Walaupun mengandung sedikit bintang yang dapat terlihat, Segue 1 lebih dari seribu kali lebih masif daripada kelihatannya, yang berarti sebagian besar massanya berasal dari materi gelap. “Segue 1 adalah contoh paling ekstrim dari galaksi yang mengandung beberapa ratus bintang, namun memiliki massa yang relatif besar,” demikian diungkapkan Marla Geha, asisten profesor astronomi di Yale dan penulis utama paper ini.

Geha beserta koleganya, Josh Simon dari California Institute of Technology, telah mengamati sekitar setengah dari galaksi kerdil (dwarf galaxies) yang mengorbit Bima Sakti. Objek-objek tersebut sedemikian redup dan mengandung sedemikian sedikit bintang sehingga pada mulanya sempat dikira sebagai suatu kluster globular (globular clusters) – sekumpulan bintang yang mengorbit suatu galaksi induk. Namun dengan menganalisis cahaya yang datang dari objek tersebut menggunakan teleskop Keck di Hawaii, Geha dan Simon menunjukkan bahwa objek-objek tersebut sebenarnya adalah suatu galaksi tersendiri, hanya saja sangat redup.

Dengan hanya mengamati cahaya yang dipancarkan oleh galaksi yang sangat redup itu, Geha dan koleganya memprediksi bahwa galaksi tersebut memiliki massa yang kecil pula. Namun demikian, mereka menemukan bahwa objek tersebut ternyata antara 100 hingga 1000 kali lebih masif daripada yang terlihat. Materi gelap yang tak terlihat semestinya bertanggung jawab atas selisih massa tersebut.

Walaupun materi gelap tidak memancarkan atau menyerap cahaya, para ilmuwan dapat mengukur efek gravitasionalnya pada materi biasa. Diyakini bahwa sekitar 85 persen dari total massa di alam semesta tersusun atas materi gelap. Menemukan galaksi ultra-redup seperti Segue 1, yang didominasi oleh materi gelap, menyediakan petunjuk terhadap hal semacam bagaimana galaksi terbentuk dan berevolusi, khususnya pada skala terkecil.

“Galaksi-galaksi kerdil ini memberi informasi yang amat besar mengenai formasi galaksi,” jelas Geha. “Sebagai contoh, teori-teori yang berbeda mengenai pembentukan galaksi memprediksi angka perbandingan yang berbeda antara galaksi kerdil versus galaksi besar. Jadi, kita cukup membandingkan angkanya saja.”

Baru akhir-akhir ini para astronom berhasil mengetahui seberapa pentingnya galaksi-galaksi kerdil yang ada. Hal ini berkat proyek semacam Sloan Digital Sky Survey, yang berhasil mencitrakan area langit yang luas dengan detail yang lebih tinggi daripada yang pernah dicapai sebelumnya. Dalam dua tahun terakhir, jumlah galaksi kerdil yang mengorbit Bima Sakti telah bertambah dua kali lipat dari selusin yang telah ditemukan pada paruh pertama abad ke-20.

Geha memprediksi para astronom akan menemukan lebih banyak lagi saat mereka melanjutkan menganalisis data terbaru. (opa.yale.edu)

Massa ini mungkin merupakan materi penyusun (building block) terkecil dari substansi misterius tak terlihat yang dikenal sebagai materi gelap (dark matter). Bintang yang terbentuk didalam materi inilah yang kemudian berkumpul dan membentuk galaksi.

Para ilmuwan hanya mengetahui sedikit mengenai properti mikroskopik materi gelap, bahkan sekalipun materi itu menyusun sekitar lima-perenam materi di alam semesta.

Dengan mengetahui besaran minimum massa galaksi, para ilmuwan dapat memahami lebih jauh bagaimana materi gelap berlaku — hal yang sangat esensial dalam studi mengenai pembentukan alam semesta dan kehidupan di suatu saat kelak. Demikian seperti diungkapkan oleh Louis Strigari dari Departemen Fisika dan Astronomi UCI, peneliti utama dalam studi ini.

Materi gelap mengatur pertumbuhan struktur alam semesta. Tanpanya, galaksi-galaksi, seperti halnya Bima Sakti kita, tidak akan eksis. Para ilmuwan mengetahui bagaimana gravitasi materi gelap menarik materi normal yang menyebabkan terbentuknya galaksi-galaksi. Mereka juga telah menduga bahwa galaksi-galaksi kecil dari waktu ke waktu akan bergabung untuk membentuk galaksi besar.

Galaksi-galaksi terkecil yang diketahui, dikenal sebagai galaksi kerdil (dwarf galaxies), memiliki rentang variasi kecerlangan yang sangat besar, antara 1.000 kali hingga 10 juta kali kecerlangan matahari. Setidaknya 22 dari galaksi-galaksi kerdil tersebut diketahui bergerak mengitari galaksi Bima Sakti. Para ilmuwan UCI mempelajari 18 galaksi diantaranya, memanfaatkan data yang diperoleh dari teleskop Keck di Hawaii dan teleskop Magellan di Chile, dengan tujuan mengkalkulasi massa mereka. Dengan menganalisis cahaya bintang di tiap galaksi, mereka menentukan seberapa cepat bintang-bintang tersebut bergerak. Berdasarkan kecepatannya, mereka dapat menentukan massa dari tiap galaksi.

Para peneliti semula menduga bahwa besaran massa yang diperoleh akan bervariasi, dengan galaksi paling cemerlang memiliki massa yang besar pula, dan galaksi yang redup akan memiliki massa lebih kecil. Namun yang mengejutkan, semua galaksi kerdil itu memiliki massa yang sama, yakni 10 juta kali massa matahari.

Karena galaksi kerdil sebagian besar tersusun atas materi gelap (rasio materi gelap dengan materi normal adalah 10.000 berbanding 1), maka penemuan mengenai massa minimun ini mengungkap sifat mendasar dari materi gelap.

Dengan demikian, walaupun galaksi-galaksi tersebut boleh dibilang tak terlihat, namun ternyata menyimpan materi gelap dalam besaran yang luar biasa. Hal ini membantu para ilmuwan untuk memahami lebih jauh mengenai parikel yang membentuk materi gelap dan menunjukkan bagaimana galaksi di alam semesta membentuk.

Menurut teori, gumpalan materi gelap dapat eksis tanpa adanya bintang. Namun satu-satunya gumpalan materi gelap yang dapat dideteksi saat ini justeru yang diterangi oleh bintang-bintang.

Para ilmuwan berharap mereka dapat mempelajari lebih jauh mengenai properti mikroskopis materi gelap apabila laboratorium Large Hadron Collider di Swiss mulai beroperasi pada akhir tahun ini. Peralatan ini mengakselerasi dua pancaran inti atom yang ditembakkan ke arah yang berlawanan dalam sebuah cincin. Kedua pancaran itu akan saling bertumbukan dan terurai menjadi partikel-partikel subatomik yang lebih fundamental. Hal ini akan meniru kondisi sesaat setelah terjadinya big bang, dan dengan demikian, diharapkan partikel materi gelap untuk pertama kalinya dapat diciptakan di laboratorium. (www.uci.edu)

Sekelompok astrofisikawan dari Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) dan European Southern Observatory (ESO), bekerjasama dengan dua institusi dari Belanda telah menemukan bukti keberadaan materi baryon yang hilang tersebut pada sebuah filamen berbentuk seperti jembatan yang menghubungkan dua kluster galaksi.

Alam semesta dibangun seperti sarang laba-laba berukuran besar. Semua materi yang terlihat diatur sepanjang struktur filamen yang terdiri dari materi gelap (dark matter). Pada benang dan simpulnya, jaring ini menahan gumpalan besar dari materi baryonik, yang terbuat dari quark dan lepton.

Para astronom sejak lama mengetahui bahwa keping puzzle kosmologis ini semestinya tersembunyi di suatu tempat. Menelusuri dan merekam komponen yang dapat diamati di alam semesta dapat membantu kita mempelajari lebih jauh mengenai materi gelap ini.

“Jembatan” dari gas panas yang menghubungkan dua kluster galaksi (Gambar: ESA/XMM-Newton/ EPIC/ ESO [J. Dietrich]/ SRON [N. Werner]/ MPE [A. Finoguenov])

Bagian yang hilang dari materi baryonik diperkirakan berbentuk kabut gas panas yang teramat tipis dengan kerapatan yang sangat rendah diantara struktur yang lebih besar. Karena suhunya yang tinggi, gas ini semestinya memancarkan radiasi dalam panjang gelombang far-ultraviolet dan sinar-X.

Para ilmuwan dari SORN Netherlands Institute for Space Research telah mengamati kluster galaksi Abell 222 dan Abell 223, dimana kedua galaksi ini terhubung melalui sebuah filamen. Pengamatan dilakukan melalui observatorium sinar-X XMM-Newton. Struktur ini dipilih karena bentuk geometrinya yang menguntungkan, dimana para astronom dapat melihat secara langsung kedalam “jembatan” tanpa perlu melihat dari salah satu sisinya.

Ini adalah untuk pertama kalinya para ilmuwan berhasil menyaksikan jembatan gas yang menghubungkan dua kluster galaksi. Gas-gas yang mereka temukan disana kemungkinan merupakan bagian terpanas dan terpadat dari gas terdifusi yang mengandung setengah dari baryon yang hilang di alam semesta. Mereka mendapati bahwa sifat-sifat gas tersebut — kerapatan dan suhunya — konsisten dengan hasil simulasi.

