Di era baru penelitian luas tentang materi gelap, gagasan kontroversial tentang konsentrasinya dalam cakram tipis muncul dari pelupaan ilmiah
Pada tahun 1932, astronom Belanda Jan Oort menghitung bintang di Bima Sakti dan menemukan bahwa bintang tersebut hilang. Berdasarkan fakta bahwa bintang-bintang, yang bergerak dalam lingkaran di bidang galaksi, melompat-lompat seperti kuda di korsel, Oort menghitung bahwa materi yang memberikan efek gravitasi pada mereka dan membuatnya bergerak harus dua kali lebih banyak dari yang dia lihat. … Oort mendalilkan bahwa kekurangan itu dibuat oleh "materi gelap" yang tersembunyi, dan menyatakan bahwa ia terkonsentrasi di cakram, yang menjelaskan pergerakan bintang-bintang.
Namun, penemuan materi gelap, sebutan materi tak terlihat dan tak tentu, yang menyusun lima per enam massa alam semesta, biasanya dikaitkan dengan astronom Swiss-Amerika Fritz Zwicky, yang pada tahun 1933 memperoleh keberadaannya dari pergerakan galaksi yang saling menguntungkan. Oort tidak terlalu dikenal dengan alasan salah jalan. Pada tahun 2000, penulis studi baru tentang Bima Sakti, menggunakan metode Oort, menetapkan bahwa massa yang "hilang" terdapat dalam bintang redup, gas, dan debu, dan kebutuhan akan piringan gelap tidak lagi diperlukan. Petunjuk dari 80 tahun yang lalu menunjukkan bahwa materi gelap, apapun itu, membentuk awan bulat di sekitar galaksi, yang disebut "lingkaran cahaya".
Yah, setidaknya itulah yang dikatakan kebanyakan pemburu materi gelap. Tetapi meskipun konsep cakram gelap telah kehilangan popularitasnya, ia tidak pernah ditinggalkan seluruhnya. Baru-baru ini, ide tersebut telah menemukan penggemar berat Lisa Randall, seorang profesor fisika di Universitas Harvard, yang telah mengangkat teori cakram dari pelupaan ilmiah dan mendorongnya ke pusat pemandangan galaksi.
Setelah mengusulkan model mereka pada tahun 2013, Randall dan rekannya berpendapat bahwa piringan gelap dapat menjelaskan sinar gamma dari pusat galaksi, distribusi datar galaksi katai di orbit di sekitar nebula Andromeda dan Bima Sakti, dan bahkan serangan komet berkala dan kepunahan massal. spesies di Bumi. Dia menulis tentang ini dalam buku sains populernya Dark Matter and the Dinosaurs, yang diterbitkan pada 2015.
Namun, astrofisikawan yang menginventarisasi Bima Sakti telah memprotes, dengan alasan bahwa massa total galaksi dan lompatan bintangnya terlalu cocok, sehingga tidak ada ruang untuk piringan gelap. "Ini jauh lebih ketat daripada yang dipikirkan Lisa Randall," kata astrofisikawan Universitas Toronto Jo Bovy.
Sekarang Randall, yang telah mengembangkan sejumlah ide besar tentang isu-isu kritis dalam fisika fundamental, membalasnya. Dalam sebuah makalah yang diposting online minggu lalu dan diterima untuk publikasi di The Astrophysical Journal, Randall dan muridnya Eric Kramer menemukan celah berbentuk cakram dalam analisis mereka tentang Bima Sakti: “Ada detail penting yang masih kami miliki belum memperhatikan, tulis mereka. "Disk dapat menciptakan ruang untuk dirinya sendiri."
Jika cakram gelap melewati bidang tengah galaksi, menurut Randall dan Kramer, gravitasi menarik sisa materi ke dalam, yang menyebabkan peningkatan kepadatan bintang, gas, dan debu di bidang tengah. Ilmuwan biasanya menghitung massa total Bima Sakti dengan mengekstrapolasi keluar berdasarkan kepadatan bidang tengah. Jika ada efek penyempitan, ekstrapolasi ini akan menyebabkan massa semu menjadi berlebihan, dan kemudian muncul kesan bahwa massa tersebut sesuai dengan gerak bintang-bintang. Untuk alasan ini, penulis studi sebelumnya belum melihat bukti adanya cakram gelap, kata Kramer. Bersama dengan Randall, mereka percaya bahwa piringan hitam tipis adalah mungkin dan dalam beberapa hal keberadaannya lebih disukai daripada tidak ada.
