In Search Of Dark Matter (Pencarian Dark Matter) - Ken Freeman & Geoff Mcnamara [#47]

Bab 13 : Pada Mulanya...

Peran apa yang dimainkan dark matter di Alam Semesta secara keseluruhan? Kita telah melihat bahwa ia mendominasi dinamika galaksi dan gugus galaksi hari ini, dan bahwa apapun ia, ia melebihi bobot bahan baryon dengan rasio sekurangnya 6:1. Tapi apakah ia punya peranan lebih besar untuk dimainkan dalam evolusi Alam Semesta di masa depan, atau sudahkah ia memainkan tugas penting di masa lalu? Jawabannya adalah... tidak dan ya. Kita berawal, tentu saja, di permulaan: awal-mula Alam Semesta.

Dark matter panas dan masbodoh

Di penggalan yang kemudian kami menyampaikan bahwa dark matter sanggup dibagi ke dalam dua golongan: dark matter panas (HDM) dan dark matter masbodoh (CDM). Pembedaan tersebut dibentuk lantaran masing-masing mempunyai efek yang berbeda terhadap pembentukan gugus galaksi di awal Alam Semesta. Sebagaimana klarifikasi dinamika gugus galaksi, dark matter hampir niscaya sangat terlibat dalam pembentukan struktur skala besar. Kami telah beberapa kali menyebutkan struktur skala besar dalam buku ini, tapi persisnya apa itu?

Pada skala gugus galaksi, susunan bahan nampak unik untuk setiap daerah angkasa. Contohnya, ibarat kita lihat di Bab 3, Kelompok Lokal galaksi terdiri dari dua galaksi spiral besar – galaksi Bima Sakti dan Andromeda – bersama dengan sekumpulan galaksi elips dan iregular kecil. Sepertinya tak mungkin kita akan menemukan gugus galaksi lain yang persis ibarat punya kita di tempat lain di Alam Semesta. Namun, pada skala lebih besar – katakanlah lebih besar dari beberapa ratus juta tahun cahaya – Alam Semesta mempunyai struktur seragam ibarat buih. Kehampaan kolosal yang mengandung relatif sedikit galaksi dilingkungi oleh filamen-filamen besar yang menjangkau ratusan juta tahun cahaya. Walaupun filamen-filamen ini hanya menyusun 1-2% volume Alam Semesta, di sanalah kita menemukan paling banyak materi. Dan walaupun terdapat perbedaan lokal, ibarat gelembung-gelembung di kamar mandi, dari jauh mereka semua kelihatan kurang-lebih sama. Makara pertanyaannya adalah: bagaimana struktur ini terbentuk?

Pembentukan struktur skala besar

Ini yaitu satu pertanyaan penting. Alam Semesta awal cukup tenang, tapi entah bagaimana iregularitas terbenihkan yang kemudian berkembang menjadi struktur-struktur yang kita lihat hari ini. Proses itu sendiri nampak cukup sederhana: dimulai dengan daerah angkasa yang sedikit lebih padat, lantaran kandungan materinya yang sedikit lebih banyak sehingga mempunyai tarikan gravitasi lebih besar. Kawasan lebih padat ini menarik lebih banyak materi, sehingga menjadi semakin padat dan semakin menarik bahan yang lewat. Lambat laun, kawasan-kawasan padat itu berkembang menjadi strukturstruktur. Sementara itu, daerah yang tipis, di mana bahan lebih sedikit, menjadi semakin tandus. Bagaimanapun, untuk membentuk struktur-struktur besar yang kita lihat hari ini membutuhkan bahan dalam jumlah besar; sedangkan bahan baryon biasa tidak sanggup melaksanakan semua itu sendiri, lantaran jumlahnya yang tersebar terlalu sedikit. Pasti membutuhkan pertolongan.

