Berburu Materi Gelap di Galaksi Kerdil

Astrophysicists dari University of Surrey dan University of Edinburgh telah menciptakan metode baru untuk mengukur jumlah materi gelap di pusat galaksi "dwarf" kecil.

Materi gelap membentuk sebagian besar massa alam semesta, namun tetap sulit dipahami. Tergantung pada propertinya, ia dapat terkonsentrasi di pusat-pusat galaksi, atau lebih lancar didistribusikan ke skala yang lebih besar. Dengan membandingkan distribusi materi gelap dalam galaksi dengan model terperinci, peneliti dapat menguji atau menyingkirkan kandidat materi gelap yang berbeda.

Kendala yang paling ketat pada materi gelap berasal dari galaksi-galaksi paling kecil di Semesta, yakni galaksi kerdil. Yang terkecil ini hanya berisi beberapa ribu atau puluhan ribu bintang - yang disebut kurcaci "ultra-redup". Galaksi kecil semacam itu, yang ditemukan mengorbit dekat Milky Way, hampir seluruhnya terdiri dari materi gelap. Jika distribusi materi gelap dalam galaksi-galaksi kecil ini dapat dipetakan, ia bisa memberikan informasi baru dan menarik tentang sifatnya. Namun, karena sama sekali tidak mengandung gas dan mengandung sangat sedikit bintang, sampai saat ini tidak ada metode yang layak untuk membuat pengukuran ini.

Dalam penelitian yang diterbitkan Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, tim ilmuwan dari University of Surrey telah mengembangkan metode baru untuk menghitung kerapatan materi gelap dalam galaksi kerdil. Kunci untuk metode ini adalah memanfaatkan satu atau lebih gugus bintang yang padat yang mengorbit dekat pusat galaksi kerdil.

Gugus bintang adalah koleksi terikat gravitasi bintang yang mengorbit di dalam galaksi. Tidak seperti galaksi, gugus bintang begitu padat sehingga bintang-bintang saling berhamburan satu sama lain menyebabkan mereka perlahan-lahan meluas. Tim peneliti membuat kunci wawasan baru ketika mereka menyadari bahwa tingkat ekspansi ini tergantung pada medan gravitasi yang dikelompokkan gugus bintang.

Tim menggunakan serangkaian besar simulasi komputer untuk menunjukkan bagaimana struktur gugus bintang sensitif terhadap apakah materi gelap padat di pusat galaksi, atau lebih terdistribusi dengan lancar. Tim kemudian menerapkan metode mereka ke galaksi kerdil "ultra-samar" yang baru ditemukan, Eridanus II, menemukan lebih sedikit materi gelap di pusatnya daripada yang diprediksi banyak model.

"Kami telah mengembangkan alat baru untuk mengungkap sifat materi gelap dan hasilnya sudah menarik. Eridanus II, salah satu galaksi terkecil yang diketahui, memiliki sedikit gelap materi di pusatnya dari yang diharapkan. Jika hasil serupa ditemukan untuk sampel galaksi yang lebih besar, ini bisa memiliki implikasi luas untuk sifat materi gelap," Dr Filippo Contenta dari University of Surrey.

Profesor Mark Gieles, Profesor Astrofisika di Universitas Surrey dan Peneliti Utama dari proyek European Research Council (ERC), menambahkan dengan proyek ERC ini diharapkan dapat menggunakan gugus bintang untuk belajar tentang materi gelap di galaksi kerdil.

"Temuan ini memberikan wawasan yang menarik tentang distribusi materi gelap yang didominasi galaksi di alam semesta, dan ada potensi besar untuk mengungkap masa depan," ujar Dr Jorge Peñarrubia dari Fakultas Fisika dan Astronomi Universitas Edinburgh.

Mewakili Beberapa Misteri Besar

Pekerjaan pemodelan baru menawarkan prediksi paling akurat hingga saat ini tentang galaksi kerdil di lingkungan Milky Way.