Video promosi:
“Pekerjaan Lisa telah merevitalisasi bisnis ini,” kata Chris Flynn dari Swinburne University of Technology di Melbourne, Australia. Dia, bersama dengan Johan Holmberg (Johan Holmberg) di awal tahun 2000-an, melakukan beberapa "inventarisasi" Bimasakti, yang tampaknya benar-benar menghancurkan semua kemungkinan keberadaan cakram gelap.
Bowie tidak setuju. Bahkan jika kita memperhitungkan efek penyempitannya, dia memperkirakan bahwa tidak lebih dari 2% dari jumlah total materi gelap dapat berada di cakram gelap, sedangkan materi lainnya akan membentuk lingkaran cahaya. “Saya pikir kebanyakan orang ingin mengetahui apa itu 98% dari materi gelap, bukan 2%,” katanya.
Perdebatan ini, seperti nasib cakram gelap, mungkin akan segera diselesaikan. Satelit Gaia milik Badan Antariksa Eropa saat ini sedang menelusuri posisi dan kecepatan satu miliar bintang, dan daftar definitif Bima Sakti dapat diselesaikan pada akhir musim panas mendatang.
Gugus galaksi muda Abell 2151 di konstelasi Hercules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digital Sky Survey 2
Membuka cakram gelap dengan ukuran berapa pun akan sangat terbuka. Jika ada, materi gelap akan menjadi jauh lebih kompleks daripada yang diyakini para ilmuwan sejak lama. Materi berkumpul menjadi bentuk cakram hanya jika ia memiliki kemampuan untuk memancarkan energi, dan cara terbaik untuk memancarkan energi yang cukup adalah dengan membentuk atom. Keberadaan atom gelap berarti bahwa proton gelap dan elektron gelap, bermuatan seperti proton dan elektron yang terlihat, berinteraksi satu sama lain melalui gaya gelap yang ditransmisikan oleh foton gelap. Bahkan jika 98% materi gelap tidak bergerak dan membentuk lingkaran cahaya, keberadaan cakram gelap tertipis akan berarti adanya "sektor gelap" partikel tak dikenal, yang beragam seperti Alam Semesta yang terlihat.
“Materi biasa cukup kompleks; Ada materi yang berperan dalam atom, dan ada materi yang tidak berperan, kata ahli astrofisika di University of California, Irvine, James Bullock. "Oleh karena itu, tidaklah gila untuk membayangkan bahwa lima per enam materi di alam semesta juga cukup kompleks, dan ada bagian tertentu dari sektor gelap ini yang ada dalam bentuk atom yang terikat."
Konsep kompleksitas materi gelap baru-baru ini mendapatkan semakin banyak pendukung, dibantu oleh anomali astrofisika yang tidak benar-benar sesuai dengan gagasan materi gelap sebagai partikel pasif, lambat, dan "partikel masif yang berinteraksi lemah". Anomali ini, serta fakta bahwa selama eksperimen terperinci di berbagai negara di dunia, partikel berat yang berinteraksi lemah (WIMPs) tidak pernah terdeteksi, melemahkan teori ini dan menandai dimulainya era baru di mana siapa pun dapat berspekulasi bahwa itu adalah untuk binatang seperti itu - materi gelap.
Era ini datang sekitar tahun 2008, ketika peserta percobaan PAMELA menemukan kelebihan positron yang berasal dari luar angkasa (dibandingkan dengan elektron). Asimetri ini telah memicu minat pada model "materi gelap asimetris" yang sekarang populer yang diusulkan oleh Kathryn Zurek dan rekan-rekannya. Ada beberapa ide yang beredar saat itu, selain konsep pengecut. "Ada pemodel seperti saya yang memahami bahwa gagasan materi gelap sepenuhnya terbelakang ke arah ini," kata Tsurek, yang sekarang bekerja di National Laboratory. Lawrence Berkeley di California. “Jadi kami terjun langsung ke pekerjaan ini.”
Kepadatan galaksi katai adalah stimulus lain. Saat ilmuwan mencoba mensimulasikan pembentukannya, galaksi katai cenderung terlalu padat di pusatnya kecuali jika ilmuwan berasumsi bahwa partikel materi gelap dapat berinteraksi satu sama lain menggunakan gaya gelap. Tetapi jika kita menambahkan interaksi yang terlalu kuat di sini, maka kita menghancurkan model-model pembentukan struktur di alam semesta awal.
"Kami mencoba mencari tahu apa yang bisa ditoleransi," kata Bullock, yang juga mendesain model ini. Kebanyakan pemodel memungkinkan interaksi lemah yang tidak memengaruhi bentuk halo materi gelap. “Tapi yang luar biasa adalah ada kelas materi gelap yang memungkinkan cakram terbentuk,” kata Bullock. Dalam hal ini, hanya sebagian kecil partikel materi gelap yang akan berinteraksi, tetapi mereka akan berinteraksi cukup kuat untuk menghilangkan energi dan kemudian membentuk cakram.