“Sejauh ini, kami hanya bisa melihat klusternya, simpul berkerapatan tinggi yang menghubungkan jaring yang ada. Kini kami mulai melihat benang-benang yang menghubungkan jaring laba-laba kosmik ini,” demikian komentar astrofisikawan MPE, Aurora Simionescu. Penemuan ini telah dipublikasikan dalam jurnal Astronomy & Astrophysics Letters pada bulan Mei 2008. (www.mpe.mpg.de)

“Hasil ini merupakan lompatan besar kedepan, berhubung keberadaan struktur materi gelap kosmik yang membentang dalam jarak sedemikian besar belum pernah diamati sebelumnya,” demikian dikatakan Ludovic Van Waerbeke, asisten profesor Departemen Fisika dan Astronomi UBC. Materi gelap adalah struktur tak terlihat yang menyusun lebih dari 80 persen dari massa alam semesta.

Tim yang beranggotakan para ilmuwan berkebangsaan Prancis dan Kanada tersebut memanfaatkan teknik yang disebut “lensa gravitasional lemah” (weak gravitational lensing) yang analog dengan mengambil citra sinar-X dari tubuh untuk melihat kerangkanya. Studi ini memanfaatkan data yang diambil dari kamera digital terbesar di dunia.

“Pengetahuan baru ini sangat krusial bagi kita untuk memahami sejarah dan evolusi alam semesta,” terang Van Waerbeke. Hal ini juga memungkinkan kita memahami sedikit lebih banyak mengenai sifat-sifat materi gelap.

Para astronom mengamati bagaimana cahaya dari galaksi jauh dibengkokkan dan terdistorsi oleh struktur materi gelap saat melaju menuju Bumi. Struktur tersebut kemudian dipetakan dengan mengukur distorsi yang terlihat pada pola cahaya galaksi.

Studi ini melibatkan 19 peneliti dari 11 institusi dibawah pimpinan University of British California, Institut d’Astrophysique de Paris, Universite Pierre and Marie Curie (UPMC), dan University of Victoria. Van Waerbeke dan co-authornya akan mempublikasikan penemuan ini melalui jurnal Astronomy and Astrophysics. (www.publicaffairs.ubc.ca)

Para imuwan meyakini bahwa materi gelap adalah suatu bentuk jejaring (web) tak terlihat yang menaungi galaksi. Seiring dengan mengembangnya alam semesta, tarikan gravitasional dari materi tak terlihat tersebut menyebabkan galaksi-galaksi bertabrakan dan bergabung dalam sebuah superkluster.

Heymans bersama dengan Meghan Gray dari University of Nottingham memimpin sebuah tim antarbangsa untuk menguji teori bahwa materi gelap menentukan lokasi dari sebuah galaksi.

“Untuk pertama kalinya kita dapat mengenali dengan jelas gumpalan materi gelap dalam sebuah supercluster,” terang Heymans, postdoctoral fellow pada Departemen Astronomi dan Fisika UBC. “Studi sebelumnya hanya dapat mengenali gumpalan yang kabur dan berbentuk tak beraturan, namun kami dapat memperbaiki detail bentuk yang cocok dengan distribusi galaksi.”

Peta persebaran materi gelap pada superkluster Abell 901/902 (Gambar: NASA/ESA/C, Heymans/M. Gray)

Menggunakan Teleskop Antariksa Hubble, Heymans beserta timnya mengamati sebuah area di langit yang luasnya kurang lebih sebesar bulan purnama. Mereka memetakan materi gelap tak terlihat yang membangun superkluster masif Abell 901/902 dan detail struktur sebuah galaksi yang berada didalamnya.

Abell 901/902 terletak 2,6 miliar tahun cahaya dari Bumi dan membentang sepanjang lebih dari 16 juta tahun cahaya.

“Materi gelap meninggalkan tanda-tanda keberadaannya pada galaksi jauh,” jelas Ludovic Van Waerbeke, asisten profesor pada Departemen Fisika dan Astronomi UBC yang juga merupakan co-author dari studi ini. “Sebagai contoh, sebuah galaksi berbentuk sirkular akan menjadi lebih terdistorsi sehingga membentuk pola mirip buah pisang apabila cahayanya melewati daerah yang dipadati materi gelap.”

Dengan mengamati efek ini, para astronom dapat menyimpulkan keberadaan materi gelap. Heymnans membuat sebuah peta materi gelap dengan mengukur pendistorsian bentuk lebih dari 60.000 galaksi jauh yang terletak dibelakang superkluster Abell 901/902. Untuk mencapai Bumi, cahaya dari galaksi-galaksi tersebut harus melewati materi gelap yang menyelubungi superkluster galaksi Abell 901/902 dan dibengkokkan oleh medan gravitasinya yang masif.

Studi ini mencakup empat area utama pada superkluster tersebut, dimana materi gelap terkumpul dalam bentuk gumpalan yang masif dengan total massa 10 triliun kali massa matahari. (www.publicaffairs.ubc.ca)