95% alam semesta tidak dapat diperhatikan secara langsung. Apa yang kita namakan "gelap" sebenarnya hanyalah jirim yang tidak diketahui — dan mungkin persoalan terbuka terbesar dalam fizik moden.
Dua daya yang tidak dapat kita lihat — hanya kesannya.
Misi Planck (ESA, 2009–2013, analisis akhir 2018) telah membina semula komposisi alam semesta dengan ketepatan yang belum pernah dicapai sebelum ini, berdasarkan turun naik suhu yang amat kecil pada latar gelombang mikro kosmik. Hasilnya agak mengecewakan bagi pemahaman kita tentang diri sendiri: segala sesuatu yang terdiri daripada atom — bintang, planet, gas, kita sendiri — hanya merangkumi kira-kira 5% daripada ketumpatan tenaga alam semesta.
Bakinya terbahagi kepada dua komponen yang hanya kita ketahui secara tidak langsung melalui kesan graviti dan kosmologinya: Jirim Gelap, yang bertindak secara graviti seperti jirim biasa tetapi tidak memancarkan, menyerap atau memantulkan cahaya — dan Tenaga Gelap, yang memberikan alam semesta kesan tolakan yang lemah dan mempercepatkan pengembangannya. Kedua-dua fenomena ini tidak diramalkan secara teori, sebaliknya disimpulkan daripada pemerhatian yang bercanggah dengan gambaran yang telah ditetapkan: Jirim Gelap pada tahun 1930-an/1970-an daripada pergerakan galaksi yang terlalu pantas, Tenaga Gelap pula baharu pada tahun 1998 daripada supernova jauh yang terlalu malap. Bab-bab berikut menunjukkan bagaimana kedua-dua kesan ini ditemui — dan betapa sedikitnya yang kita ketahui tentang sifat sebenarnya sehingga kini.
Pada tahun 1933, ahli astronomi Fritz Zwicky mendapati bahawa galaksi dalam gugusan galaksi Coma bergerak jauh lebih pantas daripada yang sepatutnya dibenarkan oleh jisim kelihatan gugusan tersebut — beliau menamakan jisim yang hilang itu "jirim gelap", walaupun pada mulanya komuniti saintifik tidak memberikan banyak perhatian kepada pemerhatian ini. Bukti yang menentukan dan diterima secara meluas baru diberikan oleh Vera Rubin dan Kent Ford pada tahun 1970-an: mereka mengukur kelajuan putaran bintang dan gas dalam galaksi spiral seperti Galaksi Andromeda berbanding jaraknya daripada pusat galaksi.
Gambaran skematik berdasarkan Vera Rubin & Kent Ford, tahun 1970-an — magnitud tipikal bagi sebuah galaksi spiral.
Menurut hukum graviti Newton dan taburan jisim yang kelihatan, kelajuan putaran di luar kawasan pusat yang padat sepatutnya berkurangan dengan bertambahnya jarak — sama seperti kelajuan orbit planet luar mengelilingi Matahari yang semakin berkurangan. Sebaliknya, kelajuan yang diukur kekal hampir malar, walaupun jauh di luar cakera yang bercahaya. Satu-satunya penjelasan dalam rangka fizik yang diketahui: galaksi dikelilingi oleh halo jirim yang luas dan tidak kelihatan, yang gravitinya mengekalkan bintang-bintang luar pada orbitnya.
Zwicky sudah memiliki petunjuk penting itu seawal tahun 1933: beliau menamakan jisim yang hilang dalam gugusan Coma sebagai "jirim gelap" (istilah asal dalam bahasa Jerman: dunkle Materie) — istilah yang dicipta sendiri olehnya sebagai ahli astronomi Switzerland berbahasa Jerman di California Institute of Technology. Kaedah pengukurannya (teorem virial yang diterapkan pada kelajuan gugusan) boleh dipertikaikan dari segi kaedah, angkanya kasar — dan idea beliau dianggap sebagai keanehan selama berpuluh-puluh tahun. Hanya lengkung putaran Rubin yang tepat dan sukar dipertikaikan berjaya mengubah catatan pinggiran seorang penyendiri itu menjadi salah satu tunjang utama kosmologi moden.
