Materi dan Energi Gelap


 

Meskipun kita tahu bahwa materi biasa hanya menyumbang sekitar seperdua puluh energi alam semesta dan seperenam dari total energi yang dibawa oleh materi (dengan energi gelap merupakan bagian yang tersisa), kita tetap menganggap materi biasa sebagai unsur pokok yang benar-benar penting. Dengan pengecualian ahli kosmologi, perhatian hampir semua orang terfokus pada komponen materi biasa, yang mungkin Anda anggap sangat tidak penting menurut perhitungan energi.

 

Kita tentu saja lebih peduli pada materi biasa karena kita terbuat dari benda—seperti halnya dunia tempat kita hidup. Namun, kami juga memperhatikan karena kekayaan interaksinya. Materi biasa berinteraksi melalui gaya elektromagnetik, gaya nuklir lemah, dan gaya nuklir kuat—membantu materi yang terlihat di dunia kita untuk membentuk sistem yang kompleks dan padat. Tidak hanya bintang, tetapi juga batu, lautan, tumbuhan, dan hewan berutang keberadaan mereka pada kekuatan alam non-gravitasi yang melaluinya materi biasa berinteraksi. Sama seperti persentase kecil kandungan alkohol dalam bir yang mempengaruhi pemabuk jauh lebih banyak daripada minuman lainnya, materi biasa, meskipun membawa persentase kecil dari kepadatan energi, mempengaruhi dirinya sendiri dan sekitarnya jauh lebih nyata daripada sesuatu yang baru saja lewat.

 

Materi kasat mata yang familier dapat dianggap sebagai persen istimewa—sebenarnya lebih mirip 15 persen—materi. Dalam bisnis dan politik, 1 persen yang berinteraksi mendominasi pengambilan keputusan dan kebijakan, sementara 99 persen populasi sisanya menyediakan infrastruktur dan dukungan yang kurang diakui secara luas—memelihara gedung, menjaga kota tetap beroperasi, dan menyediakan makanan untuk orang-orang. Demikian pula, materi biasa mendominasi hampir semua yang kita amati, sedangkan materi gelap, dalam kelimpahan dan keberadaannya, membantu menciptakan gugusan dan galaksi serta memfasilitasi pembentukan bintang, tetapi hanya memiliki pengaruh terbatas pada lingkungan terdekat kita saat ini.

 

Untuk struktur terdekat, materi biasa yang bertanggung jawab. Ia bertanggung jawab atas gerakan tubuh kita, sumber energi yang menggerakkan perekonomian kita, layar komputer atau ponsel tempat Anda membaca ini, dan pada dasarnya semua hal lain yang dapat Anda pikirkan atau pedulikan. Jika sesuatu memiliki interaksi yang terukur, perlu diperhatikan, karena akan memiliki efek yang jauh lebih cepat pada apa pun yang ada di sekitarnya.

 

Dalam skenario biasa, materi gelap tidak memiliki pengaruh dan struktur yang menarik seperti ini. Pengiraan umum adalah bahwa materi gelap adalah “lem” yang menyatukan galaksi dan gugus galaksi, tetapi hanya berada di awan amorf di sekitar mereka. Tetapi bagaimana jika pengiraan ini tidak benar dan hanya prasangka kita—dan ketidaktahuan, yang merupakan akar dari sebagian besar prasangka—yang membawa kita ke jalan yang berpotensi menyesatkan ini?

 

Model Standar berisi enam jenis quark, tiga jenis lepton bermuatan (termasuk elektron), tiga spesies neutrino, semua partikel yang bertanggung jawab atas gaya, serta Higgs boson. Bagaimana jika dunia materi gelap—jika tidak sama kayanya—cukup kaya juga? Dalam hal ini, sebagian besar materi gelap berinteraksi hanya sedikit, tetapi komponen kecil materi gelap akan berinteraksi di bawah gaya yang mengingatkan pada materi biasa. Struktur yang kaya dan kompleks dari partikel dan gaya Model Standar memunculkan banyak fenomena menarik di dunia. Jika materi gelap memiliki komponen yang berinteraksi, fraksi ini mungkin juga berpengaruh.

