Pertarungan kosmik: menyelidiki pertempuran antara materi gelap dan gravitasi yang dimodifikasi – Dunia Fisika

Bayangkan jika, dalam satu gerakan, dengan satu perubahan kecil pada hukum gravitasi, Anda dapat menghilangkan kebutuhan akan semua materi gelap di alam semesta. Anda akan menyingkirkan partikel sial yang hanya diduga ada dan sejauh ini sulit ditemukan. Sebaliknya, Anda akan menggantinya dengan teori elegan yang memodifikasi karya fundamental Isaac Newton dan Albert Einstein.

Setidaknya itulah impian dinamika Newtonian yang dimodifikasi, atau MOND. Dikembangkan oleh fisikawan Israel Mordehai Milgrom dan ahli teori Amerika-Israel kelahiran Meksiko Yakub Bekenstein pada awal tahun 1980an, hal ini merupakan penawar terhadap paradigma populer “materi gelap”. Bagi mereka, materi gelap adalah pelengkap kosmologi yang tidak perlu dan kikuk, yang jika memang nyata, berarti 80% materi di kosmos tidak terlihat.

Dalam 40 tahun sejak diciptakan, pencapaian MOND terus dibayangi oleh hubungan cinta kosmologi dengan materi gelap. MOND juga kesulitan menjelaskan fenomena pada skala yang lebih besar dan lebih kecil dibandingkan galaksi individual. Jadi, apakah MOND adalah sesuatu yang harus kita tanggapi dengan serius?

Kurva yang aneh

Kisah kita dimulai pada akhir tahun 1960-an, dan memasuki tahun 1970-an, astronom AS Vera Rubin dan Kent Ford menyadari bahwa bintang-bintang di pinggiran galaksi mengorbit sama cepatnya dengan bintang-bintang di dekat pusat galaksi, yang jelas-jelas bertentangan dengan hukum gerak orbital Johannes Kepler. . Mereka mengilustrasikan hal ini dalam kurva rotasi galaksi, yang pada dasarnya hanyalah grafik kecepatan orbit versus radius dari pusat. Grafiknya tidak menunjukkan kemiringan negatif, melainkan berupa garis datar. Di suatu tempat, ada gravitasi ekstra yang menarik bintang-bintang terluar tersebut.

Materi gelap – suatu bentuk materi tak terlihat yang begitu berlimpah sehingga menjadi gaya gravitasi dominan di alam semesta – adalah solusi yang populer. Saat ini, konsep materi gelap terjalin erat dalam model standar kosmologi kita dan melekat dalam pemahaman kita tentang bagaimana struktur di alam semesta terbentuk.

Gambaran tentang terbentuknya materi gelap cukup rapi, namun belum cukup rapi untuk komunitas kecil fisikawan dan astronom yang menghindari kosmologi materi gelap dan sebagai gantinya mengadopsi MOND. Faktanya, mereka punya banyak bukti untuk kasus mereka. Pada tahun 2016 Stacy McGaugh dari Universitas Case Western Reserve mengukur kurva rotasi 153 galaksi (Phys Pdt. Lett. 117 201101) dan menemukan, dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya, bahwa kurva rotasinya dijelaskan oleh MOND, tanpa perlu menggunakan halo materi gelap di sekitar setiap galaksi. Dengan melakukan hal itu, dia membenarkan prediksi Milgrom.

“Saya tegaskan bahwa MOND menjelaskan hal-hal ini lebih baik daripada materi gelap, dan alasannya adalah kekuatan prediktifnya,” kata McGaugh – mantan peneliti materi gelap yang kini menjadi pendukung MOND, menyusul pencerahan yang membuatnya berpindah pihak. Dia mengacu pada fakta bahwa jika Anda mengetahui massa tampak (semua bintang dan gasnya) dari sebuah galaksi, maka dengan menerapkan MOND Anda dapat menghitung berapa kecepatan rotasinya. Dalam paradigma materi gelap, Anda tidak dapat memprediksi kecepatan berdasarkan keberadaan materi gelap. Sebaliknya, Anda harus mengukur kurva rotasi galaksi untuk menyimpulkan berapa banyak materi gelap yang ada. McGaugh berpendapat bahwa ini adalah penalaran yang melingkar, dan bukan bukti materi gelap.

