Menerobos Batas Astrofisika: Menguji Relativitas dan Paradigma Materi Gelap

Para ilmuwan berhasil merekam sinyal gelombang gravitasi terkeras dari gabungan dua lubang hitam yang berjarak sekitar 1,3 miliar tahun cahaya dari Bumi. Peristiwa ini dilaporkan sebagai GW250114 dan terdeteksi oleh observatorium LIGO di Amerika Serikat pada Januari 2025. Sinyal yang sangat jelas ini memungkinkan pengujian teori gravitasi Einstein dengan tingkat ketelitian yang belum pernah terjadi sebelumnya. Salah satu alasan sinyal ini sangat jelas adalah karena peningkatan teknologi dan peralatan LIGO selama lebih dari satu dekade. Peningkatan ini mengurangi gangguan dari suara atau getaran seperti gempa bumi dan bahkan truk yang melintas, sehingga sinyal gelombang gravitasi yang sangat kecil dapat terdeteksi dengan presisi tinggi. Para peneliti dapat mengamati fase ringdown dari gelombang gravitasi, yaitu saat lubang hitam baru yang terbentuk bergetar dan mengeluarkan gelombang gravitasi dalam pola tertentu. Mereka menemukan dua tone utama dan juga tone pendek yang disebut overtone, seperti yang diprediksi oleh teori relativitas umum Einstein. Selain itu, hasil mengkonfirmasi prediksi besar dari Stephen Hawking bahwa luas permukaan lubang hitam tidak akan berkurang setelah dua lubang hitam bergabung, melainkan justru bertambah. Hal ini membuktikan bahwa teori fisika lubang hitam tetap konsisten pada event ini. Ke depan, para ilmuwan berharap alat lebih canggih seperti Einstein Telescope, Cosmic Explorer, dan LISA dapat memberikan data lebih banyak dan lebih lengkap. Data tersebut dapat membantu mengungkap apakah ada fenomena baru yang berbeda dari prediksi Einstein, yang nantinya akan mengarah pada pemahaman gravitasi dan alam semesta yang lebih dalam.

Para ilmuwan baru-baru ini mendeteksi sinyal yang diduga berasal dari sebuah pulsar di pusat galaksi kita, Bima Sakti. Pulsar adalah inti bintang yang sangat padat dan berputar sangat cepat, mengirimkan sinyal radio seperti lampu mercusuar yang berkelip-kelip ke Bumi. Pulsar yang ditemukan tersebut berputar setiap 8.19 milidetik dan berada sangat dekat dengan Sagittarius A*, sebuah lubang hitam supermasif yang massanya mencapai 4 juta kali Matahari. Ini adalah pertama kalinya ada kemiripan sinyal pulsar dari pusat galaksi yang sangat padat dan kompleks ini. Penemuan ini sangat penting karena melalui sinyal pulsar, para peneliti bisa mengamati bagaimana ruang dan waktu melengkung akibat gravitasi superkuat dari lubang hitam. Fenomena tersebut terkait langsung dengan prediksi teori relativitas umum karya Albert Einstein. Penelitian yang dipimpin oleh Karen Perez dan dipublikasikan di The Astrophysical Journal menjelaskan bahwa mereka mengandalkan data Breakthrough Listen, sebuah program pencarian sinyal luar angkasa yang membagikan data secara terbuka agar para ilmuwan bisa melakukan analisis independen. Meskipun sinyal ini harus dikonfirmasi lebih lanjut apakah benar-benar berasal dari pulsar, penemuan awal ini membuka jalan bagi studi baru tentang gravitasi ekstrem dan mungkin memperkuat pengujian teori relativitas secara presisi yang belum pernah dilakukan sebelumnya.

Para ilmuwan telah lama mendalami misteri materi gelap, yang membentuk sebagian besar isi alam semesta, namun masih belum diketahui secara pasti apa bentuk aslinya. Teori cold dark matter (CDM) telah menjadi teori utama yang menjelaskan bagaimana materi gelap membentuk struktur di alam semesta. Namun, teori ini mengalami tantangan terutama dalam menjelaskan fenomena aneh pada galaksi kecil dan bentuk putaran mereka. Untuk memahami lebih jauh tentang materi gelap, para peneliti menggunakan metode yang dinamakan gravitational lensing, yaitu pengamatan cahaya yang terbelokkan saat melewati massa besar yang tidak terlihat. Penelitian terbaru yang menganalisis cahaya dari 11 galaksi menemukan bahwa model materi gelap yang berbentuk halus dan terpusat pada CDM tidak cocok dengan data yang diperoleh. Sebaliknya, model fuzzy dark matter (FDM) yang menggambarkan materi gelap sebagai gelombang kuantum sangat ringan dan halus lebih cocok menjelaskan pola pembelokan cahaya tersebut. Dalam model ini, materi gelap tidak berbentuk partikel tunggal yang padat, melainkan seperti kabut gelombang yang lebih halus dan bergerak layaknya ombak di air. Hasil ini sangat berpengaruh karena bila benar, maka pengertian kita tentang alam semesta dan pembentukan galaksi harus diubah secara mendasar. FDM memberikan gambaran baru bahwa alam semesta tersusun dari elemen kuantum yang lebih rumit dan kaya daripada yang sebelumnya dipahami dengan CDM. Para ilmuwan kini perlu melakukan penelitian lanjutan untuk memastikan temuan ini dan meneliti bagaimana materi gelap jenis ini berinteraksi dengan materi biasa. Jika hasilnya konsisten, hal ini bisa membuka pintu bagi penemuan partikel-partikel baru dan memberi dampak besar pada teori fisika dan kosmologi.

