Mengkaji Gelombang Materi Gelap dan Formasi Inti Soliton di Pusat Galaksi

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 info dari proyek THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey) nan dipublikasikan oleh Walter dan kolega pada tahun 2008, nan menganalisis 34 galaksi spiral dengan resolusi spasial tinggi menggunakan Very Large Array, ketiganya menunjukkan bahwa bintang-bintang di bagian luar bergerak terlalu sigap untuk dijelaskan oleh massa nan terlihat. Hipotesis materi gelap pun menjadi solusi standar. Namun, simulasi numerik berbasis partikel berat nan 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 nan mendatar di bagian dalam. Selisih ini dikenal sebagai masalah cusp-core dan telah memperkuat lebih dari dua dekade. Pada saat nan 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 nan hanya berinteraksi secara gravitasi. Ada sistem fisika tambahan nan bekerja pada skala galaksi. Mekanisme apakah itu? Nah, dalam tulisan ini, saya bakal mencoba menjelaskan secara ringkas tentang sistem 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 nan sangat dingin dan rapat, semua boson ini jatuh ke dalam tingkat daya dasar nan sama dan membentuk satu entitas kuantum raksasa nan disebut Bose-Einstein Condensate. Dalam bentuk ini, seluruh materi gelap dalam sebuah galaksi menjadi satu gelombang koheren nan mengisi ruang. Perilaku gelombang ini diatur oleh persamaan Schrödinger nan 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 nan disebut soliton. Soliton adalah paket gelombang nan mempertahankan bentuknya lantaran keseimbangan antara tarikan gravitasi dan tekanan nan berasal dari ketidakpastian kuantum. Tekanan ini muncul secara otomatis dari suku turunan kedua dalam persamaan Schrödinger dan tidak memerlukan hubungan antar partikel. Ouputnya adalah profil massa nan 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 tetap melainkan berosilasi dengan periode nan sebanding dengan usia dinamika galaksi. Pertemuan antara beragam komponen gelombang menciptakan pola puncak dan lembah kepadatan nan disebut granula. Ukuran granula ini ditentukan oleh panjang gelombang materi, nan bisa mencapai sekitar satu kilo parsec untuk massa partikel nan dihipotesiskan. Ini berfaedah halo Bima Sakti dipenuhi gumpalan-gumpalan materi gelap nan muncul dan menghilang dalam skala waktu puluhan juta tahun. Granula ini mempunyai pengaruh gravitasi langsung pada benda-benda di sekitarnya. Ketika aliran bintang dari galaksi satelit nan hancur melewati halo, hubungan dengan granula menyebabkan bintang-bintang mendapat dorongan mini secara acak. Akibatnya, aliran bintang menjadi terdistorsi, membentuk celah dan lengkungan nan dapat diamati. Pengamatan terhadap aliran GD-1 menggunakan info dari Teleskop Gaia dan instrumen Keck DEIMOS di sekitar Bima Sakti menunjukkan fitur-fitur nan susah dijelaskan oleh model materi gelap lembut tetapi muncul secara alami dalam simulasi dengan granula. Efek interferensi juga terlihat dalam sistem lensa gravitasi kuat. Cahaya dari quasar latar belakang nan melewati granula bakal mengalami pembelokan nan berbeda untuk setiap jalur cahaya, menghasilkan perbedaan kecerahan antar gambaran nan tidak sesuai dengan prediksi lensa sederhana. Survei lensa gravitasi telah mengumpulkan puluhan sistem dengan anomali fluks seperti ini, dan pengedaran anomalinya konsisten dengan skenario gelombang. Penekanan Struktur Skala Kecil Salah satu prediksi paling kuat dari model gelombang adalah adanya pemisah bawah untuk massa struktur nan bisa terbentuk. Dalam medium materi gelap, setiap gangguan kepadatan bakal tumbuh jika tarikan gravitasi lebih kuat daripada tekanan nan melawannya. Untuk gelombang materi, tekanan kuantum memberikan style tolak nan berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Semakin mini skala struktur, semakin besar tekanan kuantumnya. Akibatnya, struktur dengan massa di bawah sekitar seratus juta massa mentari tidak bakal pernah runtuh. Batas ini disebut skala Jeans kuantum dan nilainya hanya berjuntai pada massa partikel materi gelap. Jika partikel mempunyai massa 10 pangkat minus 22 elektronvolt, maka massa minimum galaksi adalah sekitar 10 pangkat 8 massa matahari. Ini tepat sesuai dengan jumlah galaksi kerdil nan teramati di lingkungan lokal. Model ini secara alami menyelesaikan masalah satelit nan lenyap tanpa memerlukan sistem tambahan seperti umpan kembali bintang alias pemanasan oleh radiasi. Pada skala nan lebih besar lagi, ialah medium antar galaksi, pengaruh penekanan ini terekam dalam spektrum serapan hidrogen netral dari quasar jauh. Garis-garis serapan Lyman-alpha membentuk rimba nan sangat sensitif terhadap pengedaran materi pada skala beberapa juta tahun cahaya. Jika tekanan kuantum terlalu kuat, maka serapan pada panjang gelombang mini bakal berkurang secara signifikan. Kekuatan serapan pada skala tersebut tetap cukup besar, nan berfaedah massa partikel tidak boleh terlalu ringan. Batas bawah dari kajian campuran info 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 nan paling sesuai dengan kerangka ini adalah axion, nan muncul dari teori fisika partikel sebagai solusi atas simetri nan rusak. Axion selain mempunyai massa tetapi juga dapat saling berinteraksi melalui medan skalar. Interaksi ini diwakili oleh suku non-linear dalam persamaan gelombang, nan dapat berkarakter tolak-menolak alias tarik-menarik tergantung pada tanda konstanta kopling. Jika hubungan 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 nan sama. Efek ini krusial lantaran jika pemisah Lyman-alpha memaksa massa partikel lebih berat dari 10 pangkat minus 21 elektronvolt, maka soliton murni tanpa hubungan bakal menjadi terlalu mini untuk menjelaskan kurva rotasi galaksi. Dengan adanya hubungan tolak-menolak nan cukup, ukuran inti dapat dikembalikan ke nilai nan teramati. Sebaliknya, jika hubungan berkarakter tarik-menarik, maka ada akibat nan lebih ekstrem. Ketika massa inti soliton melampaui nilai kritis tertentu, style tarik antar axion mengalahkan tekanan kuantum dan gravitasi, menyebabkan inti mengalami keruntuhan mendadak. Peristiwa ini melepaskan daya dalam jumlah besar dan mengubah struktur internal galaksi secara drastis. Sisa dari keruntuhan tersebut dapat menjadi bibit bagi lubang hitam supermasif nan sekarang diamati di pusat nyaris setiap galaksi besar. Pengamatan terhadap hubungan antara massa lubang hitam dan kecepatan dispersi bintang di bulge galaksi memberikan batas tidak langsung terhadap konstanta hubungan axion. Meski begitu, hingga saat ini, belum ada penemuan langsung axion di laboratorium, tetapi pemisah atas dari penelitian seperti ADMX dan CAST telah mengecualikan sebagian besar rentang parameter. Wilayah parameter nan tetap terbuka justru berimpit dengan wilayah nan dibutuhkan untuk menjelaskan struktur galaksi, menjadikan axion sebagai kandidat nan sangat menarik untuk penelitian lebih lanjut. Semoga Bermanfaat dan Terima Kasih.