Materi gelap, yang merupakan sebagian besar materi di alam semesta, tidak mudah dilihat. Dia gelap. Namun ada satu cara dimana materi gelap (TM) dapat, dalam arti tertentu, bersinar.
Dan seperti apa dia? Jika HM terdiri dari partikel yang merupakan antipartikel sendiri (seperti halnya untuk foton, Z-partikel dan partikel Higgs, dan mungkin neutrino), maka ada kemungkinan bahwa dua partikel HM saling bertemu dan memusnahkan (sama seperti mereka dapat memusnahkan elektron dengan positron, atau dua foton), berubah menjadi sesuatu yang lain yang mungkin dapat kita deteksi - misalnya, menjadi dua foton, atau partikel lain dan antipartikelnya. Apakah kita dapat mendeteksi efek ini tergantung pada banyak hal yang tidak kita ketahui. Tetapi tidak ada yang salah dengan mencari fenomena ini, dan ada alasan yang sangat bagus untuk mencoba.
Bagaimana kita berharap menemukannya?
Fig. 1Pertama kita perlu melihat pusat galaksi kita, Bimasakti. Seperti halnya kecelakaan yang mungkin terlihat dalam lalu lintas padat pada jam sibuk, tabrakan partikel materi gelap kemungkinan besar dapat diamati di mana kepadatannya paling besar. Dan yang terbesar ada di pusat galaksi. Alasannya adalah bahwa (lihat Gbr. 1) bongkahan besar materi gelap terbentuk di sekitar galaksi dan bintang - pada kenyataannya, sebagian besar massa Bima Sakti adalah materi gelap yang didistribusikan melalui bola kasar, meskipun struktur pastinya tidak diketahui dan mungkin cukup rumit. Bintang-bintang dan awan atom besar yang membentuk cakram berputar dengan lengan spiral terletak di dalam bola besar ini dan memiliki bola bintang (
tonjolan ) di tengah. Bintang-bintang di cakram dan tonjolan cenderung menumpuk di tempat konsentrasi HM tertinggi. Jadi tabrakan dan pemusnahan berikutnya, yang mengarah ke penampakan partikel yang berpotensi dapat kita deteksi, dapat terjadi di dekat pusat galaksi, jadi kita perlu mengembangkan alat ilmiah yang dapat melihat ke arah ini dan mencari petunjuk bahwa pemusnahan seperti itu terjadi.
Sayangnya, petunjuk tidak begitu mudah diperoleh, karena tidak ada banyak jenis partikel yang diketahui bahwa, ketika dibuat dalam penghancuran materi gelap di dekat pusat Galaksi, dapat mencapai Bumi. Satu-satunya partikel yang cukup panjang yang dapat mencapai Bumi adalah elektron, antielektron (positron), proton, antiproton, beberapa inti atom stabil lainnya (helium), neutrino, antineutrino dan foton. Tetapi neutrino (dan antineutrino) sangat sulit dideteksi, dan hampir semua partikel lainnya memiliki muatan listrik, sehingga jalur mereka melengkung dan terpuntir di medan magnet Galaksi, itulah sebabnya mereka tidak pernah mencapai Bumi. Itu juga memastikan bahwa jika mereka datang kepada kita, kita tidak bisa mengatakan apakah mereka datang dari pusat galaksi atau tidak. Foton tetap sebagai satu-satunya partikel yang, pertama, dapat bergerak langsung dari pusat Galaksi ke Bumi, dan kedua, mudah dideteksi.
Fig. 2Foton berenergi tinggi yang tidak biasa yang datang dari pusat galaksi, dan yang hampir tidak ada di mana-mana, dapat memberikan petunjuk yang baik tentang pemusnahan TM (Gbr. 2).
Namun, strategi ini memiliki banyak kendala. Di pusat Galaksi, banyak objek astronomi yang tidak biasa juga dikumpulkan, yang juga memancarkan foton berenergi tinggi. Bagaimana membedakan antara foton yang berasal dari pemusnahan TM dan foton yang berasal dari kelas proses bintang yang tidak diketahui yang mungkin lebih umum di pusat galaksi daripada di tempat lain?
Jawab: tidak mudah, kecuali untuk satu kasus khusus. Jika partikel TM (memiliki massa tertentu, katakanlah, M) kadang-kadang dapat memusnahkan, memutar tepat dua foton, maka untuk kedua foton ini energi gerak akan (dengan akurasi yang sangat baik) energi massa Mc
2 dari partikel materi gelap. Alasannya sederhana - itu dijelaskan dalam
artikel tentang penghancuran partikel dan anti partikel dan ditunjukkan pada Gambar. 3.
Fig. 3Jika partikel dan antipartikel praktis diam, maka energi masing-masing hampir sepenuhnya terkandung dalam massa dan hampir persis sama dengan Mc
2 . Denyut keduanya hampir nol. Energi dan momentum dilestarikan, sehingga total energi kira-kira sama dengan 2 Mc
2 sebelum dan sesudah pemusnahan. Ketika sebuah partikel dan antipartikel berubah menjadi partikel dan antipartikel lain, energi keduanya akan sama dengan Mc
2 . Biasanya itu akan menjadi campuran energi massa dan energi gerak. Dalam kasus ketika partikel akhir dan antipartikel berubah menjadi foton tanpa massa dan, dengan demikian, energi massa, semua energi mereka akan menjadi energi gerak.
Kita tidak tahu massa M dari partikel TM, dan kita tidak tahu energi dari foton yang dihasilkan. Tetapi karena massa adalah sama untuk semua elektron dan massa adalah sama untuk semua proton, dan massa untuk semua partikel TM adalah sama, setiap pemusnahan TM akan menghasilkan tampilan dua foton dengan energi yang hampir sama dengan Mc
2 . Dan ini berarti bahwa jika kita menggunakan teleskop khusus untuk mengukur foton berenergi tinggi yang berasal dari area yang dekat dengan pusat galaksi dan membuat grafik jumlah foton dari energinya, kita harus berharap bahwa banyak proses astrofisika akan menghasilkan banyak foton dengan energi berbeda yang akan membentuk latar belakang yang halus, tetapi proses yang terjadi dengan HM akan menambah banyak foton dari energi yang sama - ledakan yang menjulang di atas latar belakang (lihat Gambar 4). Hampir tidak mungkin untuk membayangkan objek astronomi, beberapa bintang aneh yang cukup sederhana untuk membuat ledakan seperti itu - oleh karena itu, sinyal dalam bentuk ledakan sempit akan menjadi bukti nyata dari proses pemusnahan pasangan partikel TM.
Fig. 4Dan ini adalah cara yang sangat ampuh untuk mencari TM. Ini tidak akan berfungsi jika partikel-partikel TM bukan anti partikel untuk dirinya sendiri dan tidak dapat dimusnahkan. Ini tidak akan berfungsi jika partikel TM tidak terlalu sering menghasilkan foton setelah penghancuran. Tapi itu bisa berhasil. Dan sudah ada upaya, yang paling menarik di antaranya adalah penggunaan
teleskop ruang angkasa sinar gamma Fermi , percobaan dengan satelit yang bekerja di ruang angkasa dan mengukur foton yang datang dari seluruh langit, termasuk yang datang dari pusat galaksi.