Materi gelap diperkirakan merupakan penyusun sebagian besar materi di alam semesta, namun para ilmuwan masih belum bisa mengamatinya secara langsung. Berbeda dengan materi biasa, materi gelap tidak berinteraksi dengan gaya cahaya atau elektromagnetik, sehingga gravitasi menjadi satu-satunya cara yang diketahui untuk mendeteksi keberadaannya. Kini para peneliti berpikir tabrakan lubang hitam bisa memberikan cara baru untuk mencari petunjuk tentang zat tak kasat mata ini.
Fisikawan dari MIT dan beberapa institusi Eropa telah mengembangkan metode untuk mengidentifikasi kemungkinan tanda-tanda materi gelap yang tersembunyi dalam gelombang gravitasi. Riak-riak dalam ruang dan waktu ini tercipta ketika benda-benda besar seperti lubang hitam berputar dan menyatu. Jika lubang hitam ini melewati awan padat materi gelap sebelum bertabrakan, gelombang gravitasi yang dihasilkan dapat membawa jejak halus dari interaksi ini.
Tim menguji pendekatan mereka menggunakan data yang tersedia untuk umum yang dikumpulkan oleh LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), jaringan observatorium gelombang gravitasi internasional yang memantau penggabungan lubang hitam dan peristiwa kosmik jauh lainnya.
Mencari petunjuk materi gelap dalam gelombang gravitasi
Para peneliti menganalisis sinyal yang dikumpulkan selama tiga periode pengamatan pertama LVK. Mereka fokus pada 28 peristiwa gelombang gravitasi paling jelas yang terdeteksi sejauh ini.
Untuk 27 peristiwa ini, sinyalnya sesuai dengan apa yang diharapkan para ilmuwan dari penggabungan lubang hitam di ruang kosong. Namun satu sinyal, yang dikenal sebagai GW190728, tampak berbeda. Menurut analisis tim, pola gelombang gravitasi ini mungkin mengandung bukti adanya interaksi dengan materi gelap.
Para peneliti menekankan bahwa ini bukan merupakan penemuan materi gelap yang telah dikonfirmasi. Sebaliknya, teknik baru ini menyediakan cara untuk menganalisis data gelombang gravitasi untuk mencari sinyal menjanjikan yang kemudian dapat dipelajari lebih dalam.
“Kita tahu bahwa materi gelap ada di sekitar kita. Ia harus cukup padat agar kita bisa melihat dampaknya,” kata Josu Aurrekoetxea, peneliti postdoctoral di departemen fisika MIT. “Lubang hitam menyediakan mekanisme untuk meningkatkan kepadatan ini, yang sekarang dapat kita cari dengan menganalisis gelombang gravitasi yang dipancarkan saat mereka bergabung.”
Hasilnya muncul di Surat Tinjauan Fisik. Aurrekoetxea ikut menulis penelitian ini bersama anggota LVK Soumen Roy dari Catholic University of Louvain (UCLouvain) di Belgia, Rodrigo Vicente dari University of Amsterdam, Katy Clough dari Queen Mary University of London dan Pedro Ferreira dari University of Oxford.
Bagaimana lubang hitam dapat memperkuat materi gelap
Materi gelap masih menjadi salah satu misteri terbesar dalam fisika. Para ilmuwan menyimpulkan keberadaan mereka karena gravitasi di sekitar galaksi tampak lebih kuat daripada yang bisa dijelaskan oleh materi kasat mata. Pengamatan pelensaan gravitasi, di mana cahaya membelok di sekitar galaksi, menunjukkan bahwa ada sumber massa tambahan yang tidak terlihat yang mempengaruhi ruang angkasa.
Perkiraan saat ini menunjukkan bahwa materi gelap dapat membentuk lebih dari 85% materi di alam semesta. Namun, para peneliti masih belum mengetahui apa sebenarnya materi gelap itu.
Salah satu bentuk yang diusulkan melibatkan partikel yang sangat ringan yang disebut partikel “skalar cahaya”. Teori menyatakan bahwa partikel-partikel ini dapat berperilaku seperti gelombang terkoordinasi di dekat lubang hitam.
Para ilmuwan percaya bahwa ketika gelombang ini bertemu dengan lubang hitam yang berputar cepat, energi rotasi lubang hitam dapat ditransfer ke gelombang materi gelap, sehingga meningkatkan kepadatannya secara signifikan. Proses ini, yang dikenal sebagai superradiance, disamakan dengan mengocok krim menjadi mentega.
Jika kepadatannya menjadi cukup tinggi, materi gelap dapat mengubah gelombang gravitasi yang dihasilkan ketika lubang hitam bertabrakan.
Memprediksi jejak materi gelap di ruangwaktu
Untuk mempelajari kemungkinan ini, para peneliti membuat simulasi rinci penggabungan lubang hitam dalam berbagai kondisi. Faktor-faktornya bervariasi, termasuk massa dan ukuran lubang hitam, jumlah materi gelap di sekitarnya, dan kepadatan materi tersebut.
Dengan menggunakan simulasi ini, tim memperkirakan bagaimana gelombang gravitasi akan muncul jika lubang hitam bergabung di lingkungan materi gelap yang padat, bukan di ruang hampa.
Model ini juga memperhitungkan bagaimana gelombang ini akan berevolusi saat menempuh perjalanan jutaan tahun cahaya sebelum mencapai detektor di Bumi.
Para peneliti kemudian membandingkan prediksinya dengan observasi LVK sebenarnya. Dari 28 sinyal terkuat yang diperiksa, GW190728 adalah satu-satunya peristiwa yang menunjukkan kesesuaian dengan skenario materi gelap.
GW190728 pertama kali terdeteksi pada 28 Juli 2019. Penelitian sebelumnya menetapkan bahwa sinyal tersebut berasal dari dua lubang hitam yang massa gabungannya sekitar 20 kali massa Matahari. Menurut analisis baru, lubang hitam ini mungkin telah menyatu menjadi awan materi gelap yang padat.
Alat baru yang menjanjikan untuk penelitian materi gelap
“ Signifikansi statistik dari hal ini tidak cukup tinggi untuk memenuhi syarat sebagai deteksi materi gelap, dan pemeriksaan lebih lanjut harus dilakukan oleh kelompok independen,” kata Aurrekoetxea. “Apa yang menurut kami penting untuk ditekankan adalah bahwa tanpa model gelombang seperti yang kami miliki, kami dapat mendeteksi penggabungan lubang hitam di lingkungan materi gelap, namun secara konsisten mengklasifikasikannya sebagai terjadi dalam ruang hampa.”
Para peneliti mengatakan meningkatnya jumlah pengamatan gelombang gravitasi dapat menjadikan pendekatan ini semakin berguna di tahun-tahun mendatang.
“Kami sekarang memiliki potensi untuk menemukan materi gelap di sekitar lubang hitam, karena detektor LVK akan terus mengumpulkan data di tahun-tahun mendatang,” kata rekan penulis Soumen Roy, yang memimpin bagian analisis data dari penelitian tersebut. “Ini adalah saat yang menyenangkan untuk meneliti fisika baru menggunakan gelombang gravitasi.”
“Menggunakan lubang hitam untuk mencari materi gelap akan menjadi hal yang luar biasa,” tambah rekan penulis Rodrigo Vicente, yang mengembangkan model analitik sinyal. “Kami akan mampu menyelidiki materi gelap pada skala yang jauh lebih kecil dibandingkan sebelumnya.”
Penelitian ini sebagian didanai oleh US National Science Foundation dan MIT Center for Theoretical Physics, sebuah Institut Leinweber.