 

Jika kita adalah makhluk yang terbuat dari materi gelap, kita akan sangat salah untuk mengira bahwa partikel di sektor materi biasa kita semuanya bertipe sama. Mungkin kita orang biasa melakukan kesalahan yang sama. Mengingat kompleksitas Model Standar fisika partikel, yang menggambarkan komponen paling dasar dari materi yang kita ketahui, tampaknya sangat aneh untuk mengasumsikan bahwa semua materi gelap hanya terdiri dari satu jenis partikel. Mengapa tidak menganggap bahwa sebagian kecil dari materi gelap mengalami kekuatannya sendiri?

 

Dalam hal itu, seperti halnya materi biasa terdiri dari berbagai jenis partikel dan blok bangunan fundamental ini berinteraksi melalui kombinasi muatan yang berbeda, materi gelap juga akan memiliki blok penyusun yang berbeda—dan setidaknya satu dari jenis partikel baru yang berbeda tersebut akan mengalami interaksi non-gravitasi. Neutrino dalam Model Standar tidak berinteraksi di bawah gaya kuat atau listrik, tapi enam jenis quark melakukannya.

 

Dengan cara yang sama, mungkin satu jenis partikel materi gelap mengalami interaksi yang lemah atau tidak ada interaksi selain gravitasi, tetapi sebagian kecilnya—mungkin 5 persen—melakukannya. Berdasarkan apa yang telah kita lihat di dunia materi biasa, mungkin skenario ini bahkan lebih mungkin daripada pengiraan biasa dari satu partikel materi gelap yang sangat lemah atau tidak berinteraksi.

 

Orang-orang dalam hubungan luar negeri membuat kesalahan ketika mereka menyatukan budaya negara lain—dengan mengira mereka tidak menunjukkan keragaman masyarakat seperti yang terlihat di negara kita sendiri. Sama seperti seorang negosiator yang baik tidak menganggap keunggulan satu sektor masyarakat atas yang lain ketika mencoba untuk menempatkan budaya yang berbeda pada pijakan yang sama, seorang ilmuwan yang tidak bias tidak boleh mengira bahwa materi gelap tidak semenarik materi biasa dan tentu saja kurang keragaman materi yang mirip dengan milik kita.

 

Penulis sains Corey S. Powell, ketika melaporkan penelitian di majalah Discover, memulai tulisannya dengan mengumumkan bahwa dia adalah “sovinis materi ringan”—dan menunjukkan bahwa hampir semua orang juga demikian. Maksudnya adalah kita memandang jenis materi yang kita kenal sejauh ini sebagai yang paling signifikan dan karena itu paling kompleks dan menarik. Ini adalah jenis kepercayaan yang mungkin Anda pikir telah diubah oleh Revolusi Copernicus. Namun kebanyakan orang bertahan dalam asumsi bahwa perspektif mereka dan keyakinan mereka tentang pentingnya kita sesuai dengan dunia luar.

 

Banyak komponen materi biasa memiliki interaksi yang berbeda dan berkontribusi pada dunia dengan cara yang berbeda. Demikian juga, materi gelap mungkin memiliki partikel berbeda dengan perilaku berbeda yang mungkin memengaruhi struktur alam semesta secara terukur.

 

***

 

Ketika pertama kali mempelajari materi gelap yang berinteraksi sebagian, saya terkejut menemukan bahwa praktis tidak ada yang mempertimbangkan potensi kesalahan—dan keangkuhan—dengan menganggap bahwa hanya materi biasa yang menunjukkan keragaman jenis partikel dan interaksi. Beberapa fisikawan telah mencoba menganalisis model, seperti “materi gelap cermin”, yang menampilkan materi gelap yang meniru segala sesuatu tentang materi biasa. Namun contoh seperti ini agak spesifik dan eksotis. Implikasinya sulit untuk didamaikan dengan semua yang kita ketahui.

