Q&A: Dark Energy

Dark matter dan dark energy, topik yang semakin hangat dibicarakan orang-orang di jagad raya ini. Tidak ketinggalan, blog ini telah beberapa kali dibahas mengenai dua topik ini, terutama dark matter. Tidak heran beberapa pengunjung ada yang datang ke sini dari search engine dengan kata “dark matter”. Untuk memuaskan para pengunjung, saya terjemahkan secara lepas sebuah artikel yang dipublikasikan dalam majalah Nature edisi 2 Juni 2009 kemarin dalam rubrik “Q&A” (Question and Answer) yang membahas tentang dark matter dan dark energy. Tulisan ini saya bagi dua, yang pertama Q&A untuk dark matter dan kedua adalah Q&A untuk dark energy. Terjemahan ini bersifat subjektif (sesuai pemahaman saya), segala kesalahan mungkin dapat terjadi sehingga koreksi konstruktif dari para pembaca adalah masukan yang berharga.

Q&A: Dark Energy

Oleh Robert Carldwell (dep. physics and astronomy, Dartmouth College, Amerika Serikat) dan Marc Kamionkowski (California Institute of Technology, Amerika Serikat)

Sejumlah pengamatan terus-terusan mengindikasikan bahwa Alam Semesta didominasi oleh komponen-komponen takterlihat — dark matter (materi gelap) dan dark energy (energi gelap). Penjelasan terhadap kegelapan kosmik ini adalah sebuah prioritas bagi para astronom dan fisikawan.

Percepatan kosmik dan dark energy. Supernova tipe I, yang dihasilkan dari ledakan bintang kerdil putih, dijadikan sebagai kandela standar (standard candles, benda terang yang diketahui). Astronom menggunakan sifat ini untuk menghitung jarak supernova dari Bumi, berdasarkan tingkat terang yang teramati -- semakin redup benda terlihat, semakin jauh posisinya. Pengamatan menghasilkan bahwa supernova lebih redup daripada yang diperkirakan, pada kecepatan resesi tertentu. Hal ini mengantarkan para astronom pada kesimpulan bahwa pengembangan Alam Semesta mengalami percepatan semenjak lebih dari 5 milyar tahun yang lalu, sebelum Alam Semesta sempat mengalami perlambatan. Sebab percepatan kosmik ini dialamatkan pada dark energy.

Bagaimana dengan dark energy?

Pengamatan menemukan bahwa Alam Semesta mengembang (the expansion of the Universe, lihat Gambar) dan pengembangannya mengalami percepatan. Padahal, kalau mengingat sesama materi di Alam Semesta mengalami interaksi tarik-menarik (gaya gravitasi), seharisnya pengembangan ini melambat sebelum akhirnya berhenti dan beralih menjadi perlambatan.

Interpretasi yang banyak dipakai orang untuk fenomena ini adalah Alam Semesta kita diisi oleh sesuatu — dinamai dark energy— yang berupa ‘antigravitasi’. Sementara tolakan gravitasi tidak mungkin ada dalam hukum gravitasi Newton, tolakan gravitasi ada dalam teori Relativitas Umum (General Relavity oleh Einstein).

Kesamaan antara materi dan energi berarti bahwa tekanan gas yang disebabkan oleh termal (dari pergerakan molekul-molekul) dapat menjadi sebuah sumber medan gravitasi. Medan gravitasi dari sebuah fluida (gas adalah fluida) yang bertekanannegatif bersifat tolak-menolak.

Meskipun susah untuk membayangkan bagaimana pergerakan molekul dapat menghasilkan sebuah tekanan negatif, namun telah disadari bahwa sejumlah medan kuantum yang ada dalam teori partikel elementer memperbolehkan fluida bertekanan negatif. Jadi, dark energi sederhananya adalah fluida bertekanan negatif yang dipostulatkan untuk menjelaskan percepatan pengembangan Alam Semesta, atau percepatan kosmik.

Keterangan gambar: Percepatan kosmik dan dark energy. Supernova tipe I, yang dihasilkan dari ledakan bintang kerdil putih, dijadikan sebagai kandela standar (standard candles, benda terang yang diketahui). Astronom menggunakan sifat ini untuk menghitung jarak supernova dari Bumi, berdasarkan tingkat terang yang teramati — semakin redup benda terlihat, semakin jauh posisinya. Pengamatan menghasilkan bahwa supernova lebih redup daripada yang diperkirakan, pada kecepatan resesi tertentu. Hal ini mengantarkan para astronom pada kesimpulan bahwa pengembangan Alam Semesta mengalami percepatan semenjak lebih dari 5 milyar tahun yang lalu, sebelum Alam Semesta sempat mengalami perlambatan. Sebab percepatan kosmik ini dialamatkan pada dark energy.

Apakah taruhan terbaik untuk wujud dark energy?

Kandidat paling sederhana untuk dark energy adalah konstanta kosmologi Einstein, yang mengindikasikan adanya sebuah fluida yang seragam secara sempurna dengan tekanan negatif. Fluida ini terkait langsung dengan keadaan (state) energi terendah di Alam Semesta, yaitu keadaan vakum (vacuum state). Namun, secara pengamatan membutuhkan nilai konstanta kosmologi 10120 kali lebih kecil daripada nilai yang diharapkan secara teoritis.

