Materi gelap masih menjadi salah satu misteri terbesar dalam kosmologi modern. Walaupun tak dapat dilihat secara langsung, pengaruhnya terhadap struktur alam semesta sangat jelas terlihat. Hampir setiap galaksi, termasuk Bima Sakti tempat kita berada, tampaknya dikelilingi oleh sebuah “halo” besar materi gelap yang membantu menarik dan menyatukan milyaran bintang dalam tarikan gravitasi yang stabil. Selama beberapa dekade, para ilmuwan berjuang untuk memahami bagaimana struktur besar seperti ini terbentuk dan berkembang. Temuan terbaru dari Perimeter Institute membawa kita lebih dekat pada jawaban dengan cara yang belum pernah dicapai sebelumnya: melalui simulasi canggih yang untuk pertama kalinya menangkap bagaimana materi gelap yang saling berinteraksi dapat runtuh secara dramatis di inti halo, menciptakan gambaran baru tentang evolusi kosmik dan mungkin membuka jalan menuju pemahaman tentang asal-usul lubang hitam supermasif di pusat galaksi.
Materi gelap sendiri adalah substansi hipotetis yang tidak memancarkan, menyerap, atau memantulkan cahaya, sehingga mustahil dideteksi secara langsung menggunakan teleskop biasa. Namun pengaruhnya dapat dilihat melalui gaya gravitasi yang dirasakan terhadap bintang, gas, dan galaksi yang saling berinteraksi. Para astronom tahu bahwa jumlah materi biasa (proton, neutron, elektron) hanyalah sekitar 5 % dari total materi-energi di alam semesta; sisanya adalah materi gelap dan energi gelap yang misterius. Struktur besar alam semesta seperti filamen dan gugusan galaksi tampaknya dibentuk oleh jaringan materi gelap yang luas, membuatnya menjadi pilar utama pemahaman kosmologi kontemporer .
Salah satu tantangan terbesar dalam mempelajari materi gelap adalah sifatnya yang sangat berbeda dari materi biasa. Dalam model standar kosmologi, materi gelap dipandang sebagai “tidak berinteraksi” kecuali melalui gravitasi. Namun sekelompok fisikawan memperkenalkan ide bahwa materi gelap mungkin memiliki kemampuan untuk bertabrakan satu sama lain, tetapi tetap tidak berinteraksi dengan materi biasa. Jenis materi gelap ini disebut Self-Interacting Dark Matter (SIDM) atau materi gelap yang berinteraksi sendiri. Jika benar, SIDM memiliki dampak yang sangat berbeda pada struktur halo yang mengelilingi galaksi, terutama pada inti halo itu sendiri .
Para peneliti dari Perimeter Institute mengembangkan sebuah kode simulasi baru bernama KISS-SIDM yang dapat secara efisien dan akurat memodelkan perilaku SIDM dalam rentang kondisi yang lebih luas daripada metode sebelumnya. Sebelum pengembangan ini, simulasi materi gelap hanya mampu menangani dua ekstrem: saat materi sangat jarang dan tabrakan antar partikel jarang, atau saat materi sangat padat dan tabrakan sering terjadi sehingga model fluida bisa dipakai. Namun untuk kondisi “menengah” — yang paling relevan dengan banyak halo galaksi — kedua pendekatan tersebut tidak ideal. KISS-SIDM menjembatani kesenjangan ini dengan memberikan simulasi yang lebih cepat, lebih akurat, dan cukup ringan untuk dijalankan bahkan di komputer laptop, membuka kemungkinan studi fenomena kosmik secara lebih luas dan fleksibel .
Dalam simulasi dengan kode ini, para ilmuwan menemukan fenomena yang disebut “gravothermal core collapse” — suatu kondisi di mana inti halo materi gelap menjadi semakin panas dan padat seiring waktu karena mekanisme transport energi yang unik dalam SIDM. Fenomena ini mirip dengan cara bintang evolusi dalam inti gugusan bintang: ketika energi dipindahkan dari bagian dalam ke luar, bagian dalam menjadi lebih panas dan padat. Dalam konteks SIDM, interaksi antar partikel gelap menyebabkan energinya mengalir menuju bagian luar halo. Sebagai respons, inti menjadi semakin padat dan energinya meningkat, yang pada akhirnya mendorong terjadinya keruntuhan inti yang dramatis. Proses ini berbeda secara fundamental dari dinamika materi gelap non-interaktif, di mana inti halo cenderung tetap lebih stabil dan kurang padat .