Cara memodifikasi gravitasi

Memodifikasi hukum gravitasi mungkin merupakan kutukan bagi banyak fisikawan – seperti halnya Newton dan Einstein – namun hal ini bukanlah hal yang aneh untuk dilakukan. Bagaimanapun, kita hidup di alam semesta yang misterius dan penuh dengan teka-teki ilmiah. Apa energi gelap yang bertanggung jawab atas percepatan perluasan alam semesta? Mengapa ada ketegangan dalam pengukuran laju ekspansi alam semesta yang berbeda? Bagaimana galaksi terbentuk begitu cepat di awal alam semesta, seperti yang disaksikan oleh Hubble dan Teleskop luar angkasa James Webb? Para peneliti semakin banyak mencari teori gravitasi yang dimodifikasi untuk memberikan jawabannya, namun tidak semua model gravitasi yang dimodifikasi itu sama.

Apa yang harus dilakukan oleh setiap teori gravitasi yang dimodifikasi, termasuk MOND, adalah menjelaskan mengapa teori tersebut tetap tersembunyi dari kita dalam skala sehari-hari, dan hanya mulai berlaku dalam kondisi tertentu.

Tessa Baker, seorang kosmolog dan guru gravitasi termodifikasi di Universitas Portsmouth di Inggris, telah membangun karirnya dalam menguji hukum gravitasi dan mencari modifikasi, dalam kasusnya mencoba menjelaskan energi gelap. “MOND, yang merupakan salah satu contoh teori gravitasi yang dimodifikasi, tidak biasa karena merupakan teori yang mencoba menggantikan materi gelap,” jelas Baker. “Mayoritas teori gravitasi yang dimodifikasi tidak melakukan hal itu.”

Apa yang harus dilakukan oleh setiap teori gravitasi yang dimodifikasi, termasuk MOND, adalah menjelaskan mengapa teori tersebut tetap tersembunyi dari kita dalam skala sehari-hari, dan hanya mulai berlaku dalam kondisi tertentu. Fisikawan menyebut titik di mana transisi ini terjadi sebagai “penyaringan”, dan itu semua adalah masalah skala.

“Bagian tersulitnya adalah, bagaimana Anda menyembunyikan modifikasi pada skala yang kita tahu relativitas umum bekerja dengan sangat baik?” tanya Baker. Cara yang tepat untuk memulai adalah dengan mempertimbangkan apakah gravitasi bervariasi pada skala jarak, jadi di tata surya kita, gravitasi memudar sesuai dengan aturan kuadrat terbalik, namun pada skala gugus galaksi, gravitasi menurun dengan laju yang berbeda. “Ini jelas tidak berhasil,” kata McGaugh, seraya menambahkan bahwa ada skala lain yang berhasil.

Misalnya, salah satu teori gravitasi termodifikasi yang dikembangkan Baker – dikenal sebagai f(R) gravitasi – menggeneralisasi teori relativitas umum Einstein. Di bawah f(R), gravitasi mengaktifkan efek energi gelap di area ruang yang kepadatan materinya cukup rendah, seperti di ruang hampa kosmik. Bagi MOND, skala mekanisme penyaringannya adalah percepatan. Di bawah ini adalah karakteristik percepatan gravitasi yang disebut a₀ – yaitu sekitar 0.1 nanometer per detik kuadrat – gravitasi bekerja secara berbeda.

Daripada mengikuti aturan kuadrat terbalik, dengan percepatan di bawah a₀ gravitasi turun lebih lambat, berbanding terbalik dengan jarak. Jadi sesuatu yang mengorbit dengan jarak empat kali lipat akan merasakan seperempat gravitasi, bukan 16 gravitasi. Percepatan gravitasi rendah yang diperlukan untuk hal ini sama persis dengan yang dialami oleh bintang-bintang di pinggiran galaksi. “Jadi MOND mengaktifkan modifikasi tersebut pada akselerasi rendah dengan cara yang sama f(R) gravitasi mengaktifkan modifikasinya pada kepadatan rendah,” jelas Baker.

Konflik dan kontroversi

MOND unggul dalam galaksi individual, namun bergantung pada siapa Anda berbicara, MOND mungkin tidak berfungsi dengan baik di lingkungan lain. Dan satu kegagalan telah membuat salah satu pendukung setia MOND menentang teori tersebut.

Laboratorium ideal untuk menguji MOND adalah laboratorium di mana materi gelap diharapkan tidak terdapat dalam jumlah besar, yang berarti anomali gravitasi apa pun seharusnya berasal dari hukum gravitasi itu sendiri. Sistem bintang biner lebar adalah salah satu lingkungan yang terdiri dari pasangan bintang yang berjarak 500 AU atau lebih terpisah (di mana satu unit astronomi atau AU berada jarak rata-rata antara Bumi dan Matahari). Pada jarak yang sangat jauh, medan gravitasi yang dirasakan setiap bintang menjadi lemah.

