Mereka mengatakan bahwa ada materi paling gelap di alam semesta (jika kita berbicara tentang materi secara umum). Namun dalam kehidupan sehari-hari kita praktis tidak menjumpainya. Kita tahu Matahari - benda paling masif di Tata Surya - terbuat dari materi biasa (proton, neutron, dan elektron), tetapi ada banyak sumber lain, termasuk planet, gas, debu, plasma, dan sisa-sisa bintang. Materi gelap tidak ada di antara mereka - dan bahkan Model Standar tidak mendeskripsikan partikelnya. Tentu saja, materi gelap bukanlah satu-satunya cara untuk menjelaskan fenomena gravitasi yang diamati di alam semesta. Pilihan lainnya adalah memodifikasi teori gravitasi, yang telah dicoba oleh banyak orang. Hal ini memunculkan ide Modifikasi Newtonian Dynamics (MOND) dan teori lain, yang masih menjadi alternatif populer untuk materi gelap.
Untuk memulai di suatu tempat, kita perlu kembali ke tahun 1800-an dan berbicara tentang masalah yang sudah ada jauh sebelum "massa yang hilang" (atau "cahaya hilang") yang coba dipecahkan oleh materi gelap dan MOND: masalah Uranus-Merkurius. Hukum gravitasi Newton, yang dipelopori oleh Newton pada tahun 1600-an, sangat berhasil dalam mendeskripsikan segala sesuatu - sejauh yang kita tahu - penerapannya. Dari pergerakan proyektil hingga objek bergulir; dari berat benda hingga detak jam pendulum; dari daya apung perahu hingga orbit bulan mengelilingi bumi, gravitasi Newton tidak pernah gagal.
Tiga hukum Kepler, kasus khusus rumus gravitasi Newton, diterapkan pada semua planet yang dikenal pada tingkat yang sama:
1. Planet-planet bergerak dalam bentuk elips dengan Matahari di salah satu fokusnya.
2. Setiap planet bergerak dalam bidang yang melewati pusat Matahari, dan untuk interval waktu yang sama vektor jari-jari yang menghubungkan Matahari dan planet menggambarkan luas yang sama.
3. Kuadrat periode orbit planet-planet yang mengelilingi Matahari disebut sebagai pangkat dua dari sumbu semi-mayor planet.
Dunia luar dan dalam yang diketahui semua mematuhi hukum ini, sehingga tidak ada penyimpangan yang terdeteksi selama ratusan tahun. Tetapi dengan ditemukannya Uranus pada tahun 1781, sesuatu berubah. Sementara planet terakhir yang ditemukan bergerak dalam elips mengelilingi Matahari, ia bergerak dengan kecepatan yang salah jika dibandingkan dengan hukum gravitasi yang diprediksi.
Video promosi:
Dalam 20 tahun pertama sejak pembukaannya, itu bergerak lebih cepat, setiap malam dan setiap tahun, daripada yang didikte oleh hukum. Selama 20-25 tahun berikutnya, planet ini bergerak sesuai dengan hukum. Tapi kemudian melambat, dan kecepatannya turun di bawah perkiraan.
Apakah ada kesalahan dalam hukum gravitasi? Mungkin. Tapi mungkin juga ada lebih banyak materi - sesuatu yang tak terlihat, materi gelap - yang mempengaruhi Uranus, menyebabkan gangguan pada orbitnya. Ini lebih seperti kebenaran. Setelah perang teoretis antara Urbain Le Verrier dan John Coach Adams, yang bekerja secara independen dan membuat prediksi tentang lokasi planet baru, prediksi Le Verrier dikonfirmasi oleh Johann Halle dan asistennya Heinrich d'Arre pada tanggal 23 September 1846. Planet Neptunus ditemukan, objek pertama yang disimpulkan dari efek massanya: pengaruh gravitasi.
Di sisi lain, planet dalam Merkurius - berkat peningkatan akurasi pengamatan dan kombinasi dengan data sekuler - mulai menunjukkan pelanggaran yang lebih aneh lagi terhadap hukum gravitasi. Jika hukum Kepler memprediksikan bahwa planet-planet harus bergerak dalam elips ideal dengan Matahari di salah satu fokusnya, maka dengan syarat tidak ada massa lain yang melanggar atau mempengaruhi sistem tersebut. Tetapi tidak ada massa di sekitarnya, dan Merkurius tidak bergerak di sepanjang elips yang sempurna. Presesi elipsnya dari waktu ke waktu.
Dengan menggunakan hukum gravitasi Newton, kita dapat memperhitungkan pengaruh semua planet yang diketahui (termasuk Neptunus). Setelah melakukan semua ini, kita akan menemukan bahwa masih ada perbedaan kecil antara yang diprediksi dan yang diamati: presesi 43 per abad, atau 0,012 derajat per abad. Tapi ini bukan kecelakaan.
Apa penjelasannya kali ini? Apakah massa tak terlihat baru ini terkait dengan interior Merkurius? Atau apakah masalah sebenarnya telah merayap ke dalam hukum gravitasi? Pencarian menyeluruh untuk jawaban atas pertanyaan ini menghasilkan planet teoritis baru Vulcan, yang seharusnya lebih dekat ke Matahari daripada yang lainnya. Tapi tidak ada Vulcan yang ditemukan. Solusinya datang pada tahun 1915 ketika Einstein menguraikan teorinya tentang relativitas umum.
