnya. Karena energi gelap bekerja melawan gravitasi, maka dengan fakta bahwa laju alam semesta semakin dipercepat setiap saat menunjukkan bahwa jumlah energi gelap juga semakin bertambah. 

Selain mempercepat ekspansi alam semesta, energi gelap juga menghambat pembentukan struktur skala besar seperti galaksi dan gugus galaksi yang seharusnya terbentuk karena ketidakstabilan gravitasi. Dengan adanya energi gelap, jarak antar partikel nebula yang merupakan komponen pembentuk bintang dan galaksi semakin merenggang sehingga kemungkinan untuk runtuh karena gravitasinya sendiri semakin kecil. Jadi, energi gelap menghambat pembentukan struktur skala besar seperti galaksi dan gugus galaksi.

Walaupun ilmuwan mengetahui bahwa alam semesta mengembang semakin dipercepat setiap saat, dan faktor penyebabnya ini disebut energi gelap, namun sama halnya dengan kasus materi gelap, apa dan seperti apa wujud energi gelap itu masih menjadi misteri. Salah satu kandidat energi gelap yang dipertimbangkan ilmuwan adalah konstanta kosmologi dalam persamaan medan Einstein yang disebut energi vakum.

Sejauh ini berbagai hasil prediksi perhitungan dari instrumen pengamatan di luar angkasa konsisten dengan nilai konstanta energi vakum. Walaupun menjanjikan, energi vakum masih sulit dipahami karena model fisik dari energi vakum itu sendiri masih menjadi misteri apa dan bagaimana wujudnya.

Referensi:

Briggs, Andy. 2020. What is Dark Energy

Riess, Adam.2020. Dark Energy

Rubin, Vera. 1998. Dark Matter in the Universe. Scientific American.

Templeton, G. 2015. What is Dark Matter