Berkat Misi luar angkasa astrometrik Badan Antariksa Eropa Gaia, tim peneliti MOND kini telah mampu mengukur pergerakan biner lebar untuk mencari bukti MOND. Hasilnya kontroversial dan bertentangan, dalam hal kelangsungan MOND sebagai teori yang valid.

Satu tim, dipimpin oleh Kyu-Hyun Chae dari Universitas Sejong di Seoul, melakukan analisis mendalam terhadap 26,500 biner lebar dan menemukan gerakan orbital yang sesuai dengan prediksi MOND (ApJ 952 128). Hal ini didukung oleh penelitian sebelumnya dari Xavier Hernandez dari Universidad Nacional Autónoma de México, yang memuji betapa “menariknya” hasil yang dicapai Chae. Namun tidak semua orang yakin.

Di Universitas St Andrews di Inggris, Indranil Banik sedang mengerjakan proyek enam tahunnya sendiri untuk mengukur MOND dalam biner lebar. Dia telah mempublikasikan rencananya sebelum melakukan pengukuran, memastikan meluangkan waktu untuk berbicara dengan pakar lain dan mendapatkan masukan, menyempurnakan metodenya sehingga semua orang bisa sepakat. Banik sangat mengharapkan hasilnya untuk menunjukkan bahwa MOND itu nyata. “Saya jelas mengharapkan skenario MOND berhasil,” katanya. “Jadi sungguh sebuah kejutan besar ketika hal itu tidak terjadi.”

Dalam makalah yang diterbitkan pada akhir tahun 2023 Banik tidak menemukan penyimpangan sama sekali dari standar gravitasi Newton (Pemberitahuan Bulanan dari Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). Hasilnya adalah pukulan telak baginya sehingga mengguncang dunia Banik, dan dia secara terbuka menyatakan bahwa MOND salah – yang membuatnya mendapat banyak kritik. Namun, mengapa hasilnya jauh berbeda dengan Chae dan Hernandez? “Tentu saja mereka masih berpendapat ada sesuatu di sana,” kata Banik. Namun, ia skeptis terhadap hasil penelitian tersebut, dengan alasan adanya perbedaan dalam cara mereka menangani ketidakpastian dalam pengukurannya.

Poin-poin yang diperdebatkan ini sangat bersifat teknis, jadi mungkin bukan hal yang mengejutkan jika terdapat penafsiran yang berbeda-beda. Memang bagi pihak luar sulit mengetahui siapa yang benar dan siapa yang tidak. “Sangat sulit untuk mengetahui bagaimana menilai hal ini,” McGaugh mengakui. “Saya bahkan merasa tidak sepenuhnya memenuhi syarat untuk menilai pada skala tersebut, dan saya jauh lebih memenuhi syarat dibandingkan kebanyakan orang!”

Bukan hanya biner lebar yang Banik lihat MOND gagal. Dia juga mengutip kasus tata surya kita. Salah satu prinsip utama MOND adalah fenomena “efek medan eksternal”, di mana keseluruhan medan gravitasi galaksi Bima Sakti mampu membekas pada sistem yang lebih kecil, seperti tata surya kita. Kita harus melihat jejak ini, khususnya pada orbit planet luar. Mencari efek ini melalui data pelacakan radio dari Pesawat luar angkasa Cassini milik NASA, yang mengorbit Saturnus antara tahun 2004 dan 2017, tidak menemukan bukti adanya efek medan eksternal pada orbit Saturnus.

“Orang-orang mulai menyadari bahwa tidak ada cara untuk menyelaraskan MOND dengan tidak terdeteksinya efek dalam data Cassini dan bahwa MOND tidak akan bekerja pada skala di bawah satu tahun cahaya,” kata Banik. Jika Banik benar, maka MOND berada dalam posisi yang sangat buruk – tetapi ini bukan satu-satunya medan perang di mana perang MOND melawan materi gelap dilakukan.

Teka-teki cluster

Pada tahun 2006 NASA merilis a gambar spektakuler dari dua gugus galaksi yang bertabrakan, yang dalam bentuk gabungannya disebut Gugus Peluru. Teleskop Luar Angkasa Hubble memberikan pandangan resolusi tinggi tentang keberadaan galaksi, sedangkan pengamatan sinar-X terhadap gas panas di antara galaksi-galaksi tersebut berasal dari Observatorium Sinar-X Chandra. Berdasarkan lokasi galaksi dan gas, serta derajat pelensaan gravitasi materi di ruang bengkok cluster, para ilmuwan dapat menghitung lokasi materi gelap di cluster.

