Mengkaji Gelombang Materi Gelap dan Formasi Inti Soliton di Pusat Galaksi

Illustrasi Artistik Gelombang Raksasa di Pusat Galaksi (Gambar dibuat oleh Nano Banana AI)

Pengamatan kurva rotasi galaksi sejak tahun 1970-an seperti oleh Rubin dan Ford terhadap galaksi Andromeda (M31) menggunakan spektroskopi optik, pengamatan oleh Bosma pada tahun 1981 menggunakan survei radio dari garis emisi hidrogen netral 21-cm di galaksi NGC 3198, dan data dari proyek THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey) yang dipublikasikan oleh Walter dan kolega pada tahun 2008, yang menganalisis 34 galaksi spiral dengan resolusi spasial tinggi menggunakan Very Large Array, ketiganya menunjukkan bahwa bintang-bintang di bagian luar bergerak terlalu cepat untuk dijelaskan oleh massa yang terlihat. Hipotesis materi gelap pun menjadi solusi standar.

Namun, simulasi numerik berbasis partikel berat yang bergerak lambat acap kali menghasilkan profil kepadatan berbentuk puncak tajam di pusat galaksi. Pengamatan aktual terhadap galaksi kerdil seperti Fornax dan Sculptor justru menunjukkan kepadatan yang mendatar di bagian dalam. Selisih ini dikenal sebagai masalah cusp-core dan telah bertahan lebih dari dua dekade. Pada saat yang sama, jumlah galaksi satelit di sekitar Bima Sakti jauh lebih sedikit daripada prediksi model partikel berat. Kedua masalah ini menunjukkan bahwa materi gelap tidak bisa diperlakukan sebagai kumpulan partikel titik yang hanya berinteraksi secara gravitasi. Ada mekanisme fisika tambahan yang bekerja pada skala galaksi. Mekanisme apakah itu? Nah, dalam artikel ini, saya akan mencoba menjelaskan secara ringkas tentang mekanisme ini. Langsung saja kita masuk kedalam pembahasan-nya.

Sifat Kolektif Boson Ultralight

Tatkala partikel materi gelap adalah boson dengan massa sangat ringan, sekitar seperseribu triliun kali massa elektron, maka panjang gelombang de Broglie-nya menjadi sebesar skala galaksi. Pada kondisi awal alam semesta yang sangat dingin dan rapat, semua boson ini jatuh ke dalam tingkat energi dasar yang sama dan membentuk satu entitas kuantum raksasa yang disebut Bose-Einstein Condensate. Dalam wujud ini, seluruh materi gelap dalam sebuah galaksi menjadi satu gelombang koheren yang mengisi ruang. Perilaku gelombang ini diatur oleh persamaan Schrödinger yang dikopling dengan potensi gravitasi dari massa itu sendiri.

Karena panjang gelombangnya makroskopik, materi gelap terpaksa membentuk inti bundar dengan kepadatan seragam di tengah dan menurun secara perlahan ke arah luar. Bentuk ini secara matematis muncul sebagai solusi stabil dari persamaan non-linear yang disebut soliton. Soliton adalah paket gelombang yang mempertahankan bentuknya karena keseimbangan antara tarikan gravitasi dan tekanan yang berasal dari ketidakpastian kuantum. Tekanan ini muncul secara otomatis dari suku turunan kedua dalam persamaan Schrödinger dan tidak memerlukan interaksi antar partikel. Ouputnya adalah profil massa yang persis sesuai dengan pengamatan kurva rotasi galaksi.

Interferensi dan Granularitas Halos

Karena materi gelap adalah gelombang, maka pasti mengalami interferensi. Di dalam halo galaksi, gelombang ini tidaklah statis melainkan berosilasi dengan periode yang sebanding dengan usia dinamika galaksi. Pertemuan antara berbagai komponen gelombang menciptakan pola puncak dan lembah kepadatan yang disebut granula. Ukuran granula ini ditentukan oleh panjang gelombang materi, yang bisa mencapai sekitar satu kilo parsec untuk massa partikel yang dihipotesiskan. Ini berarti halo Bima Sakti dipenuhi gumpalan-gumpalan materi gelap yang muncul dan menghilang dalam skala waktu puluhan juta tahun. Granula ini memiliki efek gravitasi langsung pada benda-benda di sekitarnya. Ketika aliran bintang dari galaksi satelit yang hancur melewati halo, interaksi dengan granula menyebabkan bintang-bintang mendapat dorongan kecil secara acak. Akibatnya, aliran bintang menjadi terdistorsi, membentuk celah dan lengkungan yang dapat diamati.

