Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Cara Ilmuwan Menyimpulkan Keberadaan Materi Gelap

Bukti keberadaan suatu benda langit di luar angkasa dapat dikonfirmasi melalui sebuah studi yang disebut studi kurva rotasi. Untuk membuat kurva rotasi, ilmuwan menghitung kecepatan orbit suatu benda langit - bintang misalnya, yang mengorbit di sepanjang galaksi dengan mengukur pergeseran Doppler-nya. Kemudian kecepatan orbit tersebut akan diplot bersama jarak bintang dari pusat galaksi untuk memetakan materi yang ada di galaksi tersebut.

Sumber: Daily Express

Bukti keberadaan suatu benda langit di luar angkasa dapat dikonfirmasi melalui sebuah studi yang disebut studi kurva rotasi. Untuk membuat kurva rotasi, ilmuwan menghitung kecepatan orbit suatu benda langit - bintang misalnya, yang mengorbit di sepanjang galaksi dengan mengukur pergeseran Doppler-nya. Kemudian kecepatan orbit tersebut akan diplot bersama jarak bintang dari pusat galaksi untuk memetakan materi yang ada di galaksi tersebut.

Misalkan, suatu hari matahari kita berubah menjadi gelap sehingga kita tidak dapat melihatnya lagi. Lalu, bagaimana cara kita mengetahui bahwa matahari masih ada atau sudah lenyap? Salah satu cara untuk memeriksanya adalah dengan melacak pergerakan Bumi dan planet lain. Jika planet tidak terlontar keluar dari orbitnya, maka pasti ada sesuatu yang menghasilkan tarikan gravitasi yang membuat planet tetap berada dalam orbitnya. Karena itu, jika planet tidak terlontar keluar maka bisa disimpulkan bahwa Matahari masih ada.

Jika kita bisa mengetahui perkiraan massa planet, maka kita bisa melakukan lebih jauh dari itu. Bukan hanya sekedar mengetahui keberadaan Matahari yang sudah tak bercahaya itu lagi, tapi kita juga  bisa mengetahui massa (bobot) dari Matahari. Orbit dan massa setiap planet memungkinkan kita menghitung massa dari objek yang diorbit (di-itari) oleh planet. Dengan ini, kita dapat mengetahui banyak hal tentang suatu objek tanpa harus melihatnya secara langsung.

Dalam skala kosmologi - skala jarak dan skala ukuran yang jauh lebih besar kita tidak dapat melakukan hal semacam ini, tapi kita bisa melakukan hal yang serupa. Dengan mempelajari pergeseran merah cahaya (efek Doppler) dari galaksi spiral yang jauh, kita dapat menentukan seberapa cepat bagian-bagian dari galaksi tersebut bergerak menuju atau menjauhi kita. Ini memungkinkan kita membangun apa yang disebut sebagai ‘kurva rotasi’, yaitu sebuah plot yang memberikan hubungan antara kecepatan orbit dan jarak dari pusat galaksi untuk bintang dan gas yang menyusun galaksi. Plot ini memungkinkan kita memetakan distribusi materi yang ada di galaksi.

Untuk galaksi tertentu, kita dapat membandingkan kurva rotasi yang sebenarnya kita ukur dengan kurva rotasi yang kita harapkan jika galaksi tersebut tidak mengandung materi gelap sama sekali - dengan kata lain, jika materi yang terlihat adalah satu-satunya materi di galaksi tersebut. Jika hanya ada bintang-bintang yang menyusun galaksi, umumnya kita akan mengira bahwa massa galaksi akan terkonsentrasi di pusat galaksi. Oleh karena itu materi yang berada di bagian luar galaksi seharusnya mengorbit lebih lambat daripada materi di bagian dalam yang lebih dekat dengan pusat galaksi.

Semakin dekat suatu materi dari pusat gravitasi maka semakin besar pengaruh gravitasi yang diterima dari pusat gravitasi. Oleh karena itu untuk menjaga orbitnya,- dengan kata lain untuk mempertahankan dirinya tidak jatuh ke pusat gravitasi maka gerak suatu objek yang bergerak mengorbit suatu pusat gravitasi harus memiliki kecepatan yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang mengorbit pada jarak yang lebih jauh. Namun faktanya pada galaksi tertentu hasil pengamatan menunjukkan bahwa materi di seluruh galaksi mengorbit dengan kecepatan yang hampir sama - kurva rotasinya dikatakan ‘datar’.

Hasil ini sangat berlawanan dengan hukum gravitasi Newton, bahwa kecepatan orbit akan terus berkurang untuk bintang-bintang yang jauh dari pusat galaksi. Secara analogi, planet-planet bagian dalam Tata Surya bergerak lebih cepat mengitari Matahari daripada planet-planet luar (misalnya, Bumi mengelilingi matahari dengan kecepatan sekitar 100.000 km/jam. Sementara Saturnus yang lebih jauh, hanya bergerak dengan kecepatan sepertiga kecepatan ini). Salah satu cara untuk mempercepat planet luar adalah dengan menambahkan lebih banyak massa ke tata surya di antara planet-planet tersebut.

Dengan argumen yang sama, kurva rotasi galaksi datar tampaknya menunjukkan bahwa setiap galaksi dikelilingi oleh materi tak terlihat yang disebut sebagai ‘materi gelap’. Materi tak terlihat ini tampaknya memiliki diameter yang jauh lebih besar daripada diameter bagian galaksi yang terlihat, dan juga memiliki massa beberapa kali lipat lebih besar dari materi atau massa yang terlihat.

Selain menggunakan kurva rotasi, ada metode lain yang digunakan astronom untuk menentukan massa dari suatu sistem benda langit. Khusus untuk sistem yang ‘seperti gumpalan’ yang mana para astronom tidak dapat menentukan kurva rotasinya – misalnya pada galaksi elips atau gugus galaksi (cluster), astronom masih dapat menggunakan kecepatan materi untuk memperkirakan massa sistem (galaksi) tersebut.

Dalam hal ini, astronom memperlakukan sistem ini secara statistik dan menghitung kecepatan rata-rata dari setiap bagian-bagian yang menyusun galaksi. Jadi, metode ini merupakan perkiraan energi kinetik rata-rata dari mekanika klasik yang disebut ‘teorema virial’. Teorema virial menghubungkan energi kinetik dan potensial rata-rata dari semua bagian galaksi yang terikat dalam sistem gravitasi (gravitational bound system), dengan energi potensial gravitasi total dari galaksi.

Saat mengamati beberapa galaksi dan menganalisanya menggunakan teorema virial, astronom menemukan bahwa energi potensial gravitasi total jauh lebih besar daripada gabungan energi rata-rata dari seluruh bagian galaksi. Pada akhirnya hal ini mengindikasikan adanya massa tambahan yang menyebabkan energi potensial gravitasi total galaksi jauh lebih besar yang kemudian disebut sebagai materi gelap.

Sumber:

Filippini, Jeff. 2005. Orbital Mechanics. UC Berkeley Cosmology Group; http://cosmology.berkeley.edu/Education/CosmologyEssays/Orbital_Mechanics.html.

White, Martin.__. Rotation Curves. http://w.astro.berkeley.edu/~mwhite/darkmatter/rotcurve.html.

Ricky Hamanay
Ricky Hamanay Yuditya Hamdani Hamanay; penulis sains amatir. Blogger sejak 2013