Peristiwa Terkeras di Luar Angkasa Semenjak Big Bang

Luar angkasa dapat menjadi tempat yang sangat keras. Seperti halnya asteroid dan komet menabrak planet, bintang meledak atau terhisap oleh lubang hitam. Namun dalam hal skala, mungkin tidak ada yang sekeras tabrakan antar kelompok besar galaksi. Kosmik kaya ini biasanya berisi ratusan galaksi, masing-masing memiliki miliaran hingga triliunan bintang yang terikat bersama oleh gravitasi. Ketika satu cluster terlalu dekat ke yang lain, gravitasi mereka saling menyentak bersama-sama. Tabrakan yang dihasilkan besar dan menghasilkan lebih banyak energi ketimbang peristiwa lain semenjak peristiwa Big Bang.

Salah satu yang terbesar dan paling terkenal yaitu cluster bullet. Pada setengah tabrakan yang melibatkan dua kelompok dan dengan total lebih dari ribuan galaksi, dampaknya begitu kuat sehingga menimbulkan gelombang kejut besar berbentuk seperti peluru. Tentunya, bekas tabrakan juga mengesankan. Tetapi para astronom tidak hanya melirik pada pemandangannya saja. Apa yang menarik perhatian meraka adalah bahwa tabrakan telah menyingkap materi gelap yang tak terlihat.

Bullet Cluster
(Kredit: X-ray NASA)

Materi gelap diduga menjadi perekat yang mengikat cluster bersama-sama, membentuk dasar gravitasi dari bintang, gas, dan galaksi di seluruh alam semesta. Ini terdiri dari seperempat kosmos (jagad), namun itu tidak terlihat dan tidak ada yang tahu apa itu. Namun berkat cluster bullet, para ilmuwan dapat menikmati pemandangan deretan depan dari hal-hal yang misterius. Tabrakan itu telah terkena materi gelap, memisahkannya dari materi biasa dari bintang dan gas, menghasilkan salah satu bagian terbaik dari bukti-bukti langsung bahwa materi gelap benar-benar ada.

“Ini adalah objek favorit saya di alam semesta”, kata Marusa Bradac, seorang astrofisikawan di Universitas California, AS. Dan itu bukan hanya karena peristiwa itu memberitahu ilmuwan tentang materi gelap. Cluster berfungsi sebagai alat serbaguna, membantu peneliti mempelajari beberapa galaksi pertama yang pernah ada. Ini juga merupakan laboratorius kosmik dimana fisikawan dapat mempelajari perilaku mendasar dari gas panas bermuatan listrik yang disebut plasma.

Cluster bullet terletak di langit selatan, 3,7 miliar tahun cahaya dari bumi. Ini terdiri dari dua kelompok terpisah yang membanting ke satu sama lain pada kecepatan sekitar 6 juta mil/jam (10 juta km/jam). Sementara cepat berdasarkan standar manusia, itu tidak akan memecahkan rekor kosmik (beberapa bintang dapat melaju lebih cepat). Tapi apa yang membuat tabrakan begitu energik adalah ukurannya yang menakjubkan.

Satu cluster adalah seribu triliun kali lebih besar dari matahari. Di sisi lain memiliki berat sekitar seratus triliun matahari. Bila anda memisalkan seperti kelas berat yang menabrak satu sama lain, gas penyusunnya memanas hingga 200 juta Celcius, membuat cluster bullet menjadi salah satu cluster terpanas yang dikenal.

Para peneliti memperkirakan bahwa total energi tumbukan kira-kira 1 octodelicillion Joules, bagi negara merupakan jumlah yang konyol dari energi. Ini setara dengan energi yang dihasilkan oleh sekitar enam triliun matahari yang terbakar selama usia alam semesta, sekitar 13,8 miliar tahun. Keseluruhan tabrakan begitu luas dalam hal waktu dan ruang. Ini akan memerlukan waktu 6 juta tahun cahaya untuk melakukan perjalanan dari satu ujung ke ujung lainnya. Tabrakan seperti yang terlihat saat ini diperkirakan telah berlangsung selama 150 juta tahun, yang merupakan waktu yang singkat dalam hal kosmik. Hal ini memberikan para astronom pandangan sekilas dari hal yang belum pernah terjadi sebelumnya dari tabrakan seperti itu. Ini tidak akan semua menetap untuk beberapa miliar tahun lagi.