Temuan simulasi ini penting karena memberikan prediksi baru yang dapat diuji terhadap pengamatan astronomi nyata. Misalnya, jika inti halo materi gelap runtuh dengan cara yang disimulasikan, ini dapat menghasilkan profil kepadatan yang sangat berbeda dari apa yang diharapkan dalam model materi gelap non-interaktif. Astrofisikawan dapat kemudian membandingkan data dari pengamatan rotasi bintang di galaksi atau distribusi materi di pusat gugusan galaksi untuk mencari tanda-tanda keruntuhan seperti itu. Keberadaan atau ketiadaan pola semacam itu dapat menjadi bukti kuat bagi atau menentang keakuratan model SIDM dalam menjelaskan struktur kosmik .
Lebih jauh lagi, pemahaman tentang bagaimana materi gelap berperilaku di inti halo tidak hanya penting untuk kosmologi, tetapi juga untuk memahami pembentukan dan evolusi lubang hitam supermasif. Observasi astronomi menunjukkan bahwa hampir setiap galaksi besar memiliki lubang hitam supermasif di pusatnya, tetapi mekanisme pembentukan dan pertumbuhan lubang hitam tersebut masih menjadi misteri. Beberapa teori menyatakan bahwa keruntuhan materi gelap di inti halo dapat menghasilkan kondisi yang memfasilitasi pembentukan lubang hitam awal yang kemudian tumbuh melalui akresi gas dan bintang. Jika simulasi SIDM benar, perubahan dinamika di inti halo dapat memberikan “seed” awal bagi lubang hitam supermasif, memberikan jalur evolusi baru yang bisa menjelaskan populasi lubang hitam di alam semesta awal .
Tidak kalah pentingnya, simulasi yang lebih cepat dan akurat seperti KISS-SIDM memungkinkan komunitas ilmiah melakukan studi komprehensif tentang rentang parameter materi gelap yang lebih luas, termasuk kemungkinan bentuk interaksi yang berbeda atau variasi dalam densitas awal halo. Kemampuan untuk menjalankan simulasi di laptop biasa berarti lebih banyak peneliti dan kelompok riset dapat berkontribusi pada pengembangan model, meningkatkan kecepatan kemajuan di bidang ini. Ini merupakan lompatan besar dari era di mana hanya pusat superkomputer bisa menangani model kompleks ini, dan membuka penelitian materi gelap ke komunitas yang lebih luas dan intensif kolaboratif .
Meski demikian, masih banyak yang harus dipelajari. Simulasi memberikan model yang menjanjikan, tetapi konfirmasi melalui pengamatan nyata tetap menjadi tantangan utama. Para astronom harus menggunakan teleskop dan instrumen observasi lain untuk mengukur distribusi materi gelap dengan presisi sangat tinggi, misalnya melalui lensa gravitasi yang dibelokkan oleh massa besar atau melalui pengamatan rotasi galaksi di berbagai ukuran. Kemajuan dalam teknologi observasi — seperti teleskop generasi berikutnya atau detektor gelombang gravitasi — mungkin memberikan data yang dibutuhkan untuk menguji prediksi simulasi ini secara lebih definitif. Seluruh proses ini adalah contoh bagaimana teori, simulasi komputer, dan observasi empiris saling bersinergi dalam memecahkan misteri terbesar alam semesta .
Kesimpulannya, pengembangan kode simulasi KISS-SIDM dan temuan keruntuhan inti halo materi gelap adalah langkah besar dalam memahami dinamika materi gelap yang kompleks dan interaktif. Temuan ini tidak hanya memberi wawasan baru tentang struktur galaksi dan pembentukan lubang hitam, tetapi juga memperluas kapasitas ilmuwan untuk mengeksplorasi alternatif model materi gelap dengan presisi yang lebih tinggi. Dengan penelitian lanjutan dan dukungan dari observasi astronomi masa depan, kita mungkin akan segera mencabut tirai misteri yang telah menyelimuti salah satu komponen dominan alam semesta — materi gelap itu sendiri.
Daftar Referensi
ScienceDaily. (2026, January 18). Inside the mysterious collapse of dark matter halos. https://www.sciencedaily.com/releases/2026/01/260118233609.htm
Essig, R., et al. (2022). Dark matter science and the search for new particles. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 72, 1–36. https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-111921-061239
Spergel, D. N., & Steinhardt, P. J. (2000). Observational evidence for self-interacting cold dark matter. Physical Review Letters, 84(17), 3760–3763. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.3760
Tulin, S., & Yu, H.-B. (2018). Dark matter self-interactions and small scale structure. Physics Reports, 730, 1–57. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2017.11.004
Perimeter Institute for Theoretical Physics. (2026). New simulations reveal how self-interacting dark matter halos collapse. https://perimeterinstitute.ca
Bullock, J. S., & Boylan-Kolchin, M. (2017). Small-scale challenges to the ΛCDM paradigm. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 55, 343–387. https://doi.org/10.1146/annurev-astro-091916-055313
Navarro, J. F., Frenk, C. S., & White, S. D. M. (1997). A universal density profile from hierarchical clustering. The Astrophysical Journal, 490(2), 493–508. https://doi.org/10.1086/304888