“Diklaim bahwa Bullet Cluster mengkonfirmasi keberadaan materi gelap, yang telah digunakan untuk menentang MOND,” katanya Pavel Kroupa, seorang ahli astrofisika di Universitas Bonn. “Yah, ternyata situasinya justru sebaliknya.”

Kroupa sangat antusias terhadap MOND, dan telah mengarahkan perhatiannya untuk menjelajahi struktur sebesar mungkin – gugus galaksi berskala besar. Di garis bidiknya terdapat model standar kosmologi, yang dalam bahasa sehari-hari dikenal sebagai “lambda-CDM” atau ΛCDM (Λ mengacu pada konstanta kosmologis, atau komponen energi gelap alam semesta, dan CDM adalah materi gelap dingin).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg" data-caption="Purba Kesan seorang seniman ESA tentang bagaimana alam semesta awal (berusia kurang dari 1 juta tahun) mungkin terlihat ketika mengalami letusan pembentukan bintang secara tiba-tiba. (Sumber: A Schaller/STScI)” title=”Klik untuk membuka gambar dalam popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- pertempuran-antara-materi-gelap-dan-dunia-gravitasi-termodifikasi-3.jpg”>

Salah satu alasannya, Kroupa percaya bahwa gugus galaksi sebesar itu seharusnya tidak ada, apalagi sempat bertabrakan, pada pergeseran merah yang tinggi. ΛCDM berpendapat bahwa struktur seharusnya tumbuh secara perlahan, dan Kroupa berpendapat bahwa hal tersebut akan terlalu lambat dibandingkan dengan apa yang ditunjukkan oleh teleskop kita: galaksi-galaksi masif dan gugusan-gugusan raksasa di alam semesta awal. Lebih relevan lagi, dinamika tabrakan cluster itulah yang memberikan harapan bagi Kroupa. Secara khusus, ΛCDM memperkirakan bahwa kecepatan galaksi yang jatuh ke dalam sumur gravitasi gugus gabungan akan jauh lebih rendah daripada yang teramati.

“Tabrakan gugus galaksi sangat bertentangan dengan ΛCDM, namun secara alami sesuai dengan MOND,” kata Kroupa. Meskipun Kroupa antusias, McGaugh tidak begitu yakin. Faktanya, menurutnya gugus galaksi adalah masalah nyata bagi ΛCDM dan MOND.

“Ini berantakan,” akunya. “Untuk materi gelap, kecepatan tumbukannya terlalu tinggi. Orang-orang materi gelap bolak-balik berdebat apakah kecepatannya terlalu cepat atau tidak? Untuk MOND, gugus galaksi menunjukkan perbedaan massa bahkan setelah Anda menerapkan MOND. Cluster menjadi perhatian saya karena saya tidak melihat jalan keluar yang baik dari hal tersebut.”

Sebuah teori tentang segalanya?

Cluster dan biner yang luas dapat diperdebatkan ad infinitum sampai salah satu pihak mengaku kalah. Namun mungkin kritik paling serius yang ditujukan pada MOND adalah kurangnya model kosmologis yang bisa diterapkan. Mencoba menggantikan materi gelap dengan gravitasi yang termodifikasi di galaksi adalah hal yang baik dan bagus. Namun, agar teori ini sukses, teori ini harus menjelaskan semua hal yang bisa dilakukan oleh materi gelap dan lebih banyak lagi. Artinya, ia harus menjadi saingan ΛCDM dalam menjelaskan apa yang kita lihat di dalamnya latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) – radiasi gelombang mikro purba yang memenuhi alam semesta.

CMB sering kali digambarkan sebagai “bola api big bang”, namun sebenarnya lebih dari itu. Tercetak di atasnya dalam bentuk variasi suhu halus dari 379,000 tahun setelah Big Bang adalah apa yang kita sebut anisotropi, sesuai dengan wilayah dengan kepadatan sedikit lebih tinggi atau lebih rendah yang dibentuk oleh gelombang akustik yang bergema melalui plasma primordial. Inilah benih terbentuknya struktur di alam semesta. Dari benih-benih ini tumbuhlah “jaringan kosmik” – jaringan filamen materi tempat tumbuhnya galaksi dan, tempat bertemunya filamen, terbentuklah gugus galaksi besar.