Sementara waktu, massa yang luar biasa dan energi dari cluster bullet membedakannya, itu adalah orientasi yang membuatnya bahkan lebih unik. Secara kebetulan, tabrakan sejajar tegal lurus terhadap garis pandang kita. “Kami melihatnya seperti jika kita penonton duduk persis di sisi itu,” ucap Andrey Kravtsov, astrofisikawan di Universitas Chicago, AS. Dengan tetap berada di rumah, astronom dapat memeriksa tabrakan dengan lebih presisi daripada cluster lain sejauh ini. Hal tersebut telah memungkinkan mereka untuk langsung mendeteksi materi gelap untuk pertama kalinya.

Composite Image of Bullet Cluster
(Kredit: X-ray NASA)

Pada tahun 2006, menindaklanjuti beberapa pengamatan menggoda dua tahun sebelumnya, Bradac dan tim astronom yang dipimpin oleh Douglas Clowe, sekarang di Universitas Ohio, AS, menganalisis data baru dari teleskop luar angkasa Hubble dan observatory Chandra X-ray, teleskop luar angkasa yang melihat dalam sinar X, penting untuk pemetaan di mana materi normal ada di cluster.

Sebagian besar materi normal dalam sebuah cluster terdiri dari gas. Karena cluster begitu besar, gravitasi menarik kuat pada molekul gas, mempercepat dan membuat mereka panas yang menyebabkan mereka untuk memancarkan radiasi X-ray. Tabrakan cluster hanya memanaskan gas lebih lanjut menghasilkan sinar X yang lebih energik. Ini berarti bahwa sinar C dapat mengungkapkan kepada astronom sebagian besar materi normal dalam kebohongan cluster.

Untuk pertama kalinya, astronom mendeteksi materi gelap dalam isolasi yang nampak.

Lalu dengan menggunakan data Hubble, para peneliti dapat memetakan lokasi dari massa cluster. Apapun dengan massa baik materi normal dan materi gelap memiliki gravitasi yang dapat membelokan cahaya dari galaksi di latar belakang. Lebih banyak massa, lebih kuat bertindak sebagai lensa, dan lebih banyak cahaya yang dibelokan.

Menempatkan pengamatan ini bersama-sama, para astronom menemukan bahwa sebagian besar massa itu tidak berada di mana sebagaian besar gas itu. Sekitar 80 % dari massa cluster bullet ini terkonsentrasi di daerah yang tidak menyinarkan sinar terkuat baik itu sinar-X maupun jenis cahaya lain. Jika bagian tersebut bukan gas, maka bisa jadi merupakan materi gelap. Biasanya, barang biasa seperti gas dan bintang tertanam dalam lingkaran cahaya besar dari hal-hal gelap, semua disatukan dengan gravitasi. Tetapi tabrakan besar seperti pada cluster bullet dapat memisahkan kedua bagian.

Ketika dua cluster berbenturan, awan gas bertabrakan dan perlahan saling menjatuhkan masing-masing. Tetapi karena materi gelap hampir tidak berinteraksi dengan apapun, itu terus terjadi, melewati cluster lain bagaikan hantu, meninggalkan gas di belakang. Karena astronom kebetulan menangkap cluster bullet pada pertengahan tabrakan, pengukuran mereka telah menangkap momen bahwa materi gelap telah mulai kehabisan gas. Untuk pertama kalinya, astronom mendeteksi materi gelap dalam isolasi yang nampak.

Sebagai sebuah konsep, materi gelap bukanlah hal baru. Para ilmuwan telah membuat hipotesis keberadaannya sejak tahun 1930-an.

