Pergerakan gugusan galaksi di alam semesta yang jauh baru saja memberikan ujian skala terbesar bagi hukum gravitasi.

Dalam skala ratusan juta tahun cahaya, gravitasi ternyata masih berperilaku sesuai dengan prediksi Isaac Newton dalam hukum gravitasi universalnya.

Menurut hukum ini, setiap partikel di alam semesta memberikan gaya gravitasi kepada partikel lain yang sebanding dengan massanya, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara pusat massa kedua partikel tersebut.

Mengamati efek ini pada gugusan galaksi yang berjarak miliaran tahun cahaya memperkuat pemahaman kita saat ini tentang gravitasi. Hal ini juga memperkuat argumen tentang keberadaan zat misterius yang menjadi sumber tarikan gravitasi tak terjelaskan, yaitu materi gelap.

“Sungguh luar biasa bahwa hukum kuadrat terbalik — yang diusulkan Newton pada abad ke-17 dan kemudian dimasukkan ke dalam teori relativitas umum Einstein — masih terbukti benar hingga abad ke-21,” kata kosmolog Patricio Gallardo dari University of Pennsylvania.

Namun, saat kita melihat alam semesta, ada keanehan yang muncul.

Berdasarkan perhitungan semua materi normal (materi barionik) yang ada—yaitu segala sesuatu yang bisa kita lihat, termasuk bintang, galaksi, lubang hitam, planet, debu, bahkan kita sendiri—benda-benda di ruang angkasa tidak bergerak sebagaimana mestinya.

Galaksi berputar terlalu cepat. Cahaya yang melintasi alam semesta mengikuti lengkungan gravitasi ruang-waktu yang jauh lebih besar daripada yang bisa dihasilkan oleh massa materi biasa.

Gugusan galaksi yang seharusnya tercerai-berai justru terikat erat. Riak-riak kecil pada latar belakang gelombang mikro kosmik hanya masuk akal jika sebagian besar materi di alam semesta ini tidak terlihat.

Ada dua penjelasan utama untuk ketidaksesuaian ini. Pertama adalah materi gelap—sesuatu yang tidak bisa kita deteksi secara langsung, namun berinteraksi dengan materi biasa hanya melalui gravitasi.

Berdasarkan pengukuran fenomena tersebut, sekitar 85 persen materi di alam semesta adalah materi gelap.

Penjelasan kedua adalah ada sesuatu yang kurang dalam definisi gravitasi kita, yang awalnya dirumuskan oleh Newton dan kemudian disempurnakan oleh Albert Einstein.

“Itulah teka-teki utamanya,” ujar Gallardo. “Apakah gravitasi berperilaku berbeda pada skala yang sangat besar, atau alam semesta memang mengandung materi tambahan yang tidak bisa kita lihat secara langsung?”

Cara untuk menjawabnya adalah dengan mencari bukti baru mengenai materi gelap, atau menguji apakah gravitasi benar-benar berperilaku sesuai dengan hukum fisika yang kita kenal.

Gallardo dan timnya memilih cara kedua, yaitu mengukur kecepatan gugusan galaksi jauh dalam ruang lingkup sekitar 5 hingga 7 miliar tahun cahaya.

Sampel ini mencakup sekitar 686.000 galaksi, yang banyak di antaranya terikat dalam gugusan dan bergerak menuju satu sama lain karena gravitasi.

Untuk mengukur kecepatannya, peneliti menggunakan efek Sunyaev-Zeldovich kinematik. Cahaya pertama yang mengalir bebas di alam semesta ada di sekitar kita hari ini—itulah latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB).

Dalam perjalanannya menuju kita, cahaya dari CMB sering melewati awan gas panas di sekitar gugusan galaksi. Jika gugusan itu diam, cahaya akan bergerak lurus. Namun, jika gugusan itu bergerak, foton CMB akan memantul dari elektron bebas dan sedikit mengubah sinyal CMB tersebut.

Dengan mengukur perubahan itu, ilmuwan bisa menentukan seberapa cepat gugusan tersebut bergerak. Kecepatan dua gugusan yang saling mendekat kemudian digunakan untuk meneliti massa yang terlibat dan bagaimana gaya gravitasi bekerja di sana.

Jika teori gravitasi kita perlu diubah, maka gaya gravitasi seharusnya lebih kuat pada jarak yang jauh; artinya, gaya tersebut seharusnya melemah lebih lambat seiring bertambahnya jarak.

Namun, apa yang diamati para peneliti justru sebaliknya: tarikan gravitasi antar gugusan memudar dengan cepat pada jarak yang lebih jauh—ini konsisten dengan teori Newton dan Einstein.

Baca juga: Einstein Cross Spektakuler Baru Ditemukan Melengkungkan Ruang-Waktu

Hasil ini menunjukkan bahwa materi gelap adalah penjelasan yang lebih kuat daripada teori gravitasi yang dimodifikasi, meskipun masih banyak pertanyaan yang belum terjawab.

“Studi ini memperkuat bukti bahwa alam semesta memiliki komponen materi gelap, namun kita masih belum tahu materi itu terdiri dari apa,” kata Gallardo.

“Dengan begitu banyak pertanyaan yang belum terjawab, gravitasi tetap menjadi salah satu bidang penelitian yang paling menarik.”

Penelitian ini telah diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters.