PUPUT LISTIYANA

    FOLLOW  

Menyingkap Misteri Materi Gelap dan Energi Gelap dalam Alam Semesta Melalui Fisika Kuantum

Edukasi | Thursday, 04 May 2023, 20:40 WIB

Fisika kuantum telah mengubah pandangan kita tentang alam semesta, tetapi masih ada misteri besar yang belum terpecahkan. Salah satu misteri terbesar yang masih dihadapi para ilmuwan adalah materi gelap dan energi gelap. Meskipun tidak terlihat, materi gelap dan energi gelap membentuk mayoritas dari alam semesta dan memainkan peran penting dalam struktur dan evolusi kosmos.

Apa itu materi gelap dan energi gelap

Materi gelap pertama kali diperkenalkan pada tahun 1933 oleh seorang astronom bernama Fritz Zwicky. Ia mempelajari gerakan galaksi dalam gugus Coma dan menemukan bahwa ada kekurangan massa yang signifikan dalam gugus tersebut. Zwicky menyimpulkan bahwa ada sejumlah besar materi yang tidak teramati (materi gelap) yang memberikan efek gravitasi yang lebih besar dari yang diperkirakan.

Pada tahun 1970-an, Vera Rubin dan timnya mempelajari rotasi galaksi spiral dan menemukan bahwa kecepatan rotasi galaksi-galaksi spiral tetap konstan bahkan pada jarak yang jauh dari pusat galaksi. Hal ini menunjukkan bahwa harus ada sejumlah besar materi yang tidak teramati (materi gelap) yang mempengaruhi rotasi galaksi.

Energi gelap ditemukan pada tahun 1998 oleh dua tim peneliti independen, yaitu Supernova Cosmology Project dan High-Z Supernova Search Team. Mereka menemukan bahwa alam semesta sedang mengalami percepatan ekspansi, yang menunjukkan bahwa ada sejumlah besar energi yang tidak teramati (energi gelap) yang mendorong percepatan ekspansi alam semesta.

Materi gelap sendiri adalah materi yang tidak memancarkan, menyerap, atau memantulkan cahaya, sehingga tidak terlihat melalui alat pengamatan tradisional seperti teleskop optik. Meskipun materi gelap tidak terlihat, namun keberadaannya dapat dideteksi melalui pengaruh gravitasi yang dihasilkannya terhadap objek lain dalam alam semesta. Diperkirakan materi gelap menyusun sekitar 27% dari massa keseluruhan alam semesta,

Sementara itu, energi gelap adalah bentuk energi yang diyakini menjadi penyebab dari percepatan ekspansi alam semesta. Energi gelap memiliki sifat menolak gravitasi, sehingga mengakibatkan percepatan ekspansi alam semesta yang terus berlangsung. Diperkirakan bahwa energi gelap menyusun sekitar 68% dari total energi keseluruhan alam semesta.

Sifat-sifat materi gelap dan energi gelap, dan mengapa sulit untuk mendeteksi atau mengamati keduanya

Materi gelap adalah jenis materi yang tidak dapat dilihat atau terdeteksi dengan cara yang sama seperti materi biasa, mengapa sulit untuk mendeteksi atau mengamati keduanya? Hal ini dikarenakan materi gelap dan energi gelap tidak berinteraksi dengan cahaya elektromagnetik secara langsung, yang merupakan cara yang paling umum dan mudah untuk mengamati dan mendeteksi objek di alam semesta. Namun, para ilmuwan mengetahui bahwa materi gelap ada dari efek gravitasi yang dihasilkannya pada materi yang dapat diamati. Sifat-sifat dari materi gelap adalah tidak menimbulkan radiasi elektromagnetik, tidak memancarkan cahaya, tidak bertabrakan dengan materi biasa, dan memiliki kepadatan yang sangat tinggi.

Bagaimana fisika kuantum membantu kita memahami materi gelap dan energi gelap?

Fisika kuantum membantu memahami materi gelap adalah dengan mempelajari partikel-partikel subatomik yang diduga menjadi kandidat partikel gelap. Paitikel-partikel seperti neutrino, WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), dan axion, yang diyakini dapat menjadi partikel gelap.

Teori medan kuantum, kerangka kerja matematika ini digunakan untuk mempelajari partikel subatom dan interaksi di antara mereka. Teori medan kuantum dapat digunakan untuk memodelkan interaksi antara materi gelap dan energi gelap dengan medan kosmik dan partikel-partikel yang ada di dalamnya.

Geometri kuantum adalah studi tentang struktur geometris alam semesta pada skala subatom. Beberapa penelitian mengusulkan bahwa struktur alam semesta pada skala makro dapat dipahami melalui geometri kuantum. Misalnya, model kosmologi geometri kuantum dapat digunakan untuk mempelajari efek materi gelap dan energi gelap pada bentuk dan struktur alam semesta.

Bagaimana penelitian dan eksperimen terbaru dapat membantu kita memahami materi gelap dan energi gelap lebih baik?

Eksperimen detektor partikel gelap

Para ilmuwan telah mengembangkan berbagai eksperimen detektor partikel gelap untuk mencari tanda-tanda keberadaan partikel gelap seperti WIMP atau axion. Contohnya adalah detektor CDMS dan XENON yang menggunakan bahan seperti kristal dan gas untuk menangkap partikel gelap yang melintasi detektor.

Observasi gugus galaksi dan supernova tipe Ia

Para ilmuwan mengamati gugus galaksi dan supernova tipe Ia untuk mengukur kecepatan ekspansi alam semesta dan memperkirakan jumlah materi gelap dan energi gelap di alam semesta.