Banyak ilmuwan selama ini meyakini bahwa sebagian besar materi di alam semesta adalah materi gelap yang terdiri dari partikel kecil lambat dalam teori yang disebut cold dark matter (CDM). Namun, teori ini menghadapi sejumlah masalah ketika menjelaskan gerakan galaksi kecil dan struktur kosmik tertentu. Para peneliti melakukan studi baru menggunakan data lensa gravitasi, sebuah fenomena dimana cahaya dari galaksi jauh dibengkokkan oleh gravitasi objek masif di antara sumber dan pengamat. Mereka ingin melihat apakah data tersebut lebih mendukung CDM yang halus, self-interacting dark matter, atau teori fuzzy dark matter (FDM). Hasilnya sangat mengejutkan karena model CDM yang sebelumnya dipercaya kurang cocok dengan data pengamatan. Sebaliknya, data menunjukkan preferensi kuat terhadap teori fuzzy dark matter yang menggambarkan materi gelap bukan partikel, tapi berupa gelombang kuantum super ringan yang menciptakan pola kabur pada skala kosmik. Jika fuzzzy dark matter benar, konsep materi gelap sebagai partikel diskret harus direvisi, dan alam semesta mungkin sebenarnya berfungsi seperti samudera gelombang kuantum yang sangat halus. Ini juga berarti kita harus memikirkan ulang model pembentukan galaksi dan bagaimana materi gelap berinteraksi dengan materi biasa. Penemuan ini masih perlu dikonfirmasi lebih lanjut oleh studi lain. Namun, ini merupakan kemajuan penting yang bisa menggiring ilmuwan pada pemahaman baru tentang alam semesta yang lebih kompleks dan aneh daripada yang kita bayangkan sebelumnya.

Para astronom menggunakan James Webb Space Telescope (JWST) untuk memetakan bagian terbesar dari dark matter yang pernah tersurvei, khususnya di daerah konstelasi Sextans. Dark matter sulit diamati secara langsung karena tidak memancarkan cahaya, namun pengaruh gravitasi pada materi biasa memungkinkan para ilmuwan memetakan keberadaannya. Mereka melakukan pengamatan selama 255 jam yang menghasilkan identifikasi sekitar 800.000 galaksi, jumlah ini jauh lebih banyak dibandingkan yang bisa dideteksi oleh teleskop lain seperti Hubble maupun teleskop dari bumi. Data tersebut membantu menghasilkan peta rinci bagaimana dark matter menciptakan 'kerangka' alam semesta. Pemetaan ini menegaskan bagaimana dark matter memulai proses mengerumun sehingga menarik materi biasa dan akhirnya membentuk tempat-tempat yang padat yang memungkinkan pembentukan bintang dan galaksi. Temuan ini menegaskan peran penting dark matter dalam evolusi alam semesta. Studi ini juga memperlihatkan bahwa tanpa dark matter, elemen penting yang memungkinkan kehidupan di galaxy kita mungkin tidak ada. Hal ini memperkuat nilai dan urgensi pemetaan lebih lanjut untuk memahami keberadaan dan dampak dark matter. Ke depannya NASA akan menggunakan teleskop Nancy Grace Roman untuk memetakan area yang jauh lebih luas meski dengan detail yang lebih rendah, sebagai kelanjutan dari studi ini untuk membuka wawasan yang lebih besar tentang alam semesta.

Para astronom telah lama bingung mengapa galaksi Andromeda justru bergerak mendekati Bima Sakti dengan sangat cepat, sementara galaksi besar lain yang dekat dengan kita justru menjauh mengikuti ekspansi alam semesta. Fenomena ini bertentangan dengan Hukum Hubble yang menyatakan bahwa galaksi semakin jauh harusnya bergerak semakin cepat menjauh dari kita. Penelitian terbaru menemukan bahwa ada sebuah lempeng datar besar yang terdiri dari materi gelap dan materi biasa yang terletak di sekitar Grup Lokal, yaitu kumpulan galaksi yang mencakup Bima Sakti dan Andromeda. Materi gelap ini tidak hanya berperan sebagai massa tersembunyi, tetapi juga tersebar secara datar, bukan seragam atau berbentuk bola. Karena bentuknya yang datar, lempeng materi gelap tersebut memberikan gaya gravitasi ke arah luar yang seimbang dengan gaya tarik dari Bima Sakti dan Andromeda. Akibatnya, galaksi-galaksi yang terletak lebih jauh dari lempeng ini malah terdorong menjauh lebih cepat ketimbang yang diprediksi Hukum Hubble, menjelaskan gerakan aneh galaksi-galaksi di sekitar. Di atas dan bawah lempeng itu juga terdapat wilayah yang sangat jarang galaksi atau disebut void. Daerah-daerah kosong ini berkembang lebih cepat dan mendorong materi serta galaksi menjauh. Maka, tidak ada galaksi lain yang berada dalam jalur untuk bertabrakan dengan Bima Sakti kecuali Andromeda yang memang berada dalam orbit tarik-menarik tersebut. Simulasi komputer yang dibuat menggunakan data awal alam semesta berhasil mereplikasi dinamika dan posisi galaksi di sekitar Grup Lokal, sehingga model ini semakin memperkuat pemahaman kita akan peran materi gelap dalam membentuk struktur dan gerak galaksi di alam semesta sekitar kita.