Mungkin ternyata zat yang sulit dipahami itu tidak mengandung partikel baru
Ketika pembicara proyek
aLIGO (Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer) mengumumkan deteksi gelombang gravitasi pada 11 Februari 2016, saya kagum. Tentu saja, kami berharap aLIGO memberi kami sesuatu yang menarik di beberapa titik, tetapi kami berpikir tentang hasil awal. Kami pikir proyek itu, setelah perhitungan yang rumit dan sulit selama beberapa bulan, akan memberi kami semacam sinyal lemah, sedikit naik di atas kebisingan.
Tapi tidak, grafik yang ditunjukkan pada hari yang menentukan pada bulan Februari itu begitu jelas dan tidak ambigu sehingga mereka tidak perlu membuktikan apa pun. Dengan mata kepala sendiri, saya bisa melihat bentuk gelombang yang tidak dapat dikacaukan dengan apa pun - ini adalah penggabungan dua lubang hitam, sebagai akibatnya gelombang gravitasi berangkat ke ruang-waktu di sekitarnya.
Dan itu belum semuanya. Lubang hitam yang dilihat oleh aLIGO seharusnya tidak ada sama sekali. Kita tahu tentang keberadaan lubang hitam dengan massa satu juta atau triliun kali massa Matahari, dan kita telah melihat lubang hitam kecil dengan massa yang sebanding dengan matahari. Tetapi massa lubang hitam yang terlihat oleh aLIGO 30-60 kali lebih besar dari matahari. Beberapa rekan saya berpendapat bahwa lubang hitam berukuran sedang yang ditemukan oleh aLIGO mungkin berubah menjadi materi gelap yang sama yang telah bersembunyi dari kita selama hampir 50 tahun.
Ini bukan pertama kalinya para ilmuwan menyarankan bahwa lubang hitam mungkin merupakan materi gelap, tetapi kami berpikir bahwa kemungkinan ini jelas ditolak. Kebangkitan ide ini adalah contoh lain dari aktivitas kreatif yang kaya yang muncul setelah penemuan baru. Gagasan yang sudah ketinggalan zaman dapat kembali ke situ jika Anda melihatnya dengan cara baru dan dengan antusias - dan bahkan mengganti sudut pandang yang diterima. Revisi penemuan juga menyatukan bidang-bidang penelitian yang tampaknya tak tertandingi - dalam kasus kami, itu adalah materi gelap dan gelombang gravitasi - dan mengarah pada koneksi yang bermanfaat.
Pada 1970-an, Stephen Hawking dan mahasiswa pascasarjananya Bernard Carr menyarankan bahwa dari kekacauan yang meletus setelah Big Bang, lautan
lubang hitam primer kecil bisa muncul. Seiring waktu, mereka dapat tumbuh dan menjadi dasar untuk pembentukan galaksi. Mereka bahkan dapat berkontribusi pada anggaran energi keseluruhan alam semesta. Lubang hitam itu berat dan sulit dilihat - kita perlu sifat-sifat ini untuk menjelaskan materi yang tidak ada di Semesta.
Selama beberapa dekade, pendukung setia ide ini telah mengembangkannya. Pada 1990-an, dia tampaknya selamat dari pukulan fatal. Dalam percobaan
MACHO , para ilmuwan mengirim teleskop ke Awan Magellan Besar untuk mencari cahaya yang berkedip-kedip, yang berarti bahwa sebuah lubang hitam lewat di depan bintang. Mereka menemukan bahwa akan sangat sulit untuk mendapatkan lubang hitam yang cukup untuk menghapuskan semua materi gelap alam semesta kepada mereka.
Kemudian, Timothy Brandt dari Princeton Institute for Advanced Studies mempelajari efek lubang hitam pada aglomerasi bintang padat, yang dikenal sebagai gugus bola yang hidup di galaksi kerdil yang bersembunyi di kekosongan di sekitar Bima Sakti. Dia menunjukkan bahwa jika terjadi lubang hitam berlebih, kelompok-kelompok ini akan memanas, membengkak, dan mati dengan cepat. Mengganti nilai-nilai spesifik untuk kluster tertentu di galaksi kerdil Eridanus II, ia mampu menunjukkan bahwa hanya sebagian kecil materi gelap yang bisa ada dalam bentuk lubang hitam. Dalam hubungan ini, gagasan black hole yang bertindak sebagai materi gelap telah berubah menjadi gagasan eksotis lainnya, yang disukai para ahli teori, tetapi tanpa dukungan nyata di alam.
Dan pencarian materi gelap telah difokuskan pada interaksi lemah partikel besar,
WIMP . Ini adalah partikel fundamental, peninggalan dari masa-masa awal, ketika interaksi fundamental di alam digabungkan dan berperilaku sangat berbeda dari apa yang sekarang. Bagi banyak rekan saya, penemuan WIMP tidak bisa dihindari, mereka harus ada. Segera setelah kita membangun alat yang cukup besar dan kuat, maka, menurut sebagian besar kosmolog, kita pasti akan melihat partikel aneh ini.
Itu tidak terjadi. Seiring waktu, detektor kami menjadi lebih kuat dan lebih besar, tetapi mereka tidak menemukan apa pun. Dalam percobaan
LUX baru-baru ini mencari partikel langka yang meninggalkan energi mereka dalam setengah ton xenon cair terkubur satu kilometer di bawah tanah di Lead di South Dakota, mereka tidak bisa menunjukkan bukti partikel yang belum pernah terlihat sebelumnya. Richard Gateskel dari Brown University, salah satu pendiri LUX, mengatakan: "Alangkah baiknya jika peningkatan sensitivitas akan memungkinkan kita untuk melihat sinyal yang jelas dari materi gelap. Namun, apa yang kami amati hanya sesuai dengan latar belakang. ”
Mengingat posisi putus asa WIMP, masuk akal untuk mengambil beberapa ide lama, spekulatif, yang dibuang. Dalam dua karya terbaru, salah satunya dipimpin oleh Simeon Bird of the University. John Hopkins, dan yang lainnya, Misao Sasaki dari Yukawa University di Tokyo, melakukan hal itu.
Didorong oleh penemuan aLIGO, mereka mencari tahu apakah lubang hitam seberat beberapa puluh sel surya bisa menjadi materi gelap. Seharusnya ada 10 miliar lubang seperti itu di Bima Sakti, dan yang terdekat dari mereka mungkin beberapa tahun cahaya dari tata surya kita. Beberapa dari mereka harus membentuk sistem biner, dan beberapa sistem seperti itu dapat dideteksi oleh aLIGO. Kedua tim sepakat bahwa aLIGO harus mendeteksi dari beberapa unit ke beberapa lusin peristiwa seperti itu setahun, dan mereka harus menang atas lubang hitam lainnya yang muncul dengan cara seperti keruntuhan bintang. Dengan kata lain, jika lubang hitam ini adalah materi gelap galaksi, Anda dapat mengharapkan aLIGO melihatnya. Dan dia melihat mereka.
Iblis dalam detailnya. Bagaimana lubang hitam prasejarah seharusnya muncul masih merupakan pertanyaan terbuka. Satu gagasan adalah bahwa mereka muncul dalam periode singkat percepatan ekspansi Alam Semesta awal, selama inflasi. Guncangan dan getaran periode itu seharusnya memusatkan energi dalam bola padat, yang akan memunculkan pembentukan lubang hitam. Agar kita dapat mendeteksinya, lubang ini harus cukup dekat untuk bergabung dan memancarkan gelombang gravitasi. Bagaimana dan kapan ini terjadi tergantung pada bentuk Bimasakti, kepadatan massa, dan kecepatan lubang hitam. Asumsi yang masuk akal memberikan jawaban yang menjanjikan, tetapi ini masih spekulasi.
Ini hanya langkah pertama di lapangan setelah euforia penemuan aLIGO, dan apa pun bisa terjadi. Keterbatasan percobaan MACHO dan fisika kluster globular bekerja melawan gagasan ini, tetapi beberapa gagasan cemerlang dapat menyelesaikan semua masalah yang terkait dengan pengamatan.
Pembukaan aLIGO mengingatkan saya akan transformasi lain yang telah saya amati dalam karier saya. Pada tahun 1991,
satelit COBE pertama-tama mengukur gelombang CMB yang tersisa dari Big Bang. Pencarian yang mengecewakan dan hampir quixotic untuk radiasi ini berlangsung lebih dari 25 tahun, dan hampir pindah ke daerah provinsi kosmologi. Kosmologi itu sendiri tampak esoteris dan sulit untuk menggambarkan sains, topik yang kabur, meskipun sangat menarik dan kreatif. Tetapi ketika radiasi akhirnya ditemukan, ini menciptakan longsoran ide tidak hanya untuk astronomi, tetapi juga untuk fisika partikel.
Selama beberapa dekade, kami telah mencoba untuk menghubungkan hukum-hukum dasar alam yang mengatur alam semesta awal dengan bagaimana galaksi muncul untuk berkembang dan membentuk struktur skala besar yang terlihat saat ini. Penemuan COBE menempatkan saya pada jalur yang telah saya ikuti hingga hari ini, dan saya dapat membayangkan bagaimana aLIGO akan melakukan hal yang sama dengan generasi fisikawan baru dalam pencarian mereka akan materi gelap.