Pengamatan terhadap aliran GD-1 menggunakan data dari Teleskop Gaia dan instrumen Keck DEIMOS di sekitar Bima Sakti menunjukkan fitur-fitur yang sulit dijelaskan oleh model materi gelap halus tetapi muncul secara alami dalam simulasi dengan granula. Efek interferensi juga terlihat dalam sistem lensa gravitasi kuat. Cahaya dari quasar latar belakang yang melewati granula akan mengalami pembelokan yang berbeda untuk setiap jalur cahaya, menghasilkan perbedaan kecerahan antar citra yang tidak sesuai dengan prediksi lensa sederhana. Survei lensa gravitasi telah mengumpulkan puluhan sistem dengan anomali fluks seperti ini, dan distribusi anomalinya konsisten dengan skenario gelombang.

Penekanan Struktur Skala Kecil

Salah satu prediksi paling kuat dari model gelombang adalah adanya batas bawah untuk massa struktur yang bisa terbentuk. Dalam medium materi gelap, setiap gangguan kepadatan akan tumbuh jika tarikan gravitasi lebih kuat daripada tekanan yang melawannya. Untuk gelombang materi, tekanan kuantum memberikan gaya tolak yang berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Semakin kecil skala struktur, semakin besar tekanan kuantumnya. Akibatnya, struktur dengan massa di bawah sekitar seratus juta massa matahari tidak akan pernah runtuh. Batas ini disebut skala Jeans kuantum dan nilainya hanya bergantung pada massa partikel materi gelap.

Jika partikel memiliki massa 10 pangkat minus 22 elektronvolt, maka massa minimum galaksi adalah sekitar 10 pangkat 8 massa matahari. Ini tepat sesuai dengan jumlah galaksi kerdil yang teramati di lingkungan lokal. Model ini secara alami menyelesaikan masalah satelit yang hilang tanpa memerlukan mekanisme tambahan seperti umpan balik bintang atau pemanasan oleh radiasi. Pada skala yang lebih besar lagi, yaitu medium antar galaksi, efek penekanan ini terekam dalam spektrum serapan hidrogen netral dari quasar jauh. Garis-garis serapan Lyman-alpha membentuk hutan yang sangat sensitif terhadap distribusi materi pada skala beberapa juta tahun cahaya. Jika tekanan kuantum terlalu kuat, maka serapan pada panjang gelombang kecil akan berkurang secara signifikan. Kekuatan serapan pada skala tersebut masih cukup besar, yang berarti massa partikel tidak boleh terlalu ringan. Batas bawah dari analisis gabungan data Lyman-alpha dan pengukuran suhu medium antargalaksi menempatkan massa partikel di atas 2 kali 10 pangkat minus 21 elektronvolt.

Interaksi Diri Axion dan Evolusi Inti

Kandidat partikel yang paling sesuai dengan kerangka ini adalah axion, yang muncul dari teori fisika partikel sebagai solusi atas simetri yang rusak. Axion selain memiliki massa tetapi juga dapat saling berinteraksi melalui medan skalar. Interaksi ini diwakili oleh suku non-linear dalam persamaan gelombang, yang dapat bersifat tolak-menolak atau tarik-menarik tergantung pada tanda konstanta kopling. Jika interaksi tolak-menolak, maka axion-axion dalam inti soliton saling mendorong, menambah tekanan efektif di atas tekanan kuantum murni. Akibatnya, inti soliton menjadi lebih besar dan lebih tersebar untuk massa partikel yang sama. Efek ini penting karena jika batas Lyman-alpha memaksa massa partikel lebih berat dari 10 pangkat minus 21 elektronvolt, maka soliton murni tanpa interaksi akan menjadi terlalu kecil untuk menjelaskan kurva rotasi galaksi.

Dengan adanya interaksi tolak-menolak yang cukup, ukuran inti dapat dikembalikan ke nilai yang teramati. Sebaliknya, jika interaksi bersifat tarik-menarik, maka ada konsekuensi yang lebih ekstrem. Ketika massa inti soliton melampaui nilai kritis tertentu, gaya tarik antar axion mengalahkan tekanan kuantum dan gravitasi, menyebabkan inti mengalami keruntuhan mendadak. Peristiwa ini melepaskan energi dalam jumlah besar dan mengubah struktur internal galaksi secara drastis. Sisa dari keruntuhan tersebut dapat menjadi benih bagi lubang hitam supermasif yang sekarang diamati di pusat hampir setiap galaksi besar.

Pengamatan terhadap hubungan antara massa lubang hitam dan kecepatan dispersi bintang di bulge galaksi memberikan batasan tidak langsung terhadap konstanta interaksi axion. Meski begitu, hingga saat ini, belum ada deteksi langsung axion di laboratorium, tetapi batas atas dari eksperimen seperti ADMX dan CAST telah mengecualikan sebagian besar rentang parameter. Wilayah parameter yang masih terbuka justru berimpit dengan wilayah yang dibutuhkan untuk menjelaskan struktur galaksi, menjadikan axion sebagai kandidat yang sangat menarik untuk penelitian lebih lanjut.

Semoga Bermanfaat dan Terima Kasih.

Illustrasi Artistik Riak Materi Gelap yang Mengubah Bentuk Aliran Bintang (Gambar dibuat oleh Nano Banana AI)