Pengamatan lensa gravitasi

Teknik lensa gravitasi untuk mengamati efek gravitasi materi gelap pada cahaya dari objek jauh dan memperoleh informasi tentang sebaran materi gelap.

Simulasi komputer

Simulasi komputer untuk memodelkan evolusi alam semesta dan memperoleh wawasan baru tentang sifat-sifat materi gelap dan energi gelap.

Apa saja potensi penemuan baru yang dapat dibuka dengan memadukan fisika kuantum dan studi materi gelap dan energi gelap?

Penelitian tentang materi gelap dan energi gelap dapat memberikan pemahaman baru tentang bagaimana alam semesta bekerja, yang dapat memimpin pada pengembangan teknologi baru seperti sensor yang lebih sensitif, baterai yang lebih efisien, dan komputer yang lebih cepat.

Memahami materi gelap dan energi gelap secara lebih baik dapat membantu mengatasi banyak misteri alam semesta, seperti bagaimana alam semesta terbentuk dan bagaimana ia akan berevolusi di masa depan.

Studi materi gelap dan energi gelap dapat memunculkan teori-teori baru tentang alam semesta dan bagaimana ia bekerja, yang dapat membuka pintu untuk penemuan baru dan kemajuan ilmiah di masa depan.

Bagaimana penelitian ini dapat membantu kita memahami asal usul dan evolusi alam semesta secara keseluruhan?

Fisika kuantum dapat membantu menjelaskan fenomena kosmik yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik, seperti pergerakan galaksi yang tidak dapat dijelaskan oleh gaya gravitasi yang kita kenal.

Konsep-konsep fisika kuantum dapat diterapkan pada alam semesta secara keseluruhan, seperti entanglement dan superposisi. Dengan menerapkan konsep-konsep ini, kita dapat memahami bagaimana alam semesta bekerja pada tingkat subatomik dan bagaimana efek-efek kuantum dapat mempengaruhi evolusi alam semesta.

Gravitasi adalah salah satu kekuatan fundamental yang menggerakkan alam semesta, dan fisika kuantum dapat membantu kita memahami sifat-sifat kuantum dari gravitasi. Hal ini dapat membuka jalan bagi pengembangan teori gravitasi kuantum yang lengkap dan memungkinkan kita memahami pergerakan alam semesta dengan lebih baik.

Studi tentang materi gelap dan energi gelap dapat memberikan pemahaman baru tentang struktur alam semesta, seperti bagaimana alam semesta terbentuk dan bagaimana ia akan berevolusi di masa depan(materi gelap dapat dilihat sebagai sebuah partikel kuantum yang berada pada keadaan superposisi, di mana partikel tersebut berada di banyak tempat sekaligus. Sedangkan energi gelap dapat dilihat sebagai energi vakum kuantum yang terkait dengan konstanta kosmologis.

Evolusi alam semesta menurut fisika kuantum pada materi gelap dan energi gelap masih menjadi area penelitian yang aktif dan kompleks. Namun, salah satu teori yang paling banyak diterima adalah teori kosmologi inflasi, yang menjelaskan bagaimana alam semesta terbentuk pada awalnya dan mengapa alam semesta tampak homogen dan isotropik pada skala besar.

Bagaimana studi tentang materi gelap dan energi gelap dapat membantu kita memahami fenomena kosmik yang tidak dapat dijelaskan dengan teori konvensional, seperti percepatan pengembangan alam semesta dan bentuk galaksi-galaksi

Para ilmuwan mengira bahwa gravitasi dari benda-benda seperti bintang dan gas dapat menjelaskan percepatan pengembangan alam semesta yang diamati. Namun, setelah pengamatan yang lebih cermat, para ilmuwan menyadari bahwa percepatan pengembangan ini terus meningkat, dan tidak dapat dijelaskan dengan teori konvensional yang hanya mengandalkan gravitasi benda-benda yang dapat diamati. Dalam hal ini, konsep energi gelap muncul sebagai penjelasan yang paling mungkin, karena energi gelap diperkirakan memiliki efek gravitasi yang menghasilkan percepatan pengembangan ini.

Pada awalnya,bintang-bintang dalam sebuah galaksi diperkirakan bergerak mengikuti hukum gravitasi Newton, di mana kecepatan bintang-bintang di pinggiran galaksi akan lebih lambat daripada kecepatan bintang-bintang di dekat pusat galaksi. Namun, pengamatan menunjukkan bahwa kecepatan bintang-bintang di pinggiran galaksi sama cepatnya dengan kecepatan bintang-bintang di dekat pusat galaksi. Hal ini menunjukkan bahwa ada materi yang tidak terlihat, yaitu materi gelap, yang memberikan efek gravitasi tambahan dan mempengaruhi gerak bintang-bintang dalam sebuah galaksi.

Misteri materi gelap dan energi gelap masih menjadi tantangan besar bagi para ilmuwan, namun melalui penelitian dan eksperimen terbaru, dan dengan bantuan fisika kuantum, kita semakin mendekati pemahaman yang lebih baik tentang keduanya. Meskipun sulit untuk mendeteksi atau mengamati materi gelap dan energi gelap, pengembangan detektor partikel gelap dan pengamatan kosmologis telah membantu para ilmuwan dalam memahami distribusi materi di alam semesta. Penelitian tentang materi gelap dan energi gelap juga dapat membuka pintu untuk penemuan baru dan kemajuan ilmiah di masa depan, dan dapat membantu kita mengatasi banyak misteri alam semesta, termasuk bagaimana alam semesta terbentuk dan bagaimana ia akan berevolusi di masa depan.

Puput Listiyana, Mahasiswa Fisika, Universitas Airlangga, Surabaya, Indonesia.