Misteri Dark Energy dan Dark Matter: Teori Interaksi Terbaru

Telset.id – Alam semesta menyimpan misteri besar yang belum terpecahkan, terutama tentang dark energy dan dark matter yang membentuk sekitar 95 persen isi kosmos. Dark energy diperkirakan mencakup 70 persen dari total materi alam semesta, sementara dark matter sekitar 25 persen. Keduanya tidak memancarkan, memantulkan, maupun menyerap cahaya, sehingga mustahil diamati secara langsung.

Selama ini, para ilmuwan menganggap dark energy dan dark matter sebagai entitas terpisah. Namun, pengamatan astronomi terbaru memicu para peneliti untuk menelusuri gagasan yang kurang populer bahwa keduanya ternyata saling terhubung secara fisik.

Pada 2024, tim riset DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) menemukan bukti bahwa kekuatan dark energy yang dikenal sebagai konstanta kosmologis tidak lagi konstan. Studi pada 2025 dengan data dua kali lebih banyak juga menyimpulkan bahwa dark energy berubah seiring waktu.

Hasil tersebut mengindikasikan bahwa dark energy mungkin mulai melemah setelah mencapai nilai maksimum sekitar 2 miliar tahun lalu. Namun, hasil ini juga menunjukkan bahwa pada era sebelumnya, dark energy bisa saja menguat, melanggar hukum kekekalan energi. Para peneliti menyebut kondisi ini sebagai dark energy memasuki “rezim hantu” (phantom regime), diibaratkan seperti bola yang menggelinding menanjak.

Interaksi Gelap

Gagasan bahwa dark energy dan dark matter saling berinteraksi bukanlah hal baru. Justin Khoury, fisikawan dari University of Pennsylvania, telah meneliti kemungkinan ini sejak 2005. Ia dan dua rekannya mengajukan pertanyaan hipotetis: adakah bentuk dark energy yang kepadatan energinya meningkat seiring waktu?

Mereka menemukan bahwa jika dark energy dan dark matter dapat saling memengaruhi, keduanya bisa menghasilkan perilaku yang tampak seperti fenomena hantu. “Ini cara paling alami dan sederhana untuk mencapai hal ini,” kata Khoury.

Dua dekade kemudian, temuan DESI bahwa dark energy mungkin berubah seiring waktu mendorong Khoury dan dua koleganya di Pennsylvania, Meng-Xiang Lin dan Mark Trodden, untuk membangun model interaksi gelap berdasarkan analog sektor gelap dari kromodinamika kuantum. Dalam model baru ini, kepadatan energi dark energy dan massa dark matter berubah secara bersamaan.

Studi lain yang dipublikasikan pada Januari di jurnal Physical Review D membayangkan skenario serupa. Model ini menunjukkan bahwa dark matter bisa mentransfer sebagian kecil energinya ke dark energy selama era sebelumnya dalam sejarah kosmik.

“Dark matter adalah rem utama pada ekspansi alam semesta,” kata Elsa Teixeira, kosmolog dari University of Montpellier di Perancis. Mengendurnya rem tersebut akan menyebabkan ekspansi alam semesta semakin cepat.

David Andriot, fisikawan dari CNRS (Pusat Riset Ilmiah Nasional Perancis), menjelaskan bahwa kemunculan perilaku hantu pada dasarnya adalah hasil pembukuan. “Setiap perubahan atau evolusi massa dark matter telah dimasukkan ke dalam kotak dark energy,” ujarnya.

Cumrun Vafa, fisikawan dari Harvard University, setuju dengan pandangan tersebut. “Anggapan bahwa Anda dapat menghitung dark energy secara independen dari dark matter adalah keliru. Asumsi ini sering dibuat oleh para kosmolog dan juga diikuti oleh tim DESI, yang mengarah pada perilaku hantu yang secara fisik tidak dapat diterima,” tegasnya.

Temuan DESI bukan satu-satunya alasan untuk mempertimbangkan keterkaitan antara dark energy dan dark matter. Studi Teixeira dan koleganya menunjukkan bahwa membiarkan keduanya berinteraksi dapat mengatasi salah satu masalah paling persisten dalam kosmologi: ketegangan Hubble (Hubble tension).

Yang menjadi masalah adalah laju ekspansi alam semesta saat ini yang dikenal sebagai konstanta Hubble. Nilainya dapat diukur menggunakan cahaya dari alam semesta awal untuk melihat pertumbuhan kosmos di masa-masa awalnya. Nilai ini juga bisa diukur dari fenomena yang lebih baru seperti ledakan bintang supernova yang menunjukkan pertumbuhan alam semesta saat ini.

Menurut model standar kosmologi, laju ekspansi seharusnya sama bagaimanapun cara mengukurnya. Namun, para ilmuwan menemukan bahwa laju ekspansi alam semesta awal dan alam semesta yang lebih baru berbeda sekitar 9 persen. Perbedaan ini telah memicu perdebatan sengit di komunitas kosmologi.

