Setiap atom di alam semesta yang membentuk bintang, planet, atau gas, terdapat sekitar lima kali lebih banyak materi gelap. Fisikawan sangat yakin bahwa unsur tersebut ada di sana, namun mereka tidak dapat menemukannya atau bahkan mengetahui apa yang menyusunnya. Kita tidak akan mengetahui alasan pasti mengapa begitu sulit untuk melihat sampai kita menjawab pertanyaan tentang apa itu materi gelap, namun itu tidak berarti kita tidak tahu apa-apa.
Bagaimana kita tahu materi gelap itu nyata dan ada?
Kecepatan benda mengorbit satu sama lain bergantung pada jarak dan massanya. Kita mengetahui betapa beratnya Matahari dengan mengamati seberapa cepat Bumi, dan planet-planet lain mengelilinginya. Segalanya menjadi lebih rumit ketika massa yang mengendalikan kecepatan orbit tersebar bukan pada satu titik, namun fisikawan sudah sangat ahli dalam memecahkan masalah semacam itu.
Akibatnya, ketika kita melihat kecepatan bintang-bintang di galaksi terdekat mengorbit atau kecepatan perjalanan galaksi-galaksi di tepi gugus galaksi raksasa, kita tahu berapa banyak massa yang menyebabkan gerakan tersebut. Namun ketika para astronom mencoba memperkirakan jumlah bintang di galaksi tersebut dan massa rata-ratanya, angka tersebut tidak cocok.
Bintang-bintang yang terlihat tidak memberikan massa yang cukup untuk menyamai efek yang mereka timbulkan pada objek di tepinya. Perkiraan massa bintang mungkin kasar, kita tidak dapat menghitung setiap bintang, namun perbedaannya terlalu besar untuk dilakukan dengan pengambilan sampel yang terlalu rendah.
Sejumlah kecil ilmuwan menjelaskan hal ini dengan berpendapat bahwa gravitasi bekerja secara berbeda pada skala besar dibandingkan model yang kita gunakan, yang didasarkan pada pergerakan planet dan bulan di Tata Surya. Salah satu versi gagasan ini telah mendapat banyak publisitas, namun sebagian besar fisikawan menganggapnya mustahil.
Hampir pasti ada sesuatu di luar sana yang memiliki banyak massa yang cukup untuk membengkokkan ruang-waktu sedemikian rupa sehingga memengaruhi pergerakan segala sesuatu lainnya, namun kita tidak dapat melihatnya. Dengan kata lain disebut materi gelap.
Lensa gravitasi memberikan lebih banyak bukti. Kita melihat galaksi-galaksi membelokkan cahaya dari objek-objek yang lebih jauh dan galaksi-galaksi tersebut membelokkannya jauh lebih besar daripada yang dapat diperkirakan oleh bintang-bintang yang terlihat. Setelah ada kesepakatan luas bahwa materi gelap itu ada, pencarian dilakukan untuk mengidentifikasi sifatnya.
Pada saat itu, satu-satunya hal yang kami ketahui adalah bahwa materi gelap menghasilkan efek gravitasi yaitu ia mempunyai massa dan ia tidak dapat dilihat, setidaknya dengan instrumen yang kita miliki sekarang.
Mengapa kita tidak dapat melihat materi gelap
Awalnya ada dua penjelasan yang saling bersaing yang populer. Salah satu usulan materi gelap terdiri dari objek besar yang tidak memancarkan cahaya. Mereka mungkin memantulkan cahaya jika ditempatkan dengan tepat, namun tidak cukup dekat dengan bintang untuk memantulkan cahaya dalam jumlah yang berguna.
Para astronom membayangkan sejumlah besar objek bermassa Jupiter berkeliaran di ruang antar bintang. Benda-benda ini disebut sebagai Massive Compact Halo Objects (MACHOs) yang lingkaran cahayanya adalah milik galaksi.
Alternatif utama adalah partikel-partikel subatom yang masing-masing ringan, namun hadir dalam jumlah yang tak terbayangkan sehingga secara kolektif mereka dapat menghasilkan massa yang hilang. Berbeda dengan MACHO, partikel ini diberi nama WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) dengan kata masif di sini berarti memiliki massa.
Contoh-contoh ini menjelaskan mengapa tidak ada jawaban universal terhadap pertanyaan “Mengapa kita tidak dapat melihat materi gelap?”. Jika materi gelap adalah MACHO, kita tidak dapat melihatnya karena kita belum cukup dekat dengan objek semacam ini. Jika itu WIMP, penglihatannya mustahil, tapi dengan alat pendeteksi yang tepat kita mungkin bisa memastikan keberadaan partikel tersebut.
Hipotesis MACHO sangat tidak disukai saat ini. Berbagai indikator memberi tahu kita bahwa benda-benda semacam ini merupakan sebagian kecil dari massa yang kita cari, jika ada.
Jika menurut WIMP, kemungkinan adanya partikel subatom yang tidak kita ketahui tetaplah partikel hidup. Seiring berjalannya waktu dan semakin banyak kandidat partikel yang cocok yang dikesampingkan, pencarian ini menjadi sedikit membuat bingung. Hanya ketika kita menemukan partikel-partikel ini, jika kita berhasil menemukannya, kita akan mengetahui apa yang membuat partikel-partikel tersebut lolos begitu lama dari kita.
Ada beberapa kategori partikel subatom yang tidak termasuk dalam payung WIMP, namun mungkin membentuk materi gelap seperti neutrino berat. Namun jawabannya tetap sama, hanya dengan menentukan jenis partikel mana yang bertanggung jawab, kita dapat mengetahui mengapa partikel tersebut sangat sulit ditemukan.
Ada lebih banyak hal dalam pencarian materi gelap daripada memikirkan teori MACHO versus WIMP. Ada dugaan bahwa terdapat lebih banyak lubang hitam di bagian terluar galaksi daripada yang kita ketahui. Kita tidak dapat melihat lubang hitam karena gravitasinya yang sangat kuat bahkan cahaya pun tidak dapat melarikan diri. Secara teknis ini cocok dengan akronim MACHO, tetapi dianggap sesuatu yang berbeda.
Kita menemukan lubang hitam dengan mencari cahaya dari piringan akresinya, atau dengan mengamati cara mereka mengayunkan bintang di sekelilingnya. Di bagian terluar galaksi yang jumlah bintangnya sedikit dan material untuk membentuk piringan akresi sangat sedikit, lubang hitam bisa saja melimpah dan kita tidak akan pernah tahu.
Ada banyak masalah yang menjelaskan dari mana lubang hitam ini berasal, itulah sebabnya gagasan ini belum terbukti sepopuler beberapa alternatif lainnya. Namun demikian, ketika kemungkinan-kemungkinan lain semakin berkurang, kemungkinan inilah yang mungkin mengemuka, memberikan penjelasan tersendiri mengapa materi gelap sulit ditemukan.
