Terbuat dari apakah alam semesta?

Bayangkan Anda ingin menentukan massa sebuah rumah dan isinya. Anda mengambil rumah dan meletakkannya pada skala raksasa. Katakanlah, demi argumen, Anda mengukur massa menjadi 100.000 pon (45.359 kilogram). Sekarang bayangkan Anda ingin melihat kontribusi setiap item di rumah terhadap total massa. Anda menghapus satu item pada satu waktu dan menempatkannya pada skala. Anda bahkan menghilangkan semua udara untuk mendapatkan ukuran massanya. Sekarang katakanlah massa masing-masing objek, termasuk lantai, dinding, dan atap rumah, bertambah hingga 5.000 pon (2.268 kilogram). Apa yang akan Anda pikirkan? Bagaimana Anda menjelaskan perbedaan dalam massa? Apakah Anda akan menyimpulkan bahwa pasti ada bahan yang tidak terlihat di rumah yang membuat strukturnya lebih berat?

Selama 40 tahun terakhir, inilah dilema yang dihadapi para astronom ketika mereka mencoba menentukan blok bangunan alam semesta. Sebelumnya, mereka mengira alam semesta berisi materi normal -- hal-hal yang dapat Anda lihat. Pindai seluruh kosmos, dan hal-hal semacam ini tampak jelas. Ada miliaran galaksi , masing-masing diisi dengan miliaran bintang . Di sekitar beberapa bintang, planet, dan bulannya menelusuri orbit elips. Dan di antara benda-benda besar dan bulat itu terdapat benda-benda berbentuk tidak beraturan, mulai dari ukuran asteroid besar hingga meteoroid seukuran batu hingga partikel kecil yang tidak lebih besar dari sebutir debu. Para astronom mengklasifikasikan semua benda ini sebagai materi barionik , dan mereka (dan kita) mengetahui unit paling fundamentalnya sebagai atom, yang terdiri dari partikel subatom yang lebih kecil, seperti proton, neutron, dan elektron. (Demi kesederhanaan, kita akan mengabaikan lepton dan quark.)

Mulai tahun 1970-an, para astronom mulai mengumpulkan bukti yang membuat mereka curiga ada lebih banyak hal di alam semesta daripada yang terlihat. Salah satu petunjuk terbesar datang ketika para ilmuwan mencoba menentukan massa galaksi. Mereka melakukan ini dengan mengukur percepatan awan yang mengorbit di tepi luar galaksi, yang memungkinkan mereka menghitung massa yang diperlukan untuk menyebabkan percepatan itu. Apa yang mereka temukan mengejutkan: Massa di balik percepatan orbit awan galaksi lima kali lebih besar dari massa benda yang bisa Anda lihat -- bintang dan gas -- tersebar di seluruh galaksi. Mereka menyimpulkan bahwa pasti ada material tak kasat mata yang mengelilingi sebuah galaksi dan menyatukannya. Mereka menyebut materi ini materi gelap , meminjam istilah yang pertama kali digunakan oleh astronom Swiss Fritz Zwicky pada 1930-an.

Dua puluh tahun kemudian, para ilmuwan memperhatikan bahwa supernova tipe Ia -- bintang sekarat yang semuanya memiliki kecerahan intrinsik yang sama -- berada lebih jauh dari galaksi kita daripada yang seharusnya. Untuk menjelaskan pengamatan ini, mereka menyarankan bahwa perluasan alam semesta sebenarnya semakin cepat, atau semakin cepat. Ini membingungkan, karena gravitasi yang melekat pada materi gelap seharusnya cukup kuat untuk mencegah ekspansi semacam itu. Apakah ada materi lain, sesuatu dengan efek antigravitasi, yang menyebabkan ekspansi cepat alam semesta? Para astronom percaya demikian, dan mereka menyebut materi ini energi gelap .

Selama satu dekade, kosmolog dan fisikawan teoretis memperdebatkan keberadaan materi gelap dan energi gelap. Kemudian, pada Juni 2001, NASA meluncurkan Wilkinson Microwave Anisotropy Probe , atau WMAP . Instrumen pada pesawat ini mengambil gambar paling detail dari latar belakang gelombang mikro kosmik -- radiasi yang tersisa dari Big Bang. Ini memungkinkan para astronom untuk mengukur, dengan sangat akurat, kepadatan dan komposisi alam semesta. Inilah yang ditentukan WMAP: Materi barionik membentuk 4,6 persen dari alam semesta. Materi gelap menyumbang hanya 23 persen. Dan sisanya adalah energi gelap -- 72 persen [sumber: NASA/WMAP ]!

Tentu saja, mengukur proporsi relatif dari blok bangunan alam semesta hanyalah permulaan. Sekarang para ilmuwan berharap untuk mengidentifikasi kandidat yang mungkin untuk materi gelap. Mereka menganggap katai coklat sebagai salah satu kandidat yang masuk akal. Objek mirip bintang ini tidak bercahaya, tetapi gravitasinya yang kuat, yang memengaruhi objek terdekat, memberikan petunjuk tentang keberadaan dan lokasinya. Lubang hitam supermasif juga bisa menjelaskan materi gelap di alam semesta. Para astronom berspekulasi bahwa lubang runtuhan kosmik ini dapat memberi daya pada quasar yang jauhdan mungkin jauh lebih berlimpah dari yang pernah dibayangkan. Akhirnya, materi gelap dapat terdiri dari jenis partikel yang belum dijelaskan. Potongan-potongan kecil materi ini bisa ada di suatu tempat jauh di dalam atom dan dapat diidentifikasi di salah satu super-tabrakan dunia, seperti Large Hadron Collider.

Memecahkan misteri ini tetap menjadi salah satu prioritas tertinggi sains. Sampai solusi itu datang, kita harus hidup dengan gagasan yang merendahkan bahwa rumah yang telah kita coba timbang selama bertahun-tahun lebih berat dari yang kita harapkan dan, lebih meresahkan, di luar pemahaman kita.

Artikel Terkait