2 days ago
7
Fenomena misterius di pusat Bima Sakti bisa menjadi petunjuk keberadaan kandidat baru materi gelap.(NASA)
FENOMENA aneh yang terjadi di pusat Bima Sakti bisa menjadi bukti kuat keberadaan kandidat baru materi gelap. Jika teori ini benar, para ilmuwan mungkin melewatkan dampak halus materi gelap terhadap kimia kosmik.
Kandidat materi gelap yang baru diusulkan ini tidak hanya lebih ringan dibandingkan kandidat hipotetis sebelumnya, tetapi juga dapat saling memusnahkan. Artinya, ketika dua partikel materi gelap bertemu, mereka saling menghancurkan dan menghasilkan elektron bermuatan negatif serta pasangan positifnya, yaitu positron.
Proses ini, serta banjir elektron dan positron yang dihasilkannya, dapat memberikan energi yang diperlukan untuk mengionisasi atom-atom netral—proses yang disebut ionisasi—di gas padat di pusat Bima Sakti. Hal ini bisa menjelaskan mengapa terdapat begitu banyak gas terionisasi di wilayah pusat yang disebut Zona Molekuler Pusat (Central Molecular Zone/CMZ).
Meskipun peristiwa pemusnahan materi gelap jarang terjadi, secara logis fenomena ini akan lebih sering terjadi di pusat galaksi, tempat materi gelap diperkirakan berkumpul.
“Kami mengusulkan bahwa materi gelap yang massanya lebih ringan daripada proton (partikel yang terdapat di inti atom) bisa menjadi penyebab efek tak biasa yang terlihat di pusat Bima Sakti,” kata Dr. Shyam Balaji, peneliti dari King's College London, kepada Space.com. “Tidak seperti sebagian besar kandidat materi gelap yang sering dipelajari melalui efek gravitasinya, bentuk materi gelap ini mungkin mengungkap keberadaannya dengan mengionisasi gas di CMZ."
Dampak Materi Gelap terhadap Kimia Kosmik
Materi gelap diyakini menyusun sekitar 85% dari total materi di alam semesta. Namun, meskipun jumlahnya melimpah, para ilmuwan belum bisa "melihat" materi gelap seperti halnya materi biasa. Ini karena materi gelap tidak berinteraksi dengan cahaya—atau jika berinteraksi, interaksinya sangat lemah dan jarang terjadi.
Satu-satunya alasan ilmuwan yakin materi gelap ada adalah karena pengaruh gravitasinya yang dapat memengaruhi cahaya dan materi biasa. Hal ini mendorong para peneliti untuk mencari partikel di luar Model Standar Fisika Partikel yang dapat menjelaskan materi gelap.
Berbagai kandidat materi gelap telah diusulkan dengan karakteristik dan massa yang berbeda. Beberapa, seperti kandidat baru ini, diperkirakan dapat saling memusnahkan.
Saat ini, kandidat utama materi gelap adalah axion dan partikel mirip axion, yang memiliki berbagai rentang massa. Namun, Balaji dan timnya telah menyingkirkan axion sebagai penyebab ionisasi gas di CMZ.
“Sebagian besar model axion tidak memprediksi pemusnahan yang menghasilkan pasangan elektron-positron seperti yang dilakukan kandidat materi gelap yang kami usulkan,” jelas Balaji. “Materi gelap yang kami usulkan memiliki massa di bawah 1 GeV (1 miliar eV) dan saling memusnahkan untuk menghasilkan elektron dan positron."
“Hal ini membuatnya unik karena dapat memengaruhi medium antarbintang secara langsung, menciptakan tanda ionisasi tambahan, yang biasanya tidak terjadi pada axion.”
Materi Gelap: Musuh bagi Dirinya Sendiri?
Di CMZ yang sangat padat, positron yang dihasilkan tidak bisa bergerak jauh atau melarikan diri sebelum berinteraksi dengan molekul hidrogen di sekitarnya, melepaskan elektron mereka. Ini membuat proses ionisasi di wilayah pusat galaksi menjadi lebih efisien.
“Masalah terbesar yang coba dijelaskan oleh model ini adalah kelebihan ionisasi di CMZ,” kata Balaji. “Biasanya, gas diionisasi oleh sinar kosmik, tetapi dalam kasus ini, sinar kosmik tidak cukup kuat untuk menjelaskan tingginya tingkat ionisasi yang kita amati.”
