Berbagai materi penyusun alam semesta yang dapat kita lihat baik dengan panca indera maupun bantuan teknologi saat ini terdiri dari planet, bintang, galaksi, dan lain-lain. Namun tahukah kalian bahwa ada materi lain yang belum terdeteksi secara visual tetapi diduga ada di alam semesta ini? Ya, para ilmuwan menyebutnya sebagai dark matter atau materi gelap. Berbicara mengenai dark matter, pertemuan pascasarjana pada Rabu, (30/01/19) menyinggung masalah ini dalam pembahasan pengaruh medan magnet pada kurva rotasi galaksi spiral. Pemateri pada kesempatan kali ini adalah Wulandari, mahasiswa pascasarjana astronomi angkatan 2018. Pemaparan dilakukan dalam waktu kurang lebih satu jam.

Paparan diawali dengan menyampaikan secara ringkas tentang materi di dalam galaksi beserta klasifikasinya. Galaksi terdiri dari komponen luminus (yang terlihat) berupa disk (piringan), bulge (tonjolan di pusat), dan stellar halo. Bintang-bintang yang berada di daerah stellar halo berumur lebih tua dibandingkan dengan yang berada di piringan dan pusat. Menurut Hubble, galaksi dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

Gambar 1. Klasifikasi Galaksi (Sumber: Hubble, 1958)

Berdasarkan Gambar 1 secara umum terdapat tiga tipe galaksi, yaitu galaksi elips, lentikular, dan spiral. Galaksi elips terdiri dari tiga subtipe, yaitu E0, E3, dan E7. Gambar dengan simbol S0 merujuk pada galaksi lentikular. Galaksi spiral terbagi menjadi dua jenis, yaitu spiral normal dan berbatang. Galaksi spiral normal pusatnya berbentuk spheroid (bola) yang berdasarkan rentang bukaan lengan spiralnya digolongkan ke dalam tiga subtipe, yaitu Sa, Sb, dan Sc. Galaksi tipe spiral normal dengan subtipe Sa memiliki lengan spiral yang rapat, sedangkan subtipe Sb cukup renggang, dan subtipe Sc semakin renggang. Sementara itu, pada galaksi spiral berbatang daerah pusat tidak hanya berbentuk spheroid, melainkan juga terdapat batang. Pada galaksi tipe ini terdapat tiga subtipe, yaitu SBa, SBb, dan SBc. Subtipe ini memiliki arti yang sama dengan subtipe pada galaksi spiral normal.

Berbeda dengan bintang yang dianggap sebagai objek titik (point source), galaksi merupakan extended object sehingga memiliki kecerlangan permukaan yang dinyatakan dalam mag/arcsec2. Pada Gambar 2, grafik berwarna biru menunjukkan profil kecerlangan piringan galaksi sedangkan grafik berwarna merah menunjukkan profil kecerlangan bulge (daerah pusat) galaksi. Kecerlangan piringan galaksi menurun secara eksponesial mengikuti profil Freeman, sebagai berikut:

dengan R adalah jarak dari pusat, I adalah kecerlangan permukaan pada jarak R, I0 adalah kecerlangan pusat, dan Rd adalah skala panjang yang nilainya bervariasi untuk setiap galaksi.

Gambar 2. Dekomposisi Kurva Kecerlangan Permukaan NGC 7331 pada Pita I (Sumber: Galaxies in The Universe – Sparke dan Gallagher)

Dalam penelitiannya, Wulan mempelajari pengaruh medan magnet terhadap kurva rotasi galaksi spiral. Secara definitif, kurva rotasi adalah kurva variasi kecepatan rotasi bintang dan awan gas sebagai fungsi jarak dari pusat. Dalam menghitung kecepatan rotasi sebuah objek diketahui jumlah massa yang dilingkup oleh jarak objek tersebut. Ekspektasinya adalah pada jarak yang jauh dari pusat (dengan menganggap seluruh massa tercakup di dalam radius yang ditinjau), kurva rotasi akan mengikuti profil keplerian sebagaimana profil kurva rotasi Tata Surya. Tetapi ternyata untuk galaksi spiral hal ini tidak berlaku. Alih-alih menurun secara keplerian, profil kecepatan rotasi malah konstan pada jarak tertentu hingga ke daerah yang lebih luar. Fakta pengamatan ini menjadi salah satu bukti keberadaan dark matter di dalam galaksi.