Lengkung putaran hanyalah permulaan. Sejak itu, bukti bebas daripada pelbagai kaedah pemerhatian yang sama sekali berbeza telah terkumpul — setiap satu menyokong gambaran tentang satu komponen yang tidak kelihatan tetapi aktif secara graviti.
Hampir tiada sistem lain yang dapat menunjukkan Jirim Gelap sejelas Bullet Cluster (1E 0657-56): imej sinar-X daripada teleskop Chandra menunjukkan lokasi jisim gas panas yang bercahaya — sebahagian besar jirim biasa. Peta kanta graviti lemah pula menunjukkan secara bebas lokasi jisim keseluruhan yang sebenar. Kedua-dua taburan ini jelas tersasar antara satu sama lain.
Pemisahan ruang ini hampir tidak dapat dijelaskan hanya dengan graviti terubah suai, dan sejak diterbitkan pada tahun 2006, ia dianggap sebagai salah satu petunjuk paling langsung bagi kewujudan satu bentuk jirim tersendiri yang hampir tidak berinteraksi.
Kewujudan Jirim Gelap dianggap sudah disahkan dengan baik dalam kalangan ahli astrofizik. Apa sebenarnya sifatnya masih belum diketahui. Pencarian tertumpu kepada tiga kelas calon yang sangat berbeza:
Eksperimen yang paling rumit mencari pengesanan langsung: pengesan seperti XENONnT (Gran Sasso, Itali) dan LUX-ZEPLIN (South Dakota, AS) memerhati bertan-tan xenon cecair ultra-tulen di makmal bawah tanah yang dalam, menanti isyarat jarang daripada zarah WIMP yang berlanggar dengan nukleus atom xenon. Setakat ini, tiada isyarat yang meyakinkan ditemui. Setiap pengukuran nol yang baharu menyingkirkan lagi ruang parameter yang mungkin, tanpa menjawab persoalan tersebut — adalah jujur untuk mengakui bahawa tiada jawapan muktamad boleh diberikan di sini: sifat sebenar Jirim Gelap merupakan salah satu bidang penyelidikan fizik yang paling aktif namun paling sedikit diselesaikan.
"Jirim Gelap" bukanlah petunjuk tentang apa sebenarnya bahan ini — nama itu hanya menerangkan apa yang tidak dilakukannya: ia tidak memancarkan, menyerap atau memantulkan cahaya. Ia sama sahaja boleh dinamakan "jirim tidak kelihatan" atau sekadar "Bahan X". Perkara yang sama berlaku bagi "Tenaga Gelap": nama sementara bagi satu kesan yang diukur — pengembangan yang dipercepatkan — yang puncanya secara fizik masih tidak diketahui. Kedua-dua istilah ini adalah pengakuan tentang jurang dalam pengetahuan kita, bukan penjelasan.
Pada tahun 1998, dua pasukan bebas — Supernova Cosmology Project di bawah Saul Perlmutter dan High-Z Supernova Search Team di bawah Brian Schmidt dan Adam Riess — menerbitkan satu pemerhatian yang tidak dijangka oleh sesiapa pun. Mereka menggunakan supernova jenis Ia sebagai "lilin piawai": letupan kerdil putih ini mencapai kecerahan maksimum yang diketahui dan hampir seragam, membolehkan jarak ditentukan dengan tepat daripada kecerahan ketaranya. Namun, supernova yang jauh — dan justeru lebih awal dari segi masa — kelihatan secara sistematik lebih malap daripada yang dijangkakan oleh alam semesta yang perlahan akibat jirim dan graviti. Satu-satunya penjelasan yang konsisten: pengembangan alam semesta bukan semakin perlahan, sebaliknya semakin pantas. Atas penemuan ini, Perlmutter, Schmidt dan Riess menerima Hadiah Nobel Fizik pada tahun 2011.
Pada tahun 1917, Einstein menambah satu sebutan tambahan pada persamaan medannya, pemalar kosmologi Λ, untuk membolehkan alam semesta yang statik — dan kemudiannya menolaknya sebagai "kesilapan terbesarnya" selepas Hubble menemui pengembangan alam semesta. Selepas tahun 1998, Λ kembali, kali ini sebagai penjelasan paling ringkas bagi Tenaga Gelap: satu ketumpatan tenaga vakum yang malar.
