In Search Of Dark Matter (Pencarian Dark Matter) - Ken Freeman & Geoff Mcnamara [#48]

 Bab 13 : Pada Mulanya...

Latar gelombang mikro kosmik

Latar gelombang mikro kosmik kini lebih dari sekadar teori. Pada ketika radiasi dan bahan berpisah, benih-benih struktur skala besar ada pada tempatnya, dan benih-benih ini mempengaruhi lintasan foton-foton cahaya yang terbebas secara tiba-tiba. Kita masih sanggup melihat foton ini hari ini sebagai latar seragam gelombang mikro yang menyelimuti seluruh angkasa. Latar gelombang mikro kosmik (CMB) ini diprediksikan dalam teori Big Bang, dan ditemukan oleh Arno Penzias dan Robert Wilson di tahun 1955. Pada 1992, observasiobservasi yang dilakukan satelit Cosmic Backgrund Explorer (COBE) menemukan fluktuasi-fluktuasi dalam CMB yang mengungkap mereka sebagai titik panas dan hambar yang berselisih temperatur sangat kecil (0,00003 K) dan berukuran mulai dari seperempat angkasa hingga dengan area seukuran uluran tangan Anda. Fluktuasi-fluktuasi ini merupakan bukti iregularitas dalam distribusi bahan di Alam Semesta awal – benih-benih struktur skala besar yang kita lihat hari ini. Sejak temuan COBE tersebut, lusinan observasi high-resolution terpisah menegaskan dan mempertajam pandangan kita atas latar gelombang mikro kosmik. Tapi terperinci sekali yang paling sukses ialah WMAP, yang kami bahas singkat di Bab 8.

Dinamai dengan nama kosmolog David Wilkinson, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) diluncurkan pada Juni 2001 dan ditempatkan di titik stabil di ruang angkasa, 1,5 kilometer dari Bumi di sisi jauh dari Matahari. Dengan Matahari, Bumi, dan Bulan senantiasa tersembunyi dari bidang pandang berkat sebuah perisai protektif, dari titik menguntungkan itu WMAP menghasilkan peta CMB paling akurat dan menakjubkan. Selisih temperatur 0,00002 K terpetakan hingga resolusi 0,3 – lebih kecil dari lebar uluran jari kelingking Anda.

Di mana semuanya berawal? Citra radiasi gelombang
mikro latar kosmik ini – peta angkasa paling manis
dan paling detail mengenai cahaya tertua di Alam
Semesta – diperoleh dengan memakai
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).
Radiasi gelombang mikro yang tertangkap dalam
peta ini berasal dari 380.000 tahun sehabis Big Bang,
lebih dari 13 miliar tahun lampau. Data tersebut
menampilkan, dalam resolusi tinggi, benih-benih yang
menghasilkan struktur kosmik yang kita lihat hari ini.
Pola-pola ini melambangkan perbedaan temperatur
kecil dalam latar gelombang mikro kosmik yang
tersebar merata yang memandikan Alam Semesta,
yang kini rata-rata hanya sekitar 2,73 derajat
di atas nol absolut. WMAP menjelaskan fluktuasi
temperatur yang tipis, yang berubah ubah hanya
sebesar permiliaran derajat. (Courtesy NASA)

WMAP punya satu tujuan utama: menunjukan parameter-parameter bebas model Alam Semesta ala Big Bang. Walaupun model ini merupakan klarifikasi manis atas apa yang kita lihat hari ini, namun, sebagaimana kita ketahui, terdapat banyak ruang untuk perbedaan. Satu-satunya cara untuk memilih bagaimana Alam Semesta berkembang ialah melalui observasi cahaya purba dari Big Bang – CMB. Dengan mempelajari bagaimana temperatur bervariasi dengan skala angular berbeda-beda, kosmolog sanggup menguji banyak sekali paramater mendasar untuk memilih apakah parameter tersebut cocok dengan apa yang WMAP lihat. (Kita akan membahas lebih bersahabat apa yang dikatakan WMAP mengenai Alam Semesta nanti di pecahan terakhir dongeng kita.)

Galaksi dan gugus galaksi terbuat dari bahan baryon, dan bahan ini telah tertarik ke tempat berdensitas lebih tinggi. Karena bahan baryon hanya tersedia sedikit, tidak akan cukup untuk terkumpul cepat untuk menjelma struktur-struktur yang kita lihat hari ini dalam seumur hidup Alam Semesta. Pasti ada bantuan; dan dark matter memenuhi syarat itu dengan baik. Ingat bahwa dark matter tidak terpengaruh oleh radiasi – bagaimanapun, ia gelap – tapi terpengaruh oleh gravitasi. Dark matter akan dengan gampang menciptakan jalannya menuju fluktuasi densitas yang ada di sekitar, tak terganggu oleh radiasi jago Alam Semesta awal terhadap kawasan-kawasan padat. Di sana ia menambah bobot bahan baryon yang berkumpul, membantu menarik lebih banyak material sehingga suatu hari menjelma galaksi, bintang, dan kita.