Sekarang kita akan melewatkan waktu hingga tahun 1970-an - hingga sejumlah pengamatan ilmiah oleh Vera Rubin. Kami mengamati galaksi individu - khususnya galaksi edge-on - dan mengukur profil kecepatannya. Kita melihat satu sisi galaksi dan melihat bahwa ia bergerak ke arah kita (dengan pergeseran biru), kita melihat sisi lainnya - ia bergerak menjauh dari kita (dengan pergeseran merah), dan inilah cara kita menentukan rotasi galaksi. Apa yang kita harapkan dari mereka? Seperti tata surya kita, bintang-bintang dalam harus berputar lebih cepat, dan semakin jauh dari pusatnya, semakin rendah kecepatannya. Tapi bukan itu yang kami temukan.
Sebaliknya, kecepatan rotasi setiap galaksi tetap konstan terlepas dari jaraknya. Mengapa? Sekali lagi, ada dua pilihan: hukum gravitasi perlu diperbaiki, atau kita harus mengasumsikan adanya kelebihan massa yang tidak terlihat.
MOND pertama kali diperhatikan oleh Moti Milgrom pada tahun 1981, yang mengamati bahwa jika kita mengubah hukum gravitasi pada percepatan yang sangat rendah - seperti pecahan nanometer per detik kuadrat - kita dapat menjelaskan kurva rotasi ini. Selain itu, modifikasi yang sama, tunggal dan konsisten, dapat menjelaskan rotasi semua galaksi, dari yang terkecil hingga terbesar. MOND masih melakukannya dan melakukannya dengan baik.
Materi gelap, di sisi lain, menunjukkan bahwa selain partikel normal Model Standar dan materi biasa "proton, neutron, dan elektron" yang membentuk hampir semua yang kita ketahui, ada jenis materi baru. Untuk menjelaskan fenomena rotasi, diusulkan untuk memperkenalkan lingkaran besar materi yang tidak berinteraksi dengan cahaya, tetapi tidak saling menempel, dan tidak berinteraksi dengan materi biasa, kecuali secara gravitasi. Itulah gagasan materi gelap.
Materi gelap dapat menjelaskan kurva rotasi ini, tetapi ia tidak melakukannya sebaik MOND. Simulasi numerik untuk lingkaran cahaya, yang menghasilkan model materi gelap paling sederhana sekalipun, tidak cocok dengan pengamatan; lingkaran cahaya terlalu "dirobohkan" di tengah dan terlalu "halus" di pinggiran. (Dari sudut pandang teknis, mereka tampaknya lebih isotermal dari yang diharapkan). Singkatnya, MOND adalah pemimpin yang jelas pada awalnya.
Namun di sana, selanjutnya, seluruh Semesta dimulai. Saat Anda mengusulkan teori baru untuk menggantikan teori lama - bagaimana relativitas umum menggantikan hukum Newton - teori Anda harus memenuhi tiga prinsip:
1. Itu harus mereproduksi kesuksesan penuh dari teori terkemuka sebelumnya.
2. Itu harus berhasil menjelaskan fenomena baru (atau fenomena) yang diciptakannya.
3. Dan dia harus membuat prediksi baru yang akan diverifikasi secara eksperimental atau observasi, dikonfirmasi atau disangkal, sehingga itu unik untuk teori baru.
Kita berbicara tentang semua keberhasilan teori terkemuka sebelumnya, dan jumlahnya banyak.
Ada kelengkungan gravitasi cahaya bintang berdasarkan massa, pelensaan gravitasi kuat dan lemah. Ada efek Shapiro. Ada dilatasi waktu gravitasi dan pergeseran merah gravitasi. Ada konsep Big Bang dan konsep alam semesta yang mengembang. Ada pergerakan galaksi di dalam kelompok dan pengelompokan galaksi itu sendiri pada skala terbesar.
Dalam kasus semua contoh ini - semua - MOND mengalami kekalahan telak, baik karena tidak menawarkan prediksi apa pun atau dengan membuat prediksi yang sangat tidak konsisten dengan data yang tersedia. Anda dapat dengan tepat menunjukkan bahwa MOND tidak pernah dimaksudkan sebagai teori yang lengkap, tetapi lebih merupakan gambaran dari satu fenomena yang dapat mengarah pada teori yang lebih lengkap. Banyak orang sedang mengerjakan ekstensi MOND yang dapat menjelaskan pengamatan ini, tetapi tidak berhasil.
Tetapi jika Anda melanjutkan hukum gravitasi Einstein dan menambahkan bahan baru, materi gelap dingin, Anda dapat menjelaskan semuanya, termasuk beberapa nuansa baru yang tidak biasa.
Anda dapat menjelaskan pola pengelompokan yang diamati dalam struktur skala besar alam semesta jika Anda memiliki materi gelap lima kali lebih banyak daripada materi biasa.
Dan yang lebih mengesankan lagi adalah Anda dapat membuat prediksi yang benar-benar baru: Ketika dua gugus galaksi bertabrakan, gas di dalamnya memanas, melambat, dan memancarkan sinar-X, sedangkan massa yang kita lihat dengan lensa gravitasi mengikuti materi gelap dan digantikan oleh sinar-X. Prediksi baru ini telah dikonfirmasi secara eksperimental dan telah bertahan selama sepuluh tahun, memberikan konfirmasi tidak langsung tentang keberadaan materi gelap.
MOND memiliki keuntungan dalam menjelaskan kurva rotasi galaksi lebih baik daripada materi gelap. Tetapi ini bukan teori fisik dan tidak sesuai dengan pengamatan lengkap yang kami miliki. Materi gelap ada - setidaknya dalam teori - karena ia memberi kita alam semesta yang sama, konsisten, tanpa modifikasi apa pun.
Tapi kegagalan MOND saat ini, secara kosmologis, menempatkannya di bawah materi gelap. Biarkan dia mereproduksi semua keberhasilan relativitas umum, menjelaskan fenomena baru, membuat prediksi yang dapat dikonfirmasi - dan para ilmuwan niscaya akan beralih ke keyakinan baru. Bagaimanapun, mereka adalah ilmuwan yang baik.