Berangkat dari pengamatan kecepatan rotasi objek dan survei terhadap massa luminus galaksi, ternyata massa dari objek penyusun galaksi yang dapat kita deteksi secara visual (massa luminus) tidak sama dengan massa yang diperoleh secara dinamik (massa dinamik). Hal ini menunjukkan adanya sejumlah massa yang belum bisa dideteksi secara visual, inilah yang disebut dengan dark matter (materi yang sangat sedikit atau sama sekali tidak berinteraksi secara elektromanetik).

Gambar 3. Grafik Massa Galaksi yang Diprediksi dan Diamati (Sumber: https://www.quora.com/How-do-cosmologists-arrive-at-the-estimate-of-approx-72-dark-matter)

Fakta pengamatan tentang datarnya kurva rotasi galaksi spiral pada jarak tertentu dari pusat dapat dijelaskan salah satunya dengan memperkenalkan keberadaan dark matter di halo galaksi. Namun, penelitian lebih lanjut juga menyarankan bahwa selain karena pengaruh dark matter, medan magnet di galaksi spiral dapat menyumbang nilai terhadap kecepatan rotasi galaksi. Pada penelitiannya, Wulan mempelajari bagaimana pengaruh medan magnet terhadap kurva rotasi galaksi dengan keberadaan dark matter dan medan magnet galaksi.

Kembali berbicara mengenai medan magnet, menurut Battaner et al. (1992) dan Battaner dan Florido (1995, 2000) medan magnet dapat berpengaruh terhadap distribusi gas di dalam galaksi. Berdasarkan skalanya, medan magnet terbagi menjadi dua jenis, yaitu medan magnet skala besar dan skala kecil. Medan magnet skala besar berimplikasi mempercepat rotasi galaksi secara keseluruhan, sedangkan medan magnet skala kecil atau biasa disebut turbulen, berimplikasi memperlambat rotasi galaksi. Kuatnya medan magnet bergantung pada jaraknya dari pusat galaksi. Jika jaraknya dekat dengan pusat maka medan magnet semakin kuat dan rapat begitu pun sebaliknya. Pada tahun 2012, Granados mengamati galaksi M31 dan memodelkan kurva rotasinya dengan memasukkan efek medan magnet, selain dari menambahkan halo dark matter. Hasil yang ia peroleh lebih fit (cocok) dibandingkan dengan yang hanya menambahkan halo dark matter saja.

Pada penelitian ini, Wulan mempelajari pengaruh medan magnet terhadap kurva rotasi galaksi spiral M31, NGC 2841, NGC 6964, dan NGC 7331. Di dalam pengerjaannya terdapat tiga kasus yang ditinjau. Pertama, mendekomposisi kurva rotasi ke dalam piringan, gas, bulge, dan halo dark matter. Kedua, pada hasil dekomposisi tersebut ditambahkan efek medan magnet galaksi yang dibuat tetap. Ketiga, pada hasil dekomposisi yang pertama ditambahkan efek medan magnet yang divariasikan. Setelah dilakukan fitting model dengan data didapat hasil bahwa:

  1. Adanya dark matter mengakomodasi bentuk kurva rotasi datar dengan baik
  2. Fitting dengan menambahkan medan magnet pada kurva rotasi galaksi spiral memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan yang tanpa medan magnet.
  3. Penambahan komponen medan magnet mengakomodasi kenaikan kurva rotasi NGC 2841 dan M31.
  4. Secara umum, kecepatan rotasi akibat medan magnet pada kasus ketiga sekitar 10 kali lebih besar dari kasus kedua.

[md]