Dari apa Alam Semesta terbuat? Setelah berdekade-
dekade menilik dark matter sebagai konstituen
terbesar Alam Semesta, kini kita mungkin harus
bersedia mendapatkan fakta bahwa bahan bahkan bukan
komponen mayoritas Alam Semesta. (Courtesy NASA)

Salah satu faktor penentu terpenting ialah urutan perkembangan struktur di Alam Semesta. Apakah top-down atau bottom-up? Dengan top-down, struktur-struktur paling besar terbentuk lebih dahulu, dan kemudian struktur berskala lebih kecil rontok dari mereka. Bottom-up ialah kebalikannya, struktur-struktur paling kecil terbentuk lebih dahulu dan berakumulasi membentuk struktur skala besar.

Jika Alam Semesta didominasi oleh dark matter panas, maka itu ialah skenario top-down. Alasannya ialah HDM bergerak begitu cepat sehingga cenderung membuatkan dirinya di sekeliling Alam Semesta ketimbang terikat oleh pulau-pulau kecil bahan baryon. Ini sangat cocok dengan observasi Alam Semesta hari ini. Meski Alam Semesta mempunyai struktur, pada skala besar ia kurang-lebih sama ke mana pun Anda memandang; dengan kata lain, halus. Ini serupa dengan memikirkan permukaan Bumi. Meski mempunyai pegunungan besar dan lautan dalam, iregularitas-iregularitas ini cukup kecil dibandingkan dengan ukuran Bumi. Ini ialah sekarang, tapi di masa kemudian segalanya berbeda. Observasi yang dilakukan COBE dan WMAP menunjukkan bahwa struktur-struktur kecil terbentuk sangat awal, dan bukan terakhir, dalam sejarah Alam Semesta. Di Alam Semesta awal, partikel-partikel HDM bergerak terlalu cepat untuk berkumpul menjadi gumpalan-gumpalan berukuran menyerupai yang terukur oleh COBE dan WMAP. Ada satu jalan keluar yang mungkin dari problema ini, yaitu jikalau ‘cacat topologis’ menyerupai string kosmik memainkan peranan penting dalam pembentukan struktur. Namun, ini hampir tidak mungkin.

Dark matter dingin, di sisi lain, menyediakan medium lebih baik di mana ketidakhomogenan ini sanggup berkembang dengan benar menjadi struktur skala besar sempurna. Mereka memungkinkan Alam Semesta berkembang secara bottom-up. Partikel-partikel CDM, berdasarkan definisi, bergerak lambat dibanding partikel-partikel HDM, dan pada ketika struktur mulai terbentuk, mereka bergerak cukup lambat untuk dijebak oleh genangan gravitasi yang dihasilkan oleh bahan baryon. Karena itu, struktur-struktur lebih kecil terbentuk lebih dahulu, dan secara perlahan berakumulasi menjadi struktur lebih besar. Skenario ini cocok dengan observasi radiasi gelombang mikro latar kosmik.

Pada ketika ini, teori tidak menyukai Alam Semesta yang didominasi oleh dark matter panas; tapi mesti dipahami bahwa teori-teori ini berubah hampir secepat transisi-transisi yang mereka coba prediksikan, jadi perlu beberapa waktu sebelum seseorang sanggup menyampaikan secara yakin pendapat mana, dark matter panas atau dingin, yang akan gugur. Meski demikian, hasil-hasil dari WMAP mengindikasikan secara besar lengan berkuasa bahwa dark matter hambar ialah kontributor paling besar.

Jadi apakah ini selesai cerita? Sudahkah duduk kasus dark matter kesannya terpecahkan? Sungguh tidak. Kelihatannya cukup beralasan bila kita ketika ini tak hanya mengetahui di mana dark matter berada, tapi juga, pada akhirnya, apa ia. Diekspresikan dalam istilah densitas kritis, Alam Semesta mengandung 4% bahan baryon dan 23% dark matter dingin. Dan para ilmuwan masih berpegang teguh pada Alam Semesta berdensitas kritis. Tapi jikalau kita hidup dalam Alam Semesta demikian, apa yang menyusun sisa 73%-nya? Apa penyusun utama Alam Semesta? Ini merupakan subjek pecahan selanjutnya dan terakhir dalam dongeng kita.