Model Teixeira menunjukkan bahwa dalam dunia di mana dark energy dan dark matter berinteraksi, krisis yang disebabkan oleh perbedaan laju ekspansi justru menjadi sesuatu yang bisa diduga.

Dimensi Gelap

Jika dark energy dan dark matter benar-benar berinteraksi, kemungkinan keduanya memiliki asal usul yang sama, kata Khoury. Penelitian berkelanjutan dalam teori string menunjukkan cara konsep-konsep ini mungkin terhubung.

Pada 2019, Vafa dan dua kolaboratornya menyimpulkan bahwa massa partikel dark matter juga dapat bervariasi seiring waktu. Hal ini mendorong mereka untuk mengusulkan pada 2022 bahwa dark matter dan dark energy bisa berbagi kaitan dengan apa yang disebut dimensi gelap (dark dimension).

Teori string menyatakan keberadaan enam atau tujuh dimensi tambahan selain tiga dimensi ruang dan satu dimensi waktu yang kita kenal. Semua dimensi ini dianggap sekecil mungkin, mendekati skala Planck (10-35 meter). Namun, para peneliti mengusulkan bahwa dimensi gelap bisa jauh lebih besar dari yang lain, sekitar orde mikron (10-6 meter).

Graviton, partikel teoretis yang memberikan gaya gravitasi, bisa bocor ke dimensi gelap yang membesar ini. Jika demikian, graviton akan memperoleh massa dan menjadi graviton gelap. Graviton masif ini akan berada di dimensi gelap, tetapi efek gravitasinya bisa dirasakan di dimensi lain, memungkinkan mereka memenuhi peran yang biasanya diatribusikan pada dark matter.

Dalam skenario ini, “ada kopling yang sangat alami antara dark energy dan dark matter,” kata Georges Obied, fisikawan dari University of Chicago. Perubahan ukuran dimensi gelap akan memengaruhi baik dark energy maupun dark matter.

Pada Juli 2025, Obied dan Vafa bersama Alek Bedroya dari Princeton serta David Wu dari Harvard menemukan bahwa skenario yang diusulkan pada 2019 konsisten dengan data DESI. Model mereka memprediksi bahwa kekuatan dark energy dan massa dark matter akan menurun seiring waktu, dengan laju perubahan dark energy sebanding dengan kepadatan energinya.

Karena pengukuran astrofisika menunjukkan kepadatan energi dark energy sangat kecil, “dark energy tidak akan berubah dengan cepat,” kata Vafa. “Tidak mengherankan jika kita tidak melihatnya sampai sekarang, karena laju perubahannya sangat kecil. Kita harus menunggu seluruh usia alam semesta untuk mendeteksi sesuatu sekecil itu.”

Jika dark matter terhubung dengan dark energy, partikel dark matter bisa berinteraksi satu sama lain melalui gaya baru berjangkauan panjang yang terpisah dari gravitasi. Kabar baiknya, kata Obied, “ada cara astrofisika untuk menguji hal ini.”

Secara kebetulan, dua fisikawan, Marc Kamionkowski dari Johns Hopkins University dan Michael Kesden dari University of Texas at Dallas, telah meneliti salah satu tes semacam itu. Dalam makalah yang diterbitkan pada 2006, mereka membayangkan serangkaian peristiwa di mana dua galaksi saling mendekat dan gravitasi satu galaksi menarik galaksi lainnya.

Jika dark matter memiliki tarikan gravitasi yang lebih kuat terhadap dark matter lain dibandingkan materi biasa, “ekor pasang surut” khusus akan terbentuk di belakang salah satu galaksi. Kesden dan Kamionkowski mencari efek ini dan tidak menemukannya, yang memungkinkan mereka menetapkan batas atas kekuatan gaya tarik tambahan.

Batas atas tersebut sekitar 20 kali lebih besar dari angka yang diusulkan tim Vafa, sehingga nilai prediksi berada dalam batas pengamatan. “Menarik bahwa kita sekarang menemukan koneksi antara karya yang cukup abstrak itu dengan karya observasional dan eksperimental,” kata Kamionkowski.

Fakta bahwa prediksi berdasarkan perhitungan teori string kira-kira sesuai dengan bukti astrofisika tidak mengonfirmasi validitas model-model “stringy” tersebut. Namun, korespondensi antara teori string dan eksperimen sangat memuaskan bagi Vafa yang telah menghabiskan empat dekade mencoba membawa teori ini dari ranah konseptual murni ke titik menghasilkan prediksi yang dapat diuji.

Obied, mantan mahasiswa doktoral Vafa, didorong oleh tujuan yang sama. Memahami dark energy dan dark matter serta hubungan yang mungkin mereka miliki adalah masalah yang menakutkan. “Saya pikir sangat bermanfaat untuk mendekati ini dengan cara yang berbeda,” katanya, baik dari kosmologi observasional, fisika partikel, maupun teori string.

“Ini cara orang seharusnya melakukan sains. Pekerjaan fisikawan teoretis adalah mengeksplorasi segala kemungkinan, menempatkan semua kemungkinan di atas meja. Dan pada akhirnya, data akan membantu kita memutuskan,” pungkas Obied.