Itu benar-benar jelas bahwa sifat-sifat materi yang kita lihat tidak seperti apa yang kita tahu di bumi.

Sementara kebanyakan berpikir itu nyata, hampir setiap baris bukti telah tidak langsung. Sebagai contoh, beberapa galaksi yang berputar sangat cepat sehingga mereka harus terbang terpisah. Sesuatu seperti materi gelap harus tertarik pada bintang-bintang, memegang galaksi bersama-sama. Tanpa bukti langsung, namun ada beberapa ruang gerak untuk hal-hal yang benar-benar ada.

Beberapa peneliti menyarankan bahwa anda tidak perlu semacam materi misterius untuk menjelaskan pengamatan ingin tahu. Sebaliknya, mereka mengatakan mungkin hukum gravitasi salah, berperilaku berbeda pada skala besar. Jika anda mengubah gravitasi, anda dapat menjelaskan fenomena aneh yang mengisyaratkan materi gelap.

“Tapi ketika hasil cluster bullet datang, itu benar-benar jelas bahwa sifat-sifat materi yang kita lihat tidak seperti apa yang kita tahu di Bumi,” kata Bradac. Teori-teori modifikasi dari gravitasi tidak bisa menjelaskan mengapa komponen besar materi terpisah dari gas. “Karena itu begitu jelas dipisahkan, semua teori-teori memodifikasi gravitasi pada dasarnya dikesampingkan.”

Beberapa masih berpendapat bahwa jenis yang tidak diketahui dari neutrino bisa membuat massa tak terlihat di cluster bullet. Tapi itu tetap pendapat minoritas. “Sebagian besar masyarakat astronomi percaya ini adalah beberapa bukti kuat untuk materi gelap,” kata Kravtsov.

Tapi hanya mengetahui materi gelap tidak cukup. Para ilmuwan ingin tahu apa itu. Mereka berpendapat bahwa itu harus dibuat dari beberapa partikel yang belum diketahui seluruhnya, atau kelas partikel, yang tidak berinteraksi dengan partikel normal atau memproduksi segala jenis radiasi. Hal tersebut menjelaskan mengapa sangat sulit untuk mengidentifikasinya. Bahkan, menurut teori yang paling populer, partikel-partikel materi gelap bahkan tidak berinteraksi satu sama lain. 

Meskipun upaya bersama, namun para peneliti belum mendeteksi keberadaan partikel tersebut, mendorong beberapa untuk mengusulkan ide-ide baru. Mungkin mereka mengatakan partikel materi gelap dapat berinteraksi sendiri setelah semua, bertabrakan dan memantul dari satu sama lain seperti bola bilyar. Faktanya, disana bisa jadi keseluruhan kelompok partikel gelap yang berinteraksi seperti materi biasa. Mungkin proton gelap, elektron gelap dan bahkan foton gelap.

The "Musket Ball" Galaxy Cluster
(Kredit: NG Images/Alamy Stock Photo)

Salah satu cara untuk menentukan apakah materi gelap berinteraksi dengan dirinya sendiri dan jika demikian, seberapa kuat itu untuk membanting partikel bersama-sama. Apakah mereka tergabung satu sama lain atau mereka saling terpental?

Kami benar-benar dapat menempatkan nomor pada sifat-sifat materi gelap.

Untungnya bagi para ilmuwan, mereka tidak harus mengalami kesulitan membangun collider partikel materi gelap, karena mereka bertabrakan secara alami di cluster bullet. Galaksi-galaksi di penggabungan dua cluster tersemat dalam lingkaran cahaya dari materi gelap, sehingga ketika cluster bertabrakan, begitu juga dengan materi gelap. 

Pengamatan sejauh ini menunjukkan bahwa di cluster bullet, materi gelap tampaknya tidak berinteraksi dengan dirinya sendiri sangat banyak. Itu tidak selalu berarti materi gelap tidak bisa berinteraksi, tetapi menempatkan batas pada kekuatan interaksi tersebut. Karena tabrakan jelas diamati dan didefinisikan dengan baik, cluster bullet menyediakan beberapa pengukuran terbaik, ucap Bradac.