 

Sebuah komunitas kecil fisikawan telah mempelajari model yang lebih umum dari interaksi materi gelap. Namun, mereka bahkan beranggapan bahwa semua materi gelap itu sama dan karena itu mengalami kekuatan yang identik. Tidak ada yang mengizinkan kemungkinan yang sangat sederhana bahwa meskipun sebagian besar materi gelap tidak berinteraksi, sebagian kecil darinya mungkin.

 

Salah satu alasan potensial mungkin terlihat. Kebanyakan orang akan mengharapkan jenis materi gelap baru menjadi tidak relevan dengan fenomena yang paling terukur jika komponen tambahan hanya merupakan sebagian kecil dari persediaan materi gelap. Bahkan tanpa mengamati komponen dominan materi gelap, memikirkan diri sendiri dengan konstituen yang lebih kecil mungkin tampak prematur.

 

Walakin ketika Anda ingat bahwa materi biasa hanya membawa sekitar 20 persen energi materi gelap—namun pada dasarnya itulah yang sebagian besar dari kita perhatikan—Anda dapat melihat di mana letak kesalahan logika ini. Materi yang berinteraksi melalui gaya non-gravitasi yang lebih kuat dapat menjadi lebih menarik dan lebih berpengaruh bahkan daripada sejumlah besar materi yang berinteraksi secara lemah.

 

Kita telah melihat bahwa ini berlaku untuk materi biasa. Materi biasa terlalu berpengaruh mengingat kelimpahannya yang sedikit karena ia runtuh menjadi piringan materi padat tempat bintang, planet, Bumi, dan bahkan kehidupan dapat terbentuk. Komponen materi gelap yang bermuatan—meski tidak terlalu melimpah—dapat runtuh membentuk cakram seperti yang terlihat di Bima Sakti juga. Bahkan mungkin terfragmentasi menjadi objek seperti bintang. Struktur seperti cakram baru ini pada prinsipnya dapat diamati, dan bahkan mungkin terbukti lebih mudah diakses daripada komponen materi gelap dingin dominan konvensional yang tersebar lebih menyebar dalam lingkaran halo bulat yang sangat besar.

 

Begitu Anda mulai berpikir seperti ini, kemungkinannya dengan cepat berlipat ganda. Bagaimanapun, elektromagnetisme hanyalah salah satu dari beberapa gaya non-gravitasi yang dialami oleh partikel Model Standar. Selain gaya yang mengikat elektron ke inti, partikel Model Standar dunia kita berinteraksi melalui gaya nuklir lemah dan kuat. Masih ada lebih banyak kekuatan yang mungkin ada di dunia materi biasa, tetapi mereka harus sangat lemah pada energi yang dapat diakses karena sejauh ini, tidak ada yang mengamati tanda-tandanya. Tetapi bahkan kehadiran tiga gaya non-gravitasi menunjukkan bahwa sektor gelap yang berinteraksi juga mungkin mengalami gaya non-gravitasi selain hanya elektromagnetisme gelap.

 

Mungkin gaya tipe nuklir bekerja pada partikel gelap selain yang tipe elektromagnetik. Dalam skenario yang lebih kaya ini, bintang gelap dapat terbentuk yang mengalami pembakaran nuklir untuk menciptakan struktur yang berperilaku lebih mirip dengan materi biasa daripada materi gelap yang telah saya jelaskan sejauh ini. Dalam hal ini, piringan gelap dapat diisi oleh bintang-bintang gelap yang dikelilingi oleh planet-planet gelap yang terdiri dari atom-atom gelap. Materi gelap disk ganda kemudian mungkin memiliki semua kompleksitas yang sama dengan materi biasa.

 

Materi gelap yang berinteraksi sebagian tentu saja menjadi lahan subur untuk spekulasi dan mendorong kita untuk mempertimbangkan kemungkinan yang mungkin tidak kita miliki. Penulis dan penonton Drama Korea khususnya akan menemukan skenario dengan kekuatan tambahan dan konsekuensi di sektor gelap yang sangat menarik. Mereka mungkin bahkan akan menyarankan kehidupan gelap yang hidup berdampingan dengan kita sendiri. Dalam skenario ini, daripada makhluk animasi biasa yang melawan makhluk animasi lain atau pada kesempatan langka bekerja sama dengan mereka, pasukan makhluk materi gelap dapat berbaris melintasi layar dan memonopoli semua aksi.