MOND dirancang untuk menjelaskan kurva rotasi galaksi dengan menggunakan teori Newton, bukan Einstein. Butuh waktu 20 tahun bagi Bekenstein untuk menghasilkan model relativistik MOND yang dapat diterapkan pada kosmologi modern. Disebut gravitasi Tensor–Vector–Scalar (TeVeS), teori ini terbukti tidak populer dan kesulitan menjelaskan ukuran puncak akustik ketiga dalam anisotropi yang dalam model standar disebabkan oleh materi gelap, serta keterbatasan dalam pemodelan pelensaan gravitasi dan gelombang gravitasi. .

Banyak orang mengira bahwa masalah model relativistik MOND sangat sulit sehingga tidak mungkin dilakukan. Kemudian pada tahun 2021 Konstantinos Skordis dan Tom Złośnik dari Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko membuktikan bahwa semua orang salah. Dalam model mereka, keduanya memperkenalkan vektor pengubah gravitasi dan medan skalar yang beroperasi di alam semesta awal untuk menciptakan efek gravitasi yang meniru materi gelap, sebelum berevolusi seiring waktu untuk menyerupai teori MOND biasa di alam semesta modern (Phys Pdt. Lett. 127 161302).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg" data-caption="Teka-teki langit Misi Planck memetakan latar belakang gelombang mikro kosmik. Interpretasi data yang diterima secara luas adalah bahwa alam semesta terdiri dari sekitar 4.9% materi biasa, 26.8% materi gelap, dan 68.3% energi gelap. Teori MOND pada awalnya tidak mampu menjelaskan variasi suhu yang diungkapkan oleh misi seperti Planck. Pada tahun 2021 Constantinos Skordis dan Tom Złośnik menciptakan model yang terinspirasi MOND yang cocok dengan data Planck serta model materi gelap. (Atas izin: ESA dan Kolaborasi Planck)” title=”Klik untuk membuka gambar dalam popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -pertempuran-antara-materi-gelap-dan-modifikasi-gravitasi-fisika-dunia-4.jpg”>

Mengingat sejarah yang menyiksa dalam upaya mengembangkan model relativistik MOND, McGaugh percaya bahwa ini adalah “pencapaian luar biasa” untuk dapat menuliskan teori yang sesuai dengan latar belakang gelombang mikro. Model Skordis dan Złośnik tidaklah sempurna. Seperti TeVeS, ia kesulitan menjelaskan jumlah pelensaan gravitasi yang kita amati di alam semesta. Banik juga menyoroti kesulitan dalam model tersebut, dengan mengatakan bahwa “model ini mengalami kesulitan karena tidak memberikan penjelasan yang baik untuk cluster galaksi”.

Baker juga menyuarakan keprihatinan ini. “Meskipun MOND dapat melakukan hal tersebut merupakan langkah maju yang baik,” katanya, “Saya rasa hal itu tidak cukup untuk membawa MOND kembali ke arus utama. Alasannya adalah [Skordis dan Złośnik] telah menambahkan banyak bidang tambahan ke dalamnya, banyak fitur tambahan, dan itu benar-benar kehilangan keanggunan. Ini bekerja dengan CMB, tetapi tampaknya sangat tidak wajar.”

Mungkin kita memberikan beban yang tidak semestinya ke pundak sang model. Ini bisa dilihat hanya sebagai permulaan, sebuah bukti konsep. “Apakah ini teori terakhir, atau bahkan jalan yang benar, saya tidak tahu,” kata McGaugh. “Tetapi orang-orang mengatakan bahwa hal itu tidak dapat dilakukan, dan apa yang telah ditunjukkan oleh Skordis dan Złośnik adalah bahwa hal tersebut dapat dilakukan, dan ini merupakan sebuah langkah maju yang penting.”

MOND terus memesona, membuat frustrasi, dan menumbuhkan rasa jijik dari para pengikut materi gelap. Jalan yang harus ditempuh komunitas ilmiah masih panjang untuk menganggapnya sebagai saingan kelas berat ΛCDM, dan hal ini tentu saja terhambat karena jumlah orang yang mengerjakannya relatif sedikit, yang berarti kemajuannya lambat.

Namun keberhasilan yang dimiliki oleh teori pemula ini tidak boleh diabaikan, kata McGaugh. Setidaknya, hal ini akan membuat para astronom terus bekerja dengan model materi gelap arus utama.

• Di bagian kedua dari tiga bagian seri Keith Cooper, ia akan mengeksplorasi beberapa keberhasilan materi gelap baru-baru ini dan tantangan serius yang juga dihadapinya.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/