“Kami benar-benar dapat menempatkan angka pada sifat-sifat materi gelap,” katanya. “Itu sesuatu yang belum benar-benar telah dilakukan sebelumnya.”

Tapi ada ruang untuk perbaikan. Sebagai peneliti terus menyempurnakan simulasi komputer mereka dari cluster bullet, mereka dapat mengetahui lebih detail apa yang terjadi dan mengukur sifat dari materi gelap lebih baik. Tentu saja data lain diperlukan. Bradac merupakan bagian dari tim yang berbasis di AS yang mempelajari 25 tabrakan gugus galaksi lain. Harapannya adalah bahwa dalam beberapa tahun, setelah analisis selesai, para peneliti akan tahu pasti apakah materi gelap berinteraksi dengan dirinya sendiri atau tidak.

Ini salah satu dari beberapa kasus di mana kita melihat kejutan kosmik yang jelas.

Tetapi sementara materi gelap membuat cluster bullet tenar, tetapi tidak semua terntang itu. Bradac telah benar-benar bergerak melewati cluster, menyelidiki galaksi di belakangnya. Karena cluster begitu besar, gravitasinya membelokan sinar cahaya yang berasal dari latar belakang galaksi, fenomena yang sama yang memungkinkan para astronomuntuk menimbang cluster. Efek lensa gravitasi ini ternyata membuat cluster bullet menjadi kaca pembesar raksasa yang membawa latar belakang galaksi ke tampilan yang lebih dekat. 

Latar belakang galaksi yang jauh penting karena mereka merupakan yang pertama yang pernah terbentuk. Cluster bullet menawarkan sekilas tentang alam semesta muda dan bagaimana galaksi tercipta. Bradac merupakan bagian dari proyek untuk survei cluster lainnya, menggunakan mereka sebagai lensa untuk mempelajari galaksi pertama.

Adapun cluster bullet itu sendiri, itu membantu fisikawan memahami perilaku dasar gas panas bermuatan listrik yang disebut plasma. Ini adalah contoh yang unik tentang bagaimana dua cluster galaksi dapat menghasilkan gelombang listrik besar. “Ini salah satu dari beberapa kasus di mana kita melihat kejutan kosmik yang jelas,” kata Kravtsov.

Guncangan tersebut juga ada di tata surya. Matahari memuntahkan keluar partikel bermuatan yang disebut angin matahari. Ketika partikel menghantam magnetosfer bumi, gelombang pelindung yang terbentuk oleh medan magnet planet, mereka menghasilkan kejutan.

Dalam beberapa tahun ke depan, instrumen ini dapat menemukan hingga puluhan ribu cluster.

Dibandingkan dengan cluster, plasma tata surya adalah padat dan di hadapan medan magnet yang kuat. Tapi meskipun ada perbedaan, mempelajari fisika dari plasma di cluster bullet dapat memberikan wawasan tentang plasma di tata surya dan di tempat lain.

Yang jelas, cluster galaksi seperti cluster bullet sangatlah berguna. Mereka relatif jarang, Kravtsov mengatakan bahwa sebagai kelompok ukuran raksasa tersebut hanya mengalami tabrakan besar sekali atau dua kali dalam seluruh hidup mereka.

Tapi astronom memindai langit dengan dua teleskop di Chile, kamera energi gelap pada teleskop Blanco dan teleskop Atacama Cosmology untuk berburu lebih banyak cluster. Survei ini akan menemukan yang terbesar, di atas seratus triliun kali massa matahari, yang mungkin ada ratusan ribu di alam semesta.

Dalam beberapa tahun ke depan, instrumen ini dapat menemukan hingga puluhan ribu cluster, termasuk lainnya seperti cluster bullet. Sampai saat itu meskipun cluster bullet tetap menjadi salah satunya.

Diperbarui pada 25 Januari 2017.