Galaksi kerdil adalah teka-teki yang dibungkus dengan teka-teki. Meskipun mereka adalah galaksi terkecil, mereka mewakili beberapa misteri terbesar tentang alam semesta kita. Sementara banyak galaksi kerdil mengelilingi Bima Sakti kita sendiri, tampaknya ada terlalu sedikit dari mereka dibandingkan dengan model kosmologis standar, yang menimbulkan banyak pertanyaan tentang sifat materi gelap dan perannya dalam pembentukan galaksi.

Pemodelan teoritis baru bekerja dari Andrew Wetzel, yang memegang persekutuan bersama antara Carnegie dan Caltech, menawarkan prediksi paling akurat hingga saat ini tentang galaksi kerdil di lingkungan Milky Way. Wetzel mencapai ini dengan menjalankan resolusi tertinggi dan simulasi paling detail dari galaksi seperti Bima Sakti. Penemuannya, diterbitkan The Astrophysical Journal Letters, membantu menyelesaikan debat lama tentang bagaimana galaksi kerdil ini terbentuk.

Salah satu misteri terbesar galaksi kerdil berkaitan dengan materi gelap, itulah sebabnya mengapa para ilmuwan begitu terpesona olehnya.
"Galaksi kerdil berada di nexus materi gelap," kata Wetzel.

Materi gelap membentuk seperempat dari alam semesta. Ini memberikan tarikan gravitasi, tetapi tampaknya tidak berinteraksi dengan materi biasa - seperti atom, bintang, dan planet. Tanpa materi gelap, galaksi tidak dapat terbentuk di alam semesta.

Peran materi gelap dalam pembentukan galaksi kerdil tetap menjadi misteri. Model kosmologis standar telah mengatakan bahwa, karena materi gelap, harus ada lebih banyak galaksi kerdil di luar sana, mengelilingi Milky Way, daripada yang telah ditemukan. Astronom telah mengembangkan sejumlah teori mengapa belum menemukan lebih banyak, tetapi tidak satupun dari mereka dapat menjelaskan kekurangan galaksi kerdil dan sifat-sifatnya, termasuk massa, ukuran, dan kepadatannya.

Saat teknik observasi telah membaik, galaksi kerdil terlihat telah mengorbit Bima Sakti. Tetapi masih belum cukup untuk menyelaraskan dengan prediksi berdasarkan model kosmologis standar.

Jadi para ilmuwan telah mengasah teknik simulasi untuk membawa prediksi dan pengamatan model teoritis ke dalam kesepakatan yang lebih baik. Secara khusus, Wetzel dan rekan-rekannya bekerja dengan hati-hati memodelkan fisika kompleks evolusi bintang, termasuk bagaimana supernova - ledakan fantastis yang menandai kematian bintang masif - mempengaruhi galaksi tuan rumah mereka.

Dengan kemajuan ini, Wetzel menjalankan simulasi paling rinci dari galaksi seperti Bima Sakti. Yang menarik, modelnya menghasilkan populasi galaksi kerdil yang mirip dengan apa yang diamati para astronom.

"Dengan meningkatkan cara kita memodelkan fisika bintang, simulasi baru ini menawarkan demonstrasi teoritis yang jelas bahwa kita dapat, memang, memahami galaksi kerdil yang telah kita amati di sekitar Bima Sakti. Hasil kami dengan demikian menyatukan pemahaman kita tentang gelap Peran materi di alam semesta dengan pengamatan galaksi kerdil di lingkungan Bima Sakti," ujar Wetzel.

Rentang massa ini menjadi menarik, lanjutnya, karena galaksi kerdil ultra-redup ini begitu pucat sehingga belum memiliki sensus pengamatan lengkap tentang berapa banyak yang ada di sekitar Bima Sakti. "Dengan simulasi berikutnya, kita dapat mulai memprediksi berapa banyak yang harus ditemukan pengamat,"tambahnya.

AFP/pur/R-1