Randall dan rekannya JiJi Fan, Andrey Katz, dan Matthew Reece pada tahun 2013 menemukan ide ini dengan cara yang sama seperti Oort. Mereka mencoba menjelaskan anomali Galaksi Bima Sakti. Yang disebut garis Fermi adalah kelebihan sinar gamma dengan frekuensi tertentu yang berasal dari pusat galaksi. "Materi gelap biasa tidak bisa cukup menghancurkan untuk menghasilkan garis Fermi," kata Randall, "jadi kami berpikir, bagaimana jika jauh lebih padat?" Jadi cakram gelap mendapat kehidupan kedua. Garis Fermi menghilang saat lebih banyak data muncul, tetapi gagasan disk masih perlu ditelusuri. Pada tahun 2014, Randall dan Rees mengemukakan bahwa justru karena piringan itulah terdapat interval 30-35 juta tahun antara peningkatan aktivitas komet dan meteor.yang beberapa ilmuwan kaitkan dengan kepunahan massal secara berkala. Setiap kali tata surya memantul ke atas atau ke bawah pada komidi putar Bima Sakti, mereka berpendapat, efek gravitasi cakram dapat mengguncang asteroid dan komet di awan Oort, tempat pembuangan di pinggiran tata surya kita dinamai menurut nama astronom Belanda. Benda-benda ini terbang menuju bagian dalam tata surya, dan sebagian jatuh ke bumi.
Tetapi Randall dan timnya hanya melakukan sepintas, dan ternyata, analisis yang salah tentang berapa banyak ruang dalam massa total Bima Sakti yang tersisa untuk cakram gelap, seperti yang dinilai dari gerakan bintang-bintang. "Mereka membuat pernyataan yang keterlaluan," kata Bovey.
Randall, yang dikenal di antara rekan-rekannya karena keuletannya (menurut Rees), membawa Kramer ke dalam kasus ini untuk menanggapi kritik dan "menghilangkan semua kerutan" dalam analisis sebelum data Gaia tersedia. Analisis baru menunjukkan bahwa setelah dark disk ada, itu tidak bisa sepadat yang diyakini timnya. Tapi masih ada ruang untuk piringan hitam tipis, karena efeknya yang menyempit dan ketidakpastian tambahan yang disebabkan oleh pergerakan murni bintang-bintang di Bima Sakti yang sedang diamati.
Chris McKee dan rekannya di University of California di Berkeley telah mengidentifikasi masalah baru, yang mereka tulis di The Astrophysical Journal. McKee berpikir bahwa cakram tipis dan gelap masih bisa masuk ke penyimpanan massal Bima Sakti. Tapi cakram ini bisa sangat tipis sehingga bisa roboh begitu saja. Mengutip penelitian dari 1960-an dan 1970-an, McKee dan rekan-rekannya menulis bahwa cakram tidak bisa lebih tipis daripada cakram gas yang terlihat di Bima Sakti, karena cakram tersebut akan runtuh. “Mungkin materi gelap memiliki sifat yang berbeda dari sifat materi biasa dan mencegahnya, tapi saya tidak tahu bisa jadi apa,” kata McKee.
Randall belum bisa menangkis serangan terbaru ini, menyebutnya "pertanyaan rumit yang saat ini sedang dipelajari." Dia juga setuju dengan pandangan yang diungkapkan oleh Bowie - bahwa piringan atom gelap bermuatan tidak signifikan dibandingkan dengan sifat materi gelap 98%. Dia sekarang sedang menjajaki kemungkinan bahwa semua materi gelap dapat diisi dengan satu gaya gelap, tetapi karena kelebihan proton gelap di atas elektron gelap, hanya sebagian kecil yang terikat menjadi atom dan dibawa ke dalam cakram. Dalam hal ini, disk dan halo harus terdiri dari elemen yang sama, "yang akan lebih ekonomis," katanya. "Kami pikir itu bisa dikesampingkan, tapi tidak berhasil."
Sejauh ini, cakram gelap tetap hidup - sebagai simbol dari segala sesuatu yang tidak diketahui tentang sisi gelap alam semesta. “Saya pikir itu sangat, sangat membantu di bidang ini bahwa orang yang berbeda melihat ide yang berbeda,” kata Bullock. "Karena kita tidak tahu apa itu - materi gelap, dan kita harus siap dengan berbagai pilihan."
