Materi gelap, materi tak terlihat yang membentuk sebagian besar massa alam semesta, dapat berkumpul menjadi atom, simulasi baru menunjukkan. "Atom gelap" ini secara radikal dapat mengubah evolusi galaksi dan pembentukan bintang, memberi para astronom kesempatan baru untuk memahami zat misterius ini.
Materi gelap membentuk lebih dari 80% massa setiap galaksi dan gugus galaksi di alam semesta. Semua pengamatan kami menunjukkan bahwa materi gelap adalah sejenis partikel baru yang tidak berinteraksi dengan materi biasa atau bahkan dengan cahaya. Kami hanya dapat mengidentifikasi materi gelap melalui interaksi gravitasinya dengan yang lainnya. Apa pun materi gelap itu, itu di luar pemahaman fisika modern kita. Tetapi ia masih memiliki massa, dan karena itu gravitasi.
Kami belum tahu apakah materi gelap itu sederhana atau kompleks. Itu hanya dapat terdiri dari satu jenis partikel yang mendominasi alam semesta dan hampir tidak berinteraksi bahkan dengan dirinya sendiri. Atau bisa terdiri dari beberapa jenis partikel, dengan kekayaan variasi yang sama seperti yang kita lihat pada materi biasa. Selain itu, kita hanya mengetahui empat gaya dasar alam: gravitasi, elektromagnetisme, interaksi nuklir kuat, dan interaksi nuklir lemah. Tapi mungkin ada gaya tambahan yang hanya bekerja di antara partikel materi gelap dan tidak memengaruhi materi normal sama sekali.
Konsep partikel materi gelap tambahan dan gaya gelap tidak dibuat-buat seperti kelihatannya. Pemahaman kita tentang fisika dibangun di atas simetri, yang merupakan hubungan matematis yang dalam antar partikel. Ada kemungkinan bahwa ada simetri tambahan dalam hukum alam yang menjadikan materi gelap setara dengan materi normal, dan bahwa untuk setiap jenis interaksi yang dapat dilakukan materi normal, ada pasangan di sektor gelap.
Misalnya, dari materi biasa kita dapat membangun atom sederhana: proton dan elektron, terhubung satu sama lain, dengan foton, pembawa gaya elektromagnetik, yang menengahi interaksi. Kita juga dapat memiliki versi struktur materi gelap yang sama, dengan proton gelap yang terikat pada elektron gelap oleh foton gelap: atom gelap.
Materi gelap atom akan berperilaku jauh berbeda dari materi gelap yang hanya terdiri dari satu partikel. Yang terpenting, akan sangat sulit bagi materi gelap sederhana untuk menggumpal, dan itu akan terjadi sangat lambat, selama ratusan juta tahun. Materi biasa berkumpul dalam gumpalan halus materi gelap ini untuk membentuk galaksi, tetapi sebaliknya mereka menjalani kehidupan yang terpisah. Materi gelap atom, bagaimanapun, dapat membentuk galaksi bayangannya sendiri – struktur seperti cakram yang meniru ukuran dan lokasi galaksi yang terlihat.
Sebuah tim ahli astrofisika menggunakan kemungkinan yang menarik ini untuk memodelkan evolusi galaksi dan melihat perbedaan yang diamati mungkin muncul. Mereka membiarkan materi gelap atom berevolusi sesuai dengan kekuatannya sendiri dan kemudian menyelidiki bagaimana struktur baru ini akan memengaruhi galaksi yang terlihat melalui organisasi gravitasi yang baru. Mereka menerbitkan hasilnya dalam database pracetak online pada bulan April arXiv.
Para peneliti menemukan bahwa bahkan sejumlah kecil materi gelap atom – hanya 6% dari semua materi gelap di alam semesta, tidak termasuk yang lainnya – cukup untuk mengubah evolusi galaksi secara radikal. Karena materi gelap atom mampu berinteraksi, ia dapat dengan mudah mengembun, kehilangan energi melalui pancaran beberapa bentuk radiasi gelap. Simulasi menunjukkan bahwa "cakram gelap" dengan cepat muncul di dalam setiap galaksi, putarannya sangat mirip dengan putaran komponen normal yang terlihat.
Dari sana, materi gelap atom terus memadat, sama seperti gas biasa mengembun menjadi awan dan akhirnya menjadi bintang. Dalam simulasi, materi gelap atom membentuk bintang gelapnya sendiri dan bahkan dapat menyebabkan lubang hitamnya sendiri terbentuk. Gumpalan ini kemudian tenggelam ke dalam inti galaksi, di mana kerapatannya meningkat.
Karena gravitasi ekstra ini, pembentukan bintang di inti galaksi dipercepat, membentuk bintang jauh lebih cepat daripada galaksi dengan materi gelap sederhana. Simulasi ini sebenarnya mengesampingkan beberapa model materi gelap atom karena model tersebut menyebabkan galaksi mereka kehabisan bahan pembentuk bintang baru terlalu cepat.
Tetapi beberapa model telah bertahan dari batas pengamatan saat ini, memungkinkan kemungkinan lebih lanjut dari keberadaan materi gelap atom. Para peneliti berharap bahwa studi teoretis dan eksperimental lebih lanjut akan menjelaskan kemungkinan bentuk materi eksotis yang menarik ini. Misalnya, karena materi gelap atom mengembun dengan sangat efisien, kita mungkin dapat mendeteksi gumpalan padat seperti bintang dengan studi pelensaan mikro gravitasi di masa depan menggunakan Teleskop Antariksa Nancy Grace NASA di Roma.
Baca juga: