Efek kuantum bekerja tidak hanya pada tingkat subatomik: mereka dapat menyebar melintasi galaksi dan memecahkan misteri materi gelap
Sebagian besar masalah Semesta tidak terlihat, terdiri dari zat tertentu yang tidak meninggalkan jejak dalam proses melewati kita, dan melalui semua detektor yang dibangun oleh para ilmuwan dengan tujuan untuk menangkapnya. Tetapi materi gelap ini bahkan mungkin tidak terdiri dari awan partikel yang tak terlihat, seperti yang dikemukakan oleh sebagian besar ahli teori. Sebaliknya, itu mungkin berubah menjadi sesuatu yang bahkan lebih asing:
cairan super yang terkondensasi menjadi genangan miliaran tahun yang lalu dan melahirkan galaksi yang kita amati hari ini.
Asumsi baru ini memiliki konsekuensi yang luas untuk kosmologi dan fisika. Superfluid dark matter (STM) memecahkan banyak masalah teoretis yang terkait dengan awan partikel. Dia menjelaskan peregangan upaya gagal yang panjang dan menjengkelkan untuk menentukan komponen individu dari awan ini. Ini juga menawarkan jalur ilmiah yang jelas untuk pencarian lebih lanjut dan memberikan prediksi tertentu yang dapat diverifikasi segera.
STM juga memiliki implikasi konseptual yang penting. Dari gagasan ini dapat disimpulkan bahwa konsep Semesta yang diterima secara umum sebagai massa partikel individu yang diikat oleh beberapa kekuatan - seolah-olah perancang anak-anak - kehilangan semua kekayaan alam. Sebagian besar materi di Semesta dapat benar-benar berbeda dari materi yang dikomposisikan oleh tubuh Anda: ia mungkin tidak terdiri dari atom atau bahkan partikel seperti yang biasa kita bayangkan, tetapi jadilah keseluruhan yang koheren dari tingkat yang sangat luas.
"Selama bertahun-tahun, orang telah menggunakan model paling sederhana untuk TM: partikel yang tidak bertabrakan dengan partikel lain dan tidak memancarkan cahaya," kata Justin Khoury, profesor fisika teori di University of Pennsylvania. "Tetapi selama 20 tahun terakhir, pengamatan dan simulasi komputer telah meningkat secara nyata, dan pada skala galaksi, model ini memiliki beberapa masalah." Partikel TM tidak bertabrakan dengan dirinya sendiri, oleh karena itu, tidak berkumpul menjadi struktur kompak yang setara dengan bintang dan planet. Karena TM, menurut definisi, tidak memancarkan cahaya, bukti keberadaannya adalah efek gravitasinya: materi yang tak terlihat, dilihat dari segalanya, memengaruhi pembentukan, rotasi, dan pergerakan galaksi. Pada skala terbesar, HM yang bebas tabrakan biasanya sesuai dengan pengamatan astronomi.
Pada skala yang lebih kecil, model yang populer dan banyak digunakan ini meramalkan bahwa lebih banyak materi harus dikumpulkan di pusat galaksi daripada yang dapat dilihat para astronom - fitur ini dikenal sebagai "masalah puncak". Juga, model ini memprediksi terlalu banyak galaksi satelit untuk Bima Sakti, dan tidak dapat menjelaskan mengapa satelit yang kita miliki sebenarnya terletak hampir di pesawat yang sama. Dan akhirnya, TM tanpa tabrakan tidak mengatakan apa-apa tentang mengapa kecerahan galaksi spiral sesuai dengan kecepatan rotasi mereka. Model sederhana ini tampaknya terlalu sederhana.
Satu penjelasan yang mungkin untuk kekurangan semacam itu adalah bahwa fisikawan melewatkan satu proses astrofisika penting yang terlibat dalam pembentukan galaksi. Tapi Koury tidak berpikir begitu. Dari sudut pandangnya, masalah ini berbicara tentang sesuatu yang lebih dalam. Intinya adalah tidak hanya bahwa model dingin TM tanpa tabrakan hampir tidak sesuai dengan beberapa data, tetapi juga bahwa model yang sama sekali berbeda jauh lebih baik konsisten dengan pengamatan yang dengannya model standar memiliki masalah. Alih-alih menemukan partikel baru yang belum ditemukan,
model lain menyarankan memodifikasi gravitasi agar sesuai dengan TM. Perilaku gravitasi pada jarak ribuan dan jutaan tahun cahaya tidak dapat diukur secara langsung. Efek kecil yang tidak dapat dideteksi di Bumi dapat memainkan peran yang cukup besar pada skala seluruh galaksi.
Modifikasi gravitasi (MG) secara mengejutkan berhasil dalam beberapa kasus dan mengalami masalah pada yang lain. Di satu sisi, secara mengejutkan mudah sesuai dengan rotasi galaksi dan menjelaskan di mana ketergantungan kecerahan dan kecepatan rotasi berasal. MG tidak memungkinkan berbagai parameter dari galaksi ke galaksi muncul yang terjadi ketika menggunakan awan partikel - yang terakhir dapat sangat berbeda. Di sisi lain, MG sulit mengatasi pengamatan jarak yang jauh lebih besar atau lebih kecil dari ukuran galaksi yang khas. Pada skala ini, model cold TM bekerja lebih baik.
Ini terkenal karena fakta bahwa mengubah sesuatu dalam teori gravitasi Einstein, tanpa benar-benar mematahkannya, sangat sulit. Oleh karena itu, sebagian besar fisikawan memilih alternatif yang lebih aman dalam bentuk partikel. Bagi mereka, kemunculan partikel-partikel baru adalah jalan yang sulit untuk menyelesaikan masalah, dan matematika yang terkait adalah wilayah yang sudah dikenal. Tetapi Koury tidak ingin berdampingan dengan salah satu pihak ini. Dia ingin mengambil yang terbaik dari keduanya, sehingga paling sesuai dengan Semesta nyata.
“Biasanya orang mencoba memecahkan masalah skala galaksi dengan memodifikasi gravitasi; itu adalah alternatif untuk TM, ”kata Courie. - Dan untuk beberapa alasan, mungkin yang bersifat sosial, kedua pendekatan ini dianggap saling eksklusif: Anda berada di kamp MG atau di kamp TM, yang terdiri dari partikel. Tapi mengapa tidak menggabungkannya? Tentu saja,
pisau cukur Occam akan mengatakan bahwa itu akan kurang meyakinkan. Oleh karena itu, pendekatan yang kami pilih adalah bahwa kedua fenomena, MG dan TM, yang terdiri dari partikel, dapat dengan mudah menjadi aspek dari teori yang sama. ”
Bukti keberadaan TM telah terakumulasi sejak penemuannya oleh astronom Swiss
Fritz Zwicky lebih dari 80 tahun yang lalu. Pada tahun 1933, Zwicky menggunakan teleskop Hooker 254 cm di Mount Wilson Observatory di California, mengarahkannya ke
Cluster Rambut Veronica . Ini adalah segerombolan sekitar 1000 galaksi yang terhubung bersama oleh gaya tarik gravitasi. Dalam sistem yang terhubung seperti itu, kecepatan komponennya - dalam hal ini, galaksi - bergantung pada massa total yang terikat. Zwicky mencatat bahwa galaksi bergerak jauh lebih cepat daripada jika Anda hanya mempertimbangkan massa materi yang tampak, dan menyarankan agar gugus tersebut mengandung materi yang tak terlihat. Dia menyebutnya Dunkle Materie, atau "materi gelap" dalam bahasa Jerman.
Fisikawan mungkin membuang kasus ini sebagai penyimpangan yang aneh. Tetapi ternyata pengamatan ini lebih merupakan aturan daripada pengecualian ketika astronom Amerika
Vera Rubin mempelajari rotasi galaksi spiral dari tahun 1960-an. Kecepatan bintang dalam orbit yang jauh dari pusat galaksi tergantung pada massa total (dan, akibatnya, tarikan gravitasi) dari sistem yang terhubung - dalam hal ini, pada massa galaksi. Pengukuran Rubin menunjukkan bahwa lusinan galaksi berotasi lebih cepat dari yang diperkirakan hanya dari materi yang terlihat. Sejak pengamatan Rubin membawa TM ke sorotan lampu sorot, ia telah masuk dalam daftar masalah fisika paling populer yang belum terpecahkan.
Teknologi teleskop terus meningkat, dan bukti yang mendukung TM yang diperoleh dari pengamatan telah secara bertahap diakumulasikan dan disempurnakan. Fisikawan sekarang dapat mengamati distorsi kecil karena kelengkungan gravitasi ruang-waktu dekat kluster galaksi. Distorsi ini, dikenal sebagai pelensaan gravitasi yang lemah, sedikit mendistorsi penampilan objek-objek bintang yang lebih jauh; cahaya yang datang dari mereka membungkuk di sekitar gugusan, yang daya tariknya bertindak seperti lensa. Dengan kekuatan efek ini, total satu dapat menghitung massa cluster dan menunjukkan keberadaan HM. Dengan menggunakan metode ini, fisikawan bahkan telah membangun peta distribusi TM. Membandingkan mereka dengan metode pembuktian lain, mereka menentukan bahwa 85% materi Semesta harus berhubungan dengan TM.
Menggunakan lebih banyak data, fisikawan juga dapat mengecualikan gagasan bahwa TM terdiri dari gumpalan atom biasa, seperti yang membentuk Bumi (secara teknis mereka disebut
materi baryonic ). Ini, hal yang normal, berinteraksi terlalu banyak dengan dirinya sendiri; itu tidak akan memberikan distribusi yang diamati dari TM. TM juga tidak dapat terdiri dari bintang-bintang yang runtuh menjadi lubang hitam atau objek astronomi redup lainnya. Jika demikian, objek-objek ini harus jauh melebihi jumlah bintang di galaksi kita, yang akan mengarah pada distorsi gravitasi yang signifikan dan mudah diamati. Juga, HM tidak dapat terdiri dari partikel-partikel lain yang diketahui, seperti neutrino yang berinteraksi lemah, yang dipancarkan oleh bintang-bintang dalam jumlah besar. Neutrino tidak menyatu cukup kuat untuk membuat struktur galaksi yang dapat diamati.
Ternyata untuk menjelaskan apa yang terdiri dari TM, fisikawan harus membangun teori tentang partikel baru, yang belum ditemukan. Paling sering, mereka digunakan yang jatuh ke dalam dua kelas besar: lemah berinteraksi partikel besar (
WIMPs ) dan
axions jauh lebih ringan, meskipun ada juga tidak ada kekurangan hipotesis yang lebih kompleks menggabungkan berbagai jenis partikel. Tetapi semua upaya untuk mendeteksi partikel-partikel ini secara langsung, dan tidak hanya menurunkan keberadaannya dari gaya tarik gravitasi, sejauh ini tetap tidak berhasil. Alih-alih memecahkan teka-teki, eksperimen untuk mendeteksi secara langsung hanya memperdalamnya.
"Hari ini tidak mungkin untuk tertarik pada kosmologi tanpa tertarik pada materi gelap," kata Stefano Liberati, profesor fisika di Sekolah Internasional untuk Studi Lanjut di Italia. Liberati dan rekannya secara independen mengerjakan
penjelasan tentang TM , sangat mirip dengan apa yang diberikan Kouri. Ketika Liberati pertama kali menemukan betapa suksesnya MG pada skala galaksi, di mana model cold TM gagal, ia segera mencoba mencari cara untuk menggabungkan kedua model ini. "Itu membuat saya berpikir: mungkin TM sedang mengalami transisi fase dalam skala kecil," katanya. - Mungkin berubah menjadi semacam cairan, khususnya, menjadi superfluid. Jika itu membentuk kondensasi pada skala galaksi, itu sebenarnya akan memecahkan banyak masalah. ”
Cairan superfluid tidak ada dalam kehidupan sehari-hari, tetapi mereka akrab bagi fisikawan. Mereka seperti superkonduktor - kelas material di mana listrik bergerak tanpa hambatan. Ketika didinginkan pada suhu mendekati nol absolut, helium juga mulai mengalir tanpa hambatan. Merembes melalui pori-pori terkecil, dan bahkan mengalir keluar dari palet, bergerak ke atas dinding. Perilaku superfluid semacam itu tidak unik untuk helium; ini adalah fase keadaan materi di mana partikel-partikel lain dapat lewat pada suhu yang cukup rendah. Kelas cairan ultra dingin ini, pertama kali diprediksi pada tahun 1924 oleh Einstein dan fisikawan India
Chatyatranath Bose , sekarang dikenal sebagai
kondensat Bose-Einstein . Liberati menyadari bahwa TM juga dapat masuk ke kondisi superfluid.
Kondensat Bose-Einstein paling baik dipelajari dalam bentuk campuran dua komponen: cairan superfluid dan biasa. Kedua komponen ini berperilaku berbeda. Superfluid menunjukkan efek kuantum pada jarak yang jauh, ia tidak memiliki viskositas dan korelasi tak terduga muncul pada skala besar; berperilaku seolah-olah terdiri dari partikel yang jauh lebih besar daripada yang sebenarnya. Komponen lain yang normal, berperilaku seperti cairan biasa; menempel pada wadah dan untuk dirinya sendiri - yaitu, ia memiliki viskositas. Rasio antara dua komponen tergantung pada suhu kondensat: semakin tinggi suhu, semakin besar pengaruh komponen normal.
Kita terbiasa berpikir bahwa fisika kuantum hanya berlaku di bidang mikroskopis. Tetapi semakin fisikawan belajar tentang teori kuantum, semakin jelas bahwa ini tidak demikian. Kondensat Bose-Einstein adalah salah satu zat yang paling banyak dipelajari yang memungkinkan efek kuantum merambat dalam medium. Secara teori, perilaku kuantum dapat meluas ke jarak yang besar secara sewenang-wenang jika gangguannya cukup lemah.
Dalam lingkungan yang hangat dan bising seperti Bumi, efek kuantum yang rapuh dengan cepat dihancurkan. Oleh karena itu, kita biasanya tidak menemukan aspek aneh dari fisika kuantum seperti kemampuan partikel berperilaku seperti gelombang. Tetapi jika Anda menerapkan perilaku kuantum di tempat yang dingin dan tenang, itu akan bertahan. Di tempat yang dingin dan tenang, seperti di luar angkasa. Di sana efek kuantum mampu meregangkan jarak yang sangat jauh.
Jika TM adalah kondensat Bose-Einstein - yang mana efek kuantum meluas ke seluruh galaksi - keadaan ini secara alami akan menjelaskan dua model perilaku TM yang berbeda. Di dalam galaksi, sebagian besar TM akan berada di fase superfluid. Selama kluster galaksi dengan proporsi besar ruang intergalaksi, sebagian besar TM berada dalam fase normal, yang akan menyebabkan perilaku yang berbeda. Menurut Cooney dan rekan, adalah mungkin untuk menjelaskan efek yang diamati dari HM menggunakan model kondensat Bose-Einstein yang sederhana dengan hanya beberapa parameter terbuka (properti yang harus memiliki nilai yang benar agar model dapat bekerja).
Gagasan bahwa TM dapat menjadi kondensat Bose-Einstein telah lama berputar di komunitas astrofisika, tetapi versi baru memiliki perbedaannya sendiri. Gagasan baru Kouri sangat meyakinkan karena dia mengatakan bahwa superfluid TM dapat meniru MG: itu mencapai tujuan dengan menggabungkan yang terbaik dari kedua model. Ternyata gravitasi tidak perlu dimodifikasi untuk mendapatkan hasil yang diamati dalam teori MG. Superfluid yang koheren dapat menyebabkan munculnya persamaan yang sama dan perilaku yang sama. Dengan demikian, model Koury menggabungkan keunggulan cold TM dan MG tanpa kerugian dari kedua teori tersebut.
Superfluid TM dapat mengatasi masalah MG terbesar: ketidaksukaan sebagian besar ahli astrofisika. Banyak dari para peneliti ini berasal dari fisika partikel, dan persamaan MG tampak tidak biasa bagi mereka. Untuk fisikawan partikel, persamaan ini terlihat tidak menarik dan tidak alami. Mereka tampaknya disesuaikan dengan hasilnya. Tetapi superfluid TM menawarkan pendekatan persamaan yang berbeda, mungkin lebih alami.
Menurut Cowry, persamaan untuk superfluid TM tidak termasuk dalam bidang fisika partikel elementer. Mereka muncul dari
fisika benda terkondensasi , di mana mereka menggambarkan bukan partikel fundamental, tetapi perilaku jangka panjang yang muncul atas dasar mereka. Dalam model Kouri, persamaan yang muncul dalam MG tidak menggambarkan partikel individu. Mereka menggambarkan perilaku bersama partikel. Persamaan seperti itu tidak dikenal oleh banyak ahli dalam fisika partikel, sehingga hubungan antara superfluiditas dan MG tidak diperhatikan begitu lama. Tapi, tidak seperti persamaan MG, persamaan yang menggambarkan cairan superfluid sudah memiliki dasar teori yang kuat - hanya dalam fisika benda terkondensasi.
Bahwa Kouri memperhatikan hubungan ini adalah suatu kebetulan yang tidak terduga. Dia menemukan literatur tentang fisika benda terkondensasi, menggunakan persamaan yang sangat mirip dengan yang dia lihat dalam teori MG: "Dan segala sesuatu yang lain kemudian jatuh ke tempatnya," katanya. "Saya pikir semua ini hanya membentuk gambar yang indah yang menggabungkan dua fenomena ini."
Kembali ke bukti pengamatan keberadaan TM, pendekatan superfluid Koury dapat memecahkan banyak masalah model yang ada. Untuk mulai dengan, superfluiditas mencegah penggumpalan berlebihan dari HMS di pusat galaksi, menghilangkan "kekusutan" ilusi, karena semua fluktuasi kepadatan diselaraskan dalam fase superfluid. “Superfluid akan memiliki panjang yang koheren [jarak di mana semua materi berada dalam keadaan yang sama],” kata Liberati. "Dari sini sudah jelas bahwa tidak akan ada ekses."
Superfluiditas menghasilkan skema tarikan yang identik dengan persamaan MG, sehingga mungkin bertanggung jawab atas keteraturan yang diamati dari kurva rotasi galaksi. Namun, tidak seperti MG, ia berperilaku hanya pada suhu seperti itu di mana komponen superfluid mendominasi. Pada skala yang lebih besar dari gugus galaksi, HM ternyata terlalu bersemangat (yaitu terlalu panas) dan kehilangan sifat superfluida. Dengan cara ini, superfluid TM dapat menimbulkan pembentukan galaksi yang terlihat, dan pada saat yang sama, dalam fase yang berbeda dari superfluiditas, akan sesuai dengan struktur cluster yang diamati.
Pendekatan Kouri menjelaskan mengapa para astronom tidak mengamati bukti MG di dalam tata surya. "Matahari menciptakan medan gravitasi yang kuat sehingga secara lokal menghancurkan koherensi superfluida," katanya. - Di dekat tata surya, jangan mencerminkan koherensi superfluida. Matahari berperilaku seperti kenajisan. Seperti lubang dalam cairan. "
Akhirnya, model superfluid menjelaskan mengapa fisikawan tidak dapat menemukan partikel TM. Sejak 1980-an, puluhan percobaan berbeda telah mencari bukti langsung dari keberadaan partikel-partikel tersebut.
Eksperimen ini biasanya menggunakan tangki berpelindung besar dengan berbagai bahan, yang dalam kasus yang jarang dapat berinteraksi dengan partikel TM dan memberikan sinyal yang diamati. Terlepas dari berbagai macam teknik dan bahan, penggunaan detektor yang diisolasi dengan hati-hati yang disembunyikan di tambang bawah tanah untuk menyaring sinyal palsu, tidak ada bukti meyakinkan yang ditemukan tentang keberadaan TM.Dengan tidak adanya deteksi, gagasan bahwa TM dapat menjadi sesuatu yang bukan sekadar jenis partikel lainnya menjadi lebih meyakinkan. "Ketika saya masih mahasiswa, saya bangun setiap tiga puluh malam setelah tidur tentang gravitasi yang dimodifikasi," kata Nima Arkani-Hamed, seorang profesor fisika teoretis di Princeton. "Lalu itu terjadi sekali setiap 300 malam, dan sekarang itu terjadi sekali setiap 100 malam. Temanya kembali."Jika HM adalah cairan superfluida, maka partikel-partikel yang dikandungnya haruslah ringan, jauh lebih ringan daripada partikel-partikel HM hipotetis yang dicari kebanyakan eksperimen. Komponen superfluid mungkin terlalu ringan untuk dapat dideteksi dalam percobaan saat ini.Prediksi yang ditingkatkan dan unik dari model Cowry adalah bahwa perilaku kuantum superfluid harus meninggalkan tanda karakteristik dalam tabrakan galaksi. Ketika kondensat TM dari satu galaksi bertabrakan dengan kondensat lainnya, akibatnya, pola interferensi akan muncul - riak dalam distribusi materi dan gravitasi, yang akan mempengaruhi perilaku galaksi. Superfluid TM juga membuat prediksi tentang gesekan antara komponen TM dalam kelompok galaksi; gesekan seperti itu lagi akan memberikan gambar yang pasti dari tarikan gravitasi. Pengamatan dari pelensaan gravitasi dapat mendeteksi tanda-tanda keberadaan superfluid TM, jika Anda tahu persis apa yang harus dicari.Untuk estimasi numerik prediksi, diperlukan simulasi komputer. Koury sekarang sedang mengerjakan proyek semacam itu dengan para peneliti dari Universitas Oxford. Simulasi juga harus menunjukkan apakah jumlah galaksi satelit yang diharapkan lebih konsisten dengan teori superfluid TM dibandingkan dengan prediksi model yang ada.Amanda Weltman, seorang kosmologis dari University of Cape Town yang bekerja dengan TM, tetapi tidak berpartisipasi dalam penelitian ini, percaya bahwa model baru ini "sangat menarik dan kreatif." Tetapi dia mengatakan bahwa dia akan menjaga perkiraannya sampai dia melihat konfirmasi eksperimental, beberapa bukti yang jelas mendukung superfluiditas: "Pengamatan seperti itu akan menambah bobot nyata pada ide-ide mereka." Jika simulasi pada superkomputer berhasil, Koury mungkin dapat memberikan bukti tersebut. Dan kemudian kita harus terbiasa dengan pandangan yang lebih kompleks dari Semesta - diisi tidak hanya dengan materi gelap, tetapi juga dengan cairan superfluida tanpa gesekan, berputar di sekitar galaksi yang terang.Arkani-Hamed lebih skeptis, dan tidak siap berpisah dengan TM dingin. "Tetapi jika para pengecut tidak ditemukan dalam rangkaian percobaan berikutnya, mereka tidak akan ditemukan dalam 20 tahun ke depan," katanya. Dia percaya bahwa saatnya telah tiba untuk melihat model yang dibangun di sekitar partikel yang tidak biasa atau teori gravitasi yang dimodifikasi. Atau model yang menggabungkan yang terbaik dari dua dunia gelap.