Pilihan lain, dark energi mungkin disebabkan oleh sebuah fluida dari partikel yang takdiketahui, mirip dengan axion tapi massanya jauh lebih kecil — teori kuantum memprediksi bahwa partikel-partikel seperti itu dapat menghasilkan tekanan negatif yang dibutuhkan untuk mempercepat pengembangan kosmik.

Seberapa handal hukum-hukum gravitasi yang kita ketahui untuk ukuran kosmologi?

Teori Relativitas Umum berlaku. Teori ini sudah diuji dengan sangat hati-hati dalam Tata Surya, dan teori ini dipakai untuk memahami katalog astrofisis dan pengamatan kosmologis yang luar biasa banyaknya.

Hanya saja, kesuksesan teori Relativitas Umum tidak menghalangi kemungkinan terjadinya variasi dalam hukum-hukum graviasi untuk ukuran kosmologi. Sebuah kotak pandora tentang teori-teori gravitasi telah diusulkan untuk menjelaskan percepatan pengembangan kosmik. Tapi, ternyata sulit untuk mengotak-atik gravitasi tanpa merusak tingkat ketelitian yang disyarakat dalam Tata Surya, dan sejauh ini belum ada alternatif teori yang meyakinkan.

Dapatkan dark matter dan dark energy terkait satu dengan yang lain?

Masuk akal untuk mempertimbangkan kemungkinan sebuah “sektor gelap” (dark sector), di luar Model Baku (the Standard Model) fisika partikel, mengandung sebuah partikel dark matter dan medan dark energi. Baik dark matter ataupun dark energi sepertinya membutuhkan sumber medan gravitasi yang belum diketahui, satu tarik-menarik dan yang lain tolak-menolak, tapi belum ada usulan yang meyakinkan yang dapat menyatukan dua fenomena ini.

Dapatkah percepatan kosmik disebabkan oleh fenomena lain?

Kita boleh mempertimbangkan bentuk-bentuk baru gravitasi (seperti ada bentuk gravitasi yang dihasilkan oleh materi normal tapi memberikan efek antigravitasi yang sama dengan dark energi), efek elektromagnetik baru (seperti supernova meredup secara artifisial; lihat Gambar), atau ada sejumlah kesalahan dalam asumsi-asumsi dasar kita (seperti Alam Semesta yang homogendan isotropis secara statisik dalam ukuran yang terbesar). Kondisi pengamatan sekarang tidak merujuk pada salah satu alternatif tersebut, tapi kita tetap harus berpikiran terbuka.

Apakah observasi terbaru telah membantu menyelesaikan masalah dark energy?

Pengamatan “osilasi akustik barion” (baryon acoustic oscillations) telah digunakan untuk meyakinkan dan memperbaiki bukti percepatan kosmik. Riakan-riakan kosmik ini — dibuat oleh gelombang suara dari zaman dahulu kala (primordial) — tercetak pada CMB dan pada pola distribusi galaksi-galaksi. Kita dapat mengukur bagaimana panjang gelombang dari riakan (gelombang suara tersebut) bervariasi terhadap jarak dari Bumi. Hasilnya dapat diplot dalam bagan sejarah percepatan kosmik.

Eksperimen apa yang dapat menolong untuk menentukan sifat dark energy?

Ada semacam kesepatakan taktertulis untuk mengumpulkan penjelasan-penjelasan teoritis mengenai fisika yang mendasari percepatan kosmis, jadi pendekatan yang dilakukan sejauh ini adalah mengumpulkan lebih banyak data yang sejenis dengan harapan akan muncul petunjuk tertentu.

Terlepas dari penggunaan supernova dan osilasi akustik barion, juga sedang berlangsung metode-metode lain yang mengukur kelajuan kluster materi normal dan dark matter di bawah pengaruh gravitasi di dalam Alam Semesta yang mengembang. Sebuah teknik yang menjanjikan adalah menggunakan lensa gravitasi dalam daerah ‘lemah’ untuk menentukan batas-batas dark energy. Di daerah lemah ini, cahaya tidak dibelokkan dengan tajam — pembelokan cahaya menghasilkan gambar-gambar terdistorsi dalam bentuk lengkungan memanjang. Gambar-gambar dari sumber-sumber cahaya yang jauh hanya terenggang dan diperbesar oleh materi di depannya (si ‘lensa’).

Teknik lainnya adalah menggunakan emisi sinar-X dari gas panas di dalam kluster galaksi untuk menentukan kedalaman sumur potensial gravitasi tiap-tiap galaksi. Tapi terlepas dari harapan yang diberikan oleh metode ini, menentukan fisika yang menjadi dasar dari percepatan kosmik adalah perkara yang sulit. Di sisi lain, cuma metode ini satu-satunya cara untuk menyelesaikan permasalan yang menantang dan fundamental ini.

Sebelumnya “Q&A: Dark Matter

Author: febdian RUSYDI

a physicists, a faculty, a blogger.

One thought on “Q&A: Dark Energy”

Leave a Reply