Sinar kosmik adalah partikel bermuatan yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Namun, menurut tim Balaji, sinyal ionisasi dari CMZ tampaknya berasal dari sumber yang bergerak lebih lambat dan lebih ringan dibandingkan kandidat materi gelap lainnya.
Jika sinar kosmik yang bertanggung jawab atas ionisasi di CMZ, seharusnya ada emisi sinar gamma yang menyertainya. Namun, pengamatan terhadap CMZ tidak menemukan emisi sinar gamma tersebut.
“Jika materi gelap bertanggung jawab atas ionisasi di CMZ, itu berarti kita mendeteksi materi gelap bukan dengan melihatnya, tetapi dengan mengamati dampaknya terhadap kimia gas di galaksi kita,” jelas Balaji.
Ada juga cahaya gamma samar dari Pusat Galaksi yang belum terjelaskan. Cahaya ini mungkin terkait dengan keberadaan positron dan proses ionisasi.
“Jika kita menemukan hubungan langsung antara ionisasi dan emisi sinar gamma ini, itu bisa memperkuat bukti materi gelap,” kata Balaji. “Saat ini, ada beberapa korelasi antara kedua sinyal ini, tetapi kami masih membutuhkan lebih banyak data sebelum bisa membuat kesimpulan yang lebih kuat.”
Selain itu, model pemusnahan materi gelap ini juga dapat menjelaskan emisi cahaya khas dari CMZ yang berasal dari kombinasi positron dan elektron menjadi positronium, yang kemudian dengan cepat terurai menjadi sinar-X.
“Angka-angkanya cocok jauh lebih baik dari yang kami duga. Biasanya, teori materi gelap sering menghadapi masalah karena memprediksi sinyal yang seharusnya sudah terdeteksi oleh teleskop,” kata Balaji. “Namun dalam kasus ini, tingkat ionisasi yang dihasilkan oleh materi gelap di bawah 1 GeV cocok secara sempurna dengan batasan yang telah diketahui, tanpa bertentangan dengan pengamatan sinar gamma dan radiasi latar gelombang mikro kosmik (CMB).”
Balaji juga menambahkan adanya hubungan dengan emisi sinar-X sangat menarik. “Ini adalah situasi yang langka dan menggembirakan dalam penelitian materi gelap,” tambahnya.
Kandidat Materi Gelap Baru: Awal dari Perjalanan Panjang
Kandidat materi gelap yang baru diusulkan ini masih berada di tahap awal pengembangan teoritis—bahkan belum memiliki nama keren seperti WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) atau MACHO (Massive Compact Halo Object).
Sebagai perbandingan, axion pertama kali diusulkan oleh fisikawan Frank Wilczek dan Steven Weinberg pada tahun 1978. Ini berarti masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan sebelum kandidat baru ini bisa masuk ke daftar utama kandidat materi gelap.
“Kami memerlukan pengukuran ionisasi di CMZ yang lebih akurat. Jika kita bisa memetakan ionisasi dengan lebih tepat, kita bisa melihat apakah distribusinya sesuai dengan yang diprediksi oleh model materi gelap,” kata Balaji.
Bukti lebih lanjut tentang hubungan antara materi gelap yang saling memusnahkan dan emisi aneh dari CMZ mungkin bisa ditemukan oleh teleskop luar angkasa COSI (Compton Spectrometer and Imager) milik NASA, yang dijadwalkan diluncurkan pada 2027.
COSI akan memberikan data yang lebih baik tentang proses astrofisika pada skala MeV (1 juta eV), yang dapat membantu mengonfirmasi atau menolak teori ini.
“Materi gelap tetap menjadi salah satu misteri terbesar dalam fisika, dan penelitian ini menunjukkan bahwa kita mungkin telah mengabaikan dampak kimiawi halusnya terhadap alam semesta,” kata Balaji.
“Jika teori ini benar, itu bisa membuka cara baru untuk mempelajari materi gelap—bukan hanya melalui gravitasinya, tetapi juga melalui bagaimana ia membentuk struktur galaksi kita.” (Space/Z-2)