Menurut teori evolusi awal Alam Semesta terkemuka, benih-benih struktur yang kita lihat hari ini muncul selama periode Big Bang yang disebut Inflasi. Teori Inflasi – pertama kali diajukan oleh Alan Guth di tahun 1980 – menyebutkan sebuah periode ekspansi universal pesat (eksponensial) yang terjadi sekitar 10_35 detik sehabis permulaan Alam Semesta. Selama episode singkat ini, Alam Semesta mengembang dari sesuatu yang 10_50 lebih kecil dari sebuah proton – semua dalam waktu kurang dari kedipan mata! Seluruh episode malapetaka tersebut didorong oleh energi yang dilepaskan selama periode transisi fase. Transisi fase cukup dikenal dalam pengalaman sehari-hari. Ketika Anda melihat uap air yang berkondensasi menjadi air, atau air yang bermetamorfosis es, Anda tengah menyaksikan sebuah transisi fase – suatu zat yang berubah dari satu keadaan ke keadaan lain. Tapi transisi fase tak sanggup terjadi tanpa energi yang ditransfer dari satu tempat ke tempat lain. Contoh, kalau Anda meletakkan tangan Anda (pada jarak aman) di atas teko air mendidih dan membiarkan uap air berkondensasi pada telapak tangan Anda, Anda akan mencicipi pelepasan energi kalor ke tangan Anda saat air berlalu dari satu keadaan (uap air) ke keadaan lain (air likuid). Transfer energi yang terus-menerus keluar dari air – misalnya dalam kulkas Anda – menyebabkan air bermetamorfosis es. Dengan cara serupa, Alam Semesta awal melewati sebuah transisi fase, walaupun konsekuensi dan jumlah energi yang dilepaskan sangat besar apabila diperbandingkan.

Pada tahap kehidupan Alam Semesta inilah benih-benih struktur tertabur. Sepanjang transisi fase, partikel-partikel secara acak bermunculan dari radiasi dan kemudian lenyap kembali (lihat Bab 8). Dikenal sebagai fluktuasi quantum, mereka sangat kecil tapi merupakan iregularitas penting dalam densitas bahan di Alam Semesta. Iregularitas ini menjadi beku dan kemudian diperkuat oleh ekspansi mendadak yang didorong oleh transisi fase. Yang penting untuk kita ketahui yaitu bahwa iregularitas-iregularitas itu, yang lebih padat dari sekeliling mereka, mempunyai tarikan gravitasi sedikit lebih besar daripada ruang di sekitar mereka sehingga menarik lebih banyak materi. Penggumpalan bahan awal ini tumbuh menjadi struktur yang kita lihat hari ini.

Namun semua penggumpalan ini tidak sanggup terjadi secara sertamerta. Di Alam Semesta awal terdapat adonan 99% dark matter dan mungkin 1% proton dan neutron (materi baryon). Untuk sejenak bahan baryon dan radiasi terikat bersama. Segalanya sangat panas, dan radiasi menyumbang proporsi besar dalam massa Alam Semesta. (Ingat bahwa massa dan energi yaitu ekuivalen.) Episode tersebut sanggup disamakan dengan topan hujan. Saat topan mengamuk, hujan sebagian besar tetap ada di udara, dan sulit untuk membedakan air dari angin. Dengan cara serupa, disebabkan oleh kondisi Big Bang yang ibarat topan lebat, radiasi dan bahan kurang lebih sama. Di masa yang didominasi radiasi ini, Alam Semesta mengembang terlalu cepat sehingga memungkinkan material jatuh ke dalam kawasan-kawasan amat padat dengan cukup cepat.

Saat Alam Semesta terus mengembang, densitas radiasi dan bahan jatuh, tapi densitas radiasi jatuh lebih cepat. Sekitar 10.000 tahun sehabis Big Bang, densitas radiasi jatuh hingga sama dengan densitas materi, dan terus jatuh lebih cepat. Pada tahap ini, dark matter masbodoh mulai menggumpal bersama, tapi tekanan radiasi masih cukup untuk menciptakan baryon terus terbang. Akhirnya, sekitar 280.000 tahun sehabis Big Bang, topan tersebut mulai tenang. Alam Semesta mengembang dan cukup mendingin sehingga sebagian besar bahan menjadi netral – dengan kata lain tidak terionisasi – dan radiasi dan bahan mengambil jalan mereka masing-masing. Pada titik itu, bahan mulai ‘rontok’ dari adonan materi/radiasi, mengendap ke tempattempat di mana gravitasinya paling tinggi – ke iregularitas-iregularitas sangat kecil dalam densitas Alam Semesta yang dimulai pada waktu transisi fase. Pulau-pulau kecil bahan tumbuh, menarik semakin banyak materi, dan seterusnya. Saat Alam Semesta terus mengembang, struktur ini ikut tumbuh bersamanya. Evolusi struktur mendistribusi ulang baryon dari yang dulunya berupa plasma agak lembut yang berasal dari satu fraksi kecil Alam Semesta pada masa Big Bang, menjadi keadaan terkondensasi yang beraneka ragam.