Masalahnya: teori medan kuantum meramalkan ketumpatan tenaga vakum yang kira-kira 120 tertib magnitud lebih tinggi daripada nilai yang diperhatikan — sering digambarkan sebagai ramalan kuantitatif paling teruk dalam sejarah fizik. Punca nilai yang diperhatikan, walaupun amat kecil tetapi tidak sifar, masih tidak diketahui.
Jika Tenaga Gelap benar-benar setara dengan pemalar kosmologi sebenar, maka masa depan alam semesta sudah hampir dapat ditentukan: pengembangan yang berterusan dan semakin pantas selama-lamanya. Senario yang paling dipercayai mempunyai nama yang kurang menarik — Big Freeze, juga dikenali sebagai kematian haba. Bintang akan kehabisan bahan bakarnya, galaksi akan hilang di luar ufuk yang boleh diperhatikan masing-masing, jirim akan mereput sepanjang tempoh masa yang tidak terbayangkan, sehingga alam semesta mencapai keseimbangan yang sejuk dan amat cair.
Gambaran skematik faktor skala — pengembangan terperlahan semasa dominasi jirim, peralihan pada ~5 bilion tahun, dipercepatkan sejak itu.
Senario alternatif — keruntuhan semula (Big Crunch, sekiranya jirim dan graviti mencukupi) atau perpecahan ruang-masa itu sendiri (Big Rip, sekiranya Tenaga Gelap terus meningkat) — dianggap jauh lebih tidak mungkin berdasarkan pengukuran masa kini. Apa maksud pengembangan berterusan ini bagi sempadan alam semesta boleh diperhatikan dan bagi persoalan di luar capaian fizik kita, dibincangkan dengan lebih mendalam dalam gambaran berasingan mengenai batasan kosmologi.
Perjalanan menuju Big Freeze bukanlah persoalan berjuta-juta tahun, sebaliknya magnitud yang menjadikan tempoh masa kosmologi sendiri kelihatan kecil. Dalam Era Berbintang (Stelliferous Era) yang kita duduki sekarang, bintang masih terbakar (sehingga ~10¹⁴ tahun). Selepas itu bermulanya Era Degenerat (Degenerate Era), di mana hanya kerdil putih dan kerdil coklat yang tinggal, diikuti oleh Era Lohong Hitam (Black-Hole-Era), di mana malah lohong hitam turut menyejat melalui sinaran Hawking (~10¹⁰⁰ tahun). Apa yang tinggal selepas itu menjadi topik batasan kosmologi — di sini cukup sekadar gambaran ringkas bahawa pengakhiran alam semesta, sekiranya Λ kekal malar, bukanlah satu letupan, sebaliknya satu keheningan perlahan-lahan.
Walaupun banyak kemajuan telah dicapai, sekurang-kurangnya satu percanggahan nyata masih kekal: dua kaedah bebas dan berketepatan tinggi untuk mengukur kadar pengembangan alam semesta masa kini (pemalar Hubble H₀) menghasilkan nilai yang secara statistik tidak bertindih.
Pengukuran tempatan melalui tangga jarak kosmik menghasilkan kira-kira 73.0 km/s/Mpc. Pengiraan semula daripada latar gelombang mikro kosmik dengan mengandaikan model piawai ΛCDM pula menghasilkan kira-kira 67.4 km/s/Mpc — satu perbezaan kira-kira 8–9% yang bukan sekadar hingar pengukuran. Sama ada penyelesaiannya terletak pada ralat sistematik yang belum ditemui, fizik baharu bagi Tenaga Gelap, atau zarah yang masih belum diketahui, ia kekal sebagai salah satu persoalan terbuka paling aktif dalam kosmologi.
Ketegangan Hubble bukanlah masalah kecil, sebaliknya ia melibatkan kuantiti asas yang digunakan untuk menentukur setiap jarak dalam alam semesta. Jika ia ternyata hanyalah ralat pengukuran, ΛCDM akan kekal utuh. Jika ia terus disahkan, ia mungkin menjadi petunjuk konkrit pertama bahawa Tenaga Gelap — atau Jirim Gelap — lebih kompleks daripada yang diandaikan oleh pemalar kosmologi yang ringkas. Kedua-dua kemungkinan ini menjadikan Ketegangan Hubble sebagai salah satu penghujung terbuka paling menarik dalam bab fizik ini.