 

Walakin ini tidak akan terlalu menarik untuk ditonton. Masalahnya adalah para sinematografer akan kesulitan merekam kehidupan gelap ini, yang tentu saja tidak terlihat oleh kita—dan bagi mereka. Bahkan jika makhluk gelap itu ada di sana (dan mungkin mereka pernah ada), kita tidak akan tahu. Anda tidak tahu betapa lucunya kehidupan materi gelap—dan Anda hampir pasti tidak akan pernah tahu.

 

Meskipun menghibur untuk berspekulasi tentang kemungkinan kehidupan yang gelap, jauh lebih sulit untuk menemukan cara untuk mengamatinya—atau bahkan mendeteksi keberadaannya dengan cara yang lebih tidak langsung. Cukup menantang untuk menemukan kehidupan yang terdiri dari hal-hal yang sama dengan kita, meskipun pencarian planet ekstrasurya (exoplanet) sedang dilakukan dan berusaha keras. Namun, bukti kehidupan gelap, jika memang ada, akan jauh lebih sulit dipahami bahkan daripada bukti kehidupan biasa di alam yang jauh.

 

Beberapa waktu lalu para fisikawan-fisikawati akhirnya melihat gelombang gravitasi dari lubang hitam yang sangat besar. Mereka hampir tidak memiliki peluang untuk mendeteksi efek gravitasi makhluk gelap, atau bahkan pasukan makhluk gelap—tidak peduli seberapa dekat mereka semua.

 

Idealnya, entah bagaimana kita ingin berkomunikasi dengan sektor baru ini—atau membuatnya sesuai dengan kita dengan cara yang berbeda. Namun, jika kehidupan baru ini tidak mengalami kekuatan yang sama seperti yang kita alami, itu tidak akan terjadi. Meskipun kita berbagi gravitasi, gaya yang diberikan oleh benda kecil atau bentuk kehidupan hampir pasti terlalu lemah untuk dideteksi. Hanya objek gelap yang sangat besar, seperti piringan yang membentang di seluruh bidang Bima Sakti, yang dapat memiliki konsekuensi yang terlihat.

 

Objek gelap atau kehidupan gelap bisa sangat dekat—tetapi jika massa bersih benda gelap tidak terlalu besar, kita tidak akan tahu cara untuk mengetahuinya. Bahkan dengan teknologi terkini, atau teknologi apa pun yang saat ini dapat kita bayangkan, hanya beberapa kemungkinan yang sangat khusus yang dapat diuji. “Kehidupan bayangan”, menarik seperti itu, tidak selalu memiliki konsekuensi yang terlihat yang akan kita perhatikan, menjadikannya kemungkinan yang menggiurkan tetapi kebal terhadap pengamatan. Dalam keadilan, kehidupan yang gelap adalah tatanan yang tinggi. Penulis fiksi ilmiah mungkin tidak memiliki masalah dalam menciptakannya, tetapi alam semesta memiliki lebih banyak rintangan untuk diatasi. Dari semua kemungkinan kimia, sangat tidak jelas berapa banyak yang bisa menopang kehidupan, dan bahkan di antara yang bisa, kita tidak tahu jenis lingkungan yang diperlukan.

 

Walau begitu, kehidupan yang gelap pada prinsipnya bisa hadir—bahkan tepat di depan hidung kita. Tapi tanpa interaksi yang lebih kuat dengan masalah dunia kita, itu bisa berpesta atau berkelahi atau aktif atau lembam dan kita tidak akan pernah tahu. Namun hal yang menarik adalah jika ada interaksi di dunia gelap—apakah terkait dengan kehidupan atau tidak—efeknya pada struktur pada akhirnya dapat diukur. Dan kemudian kita akan belajar lebih banyak tentang dunia gelap.