Teleskop Luar Angkasa James Webb Menemukan Bukti untuk Teori Gravitasi Alternatif

• Pengamatan JWST terhadap galaksi purba meningkatkan kemungkinan bahwa galaksi di alam semesta awal terbentuk lebih cepat dari perkiraan, sehingga prediksi penjelasan standar Lambda-CDM dan MOND kembali dibandingkan
• Model materi gelap standar memandang galaksi awal berawal kecil dan redup lalu tumbuh perlahan, tetapi galaksi yang teramati tampak terang, besar, dan mendekati bentuk yang sudah matang
• Stacy McGaugh dari Case Western Reserve University dan rekan-rekannya pada 1998 memprediksi bahwa galaksi dapat terbentuk cepat bahkan tanpa materi gelap, dan menilai data JWST kali ini lebih dekat dengan prediksi tersebut
• MOND adalah teori yang berupaya menjelaskan ketidaksesuaian kurva rotasi galaksi dengan memodifikasi hukum kedua Newton, tetapi kerangka lengkap yang selaras dengan relativitas umum Einstein masih belum ada
• Lambda-CDM adalah model yang didukung luas untuk menjelaskan laju ekspansi alam semesta dan struktur alam semesta yang hampir datar, dan beberapa pengukuran astronomi modern juga masih mendukung hipotesis materi gelap

---

Skenario pembentukan galaksi awal yang diguncang oleh pengamatan JWST

• James Webb Space Telescope mengamati wilayah paling jauh di alam semesta untuk mempelajari galaksi purba dari masa lalu
• Tim peneliti Case Western Reserve University menilai pemindaian galaksi purba yang dikumpulkan JWST bertentangan dengan prediksi Lambda-CDM, teori Cold Dark Matter yang diterima luas
• Nilai pengamatan ditafsirkan sebagai kasus yang lebih sesuai dengan penjelasan teori gravitasi alternatif Modified Newtonian Dynamics(MOND)
• Jika hasil ini benar, astronom dan kosmolog perlu meninjau kembali MOND, yang telah lama menjadi perdebatan

Pertumbuhan lambat yang diharapkan Lambda-CDM

• Model Lambda-CDM memandang materi gelap sebagai unsur esensial untuk menjelaskan struktur alam semesta
• Dalam model ini, pengaruh gravitasi materi gelap mendorong pembentukan galaksi dan struktur skala besar
• Galaksi purba di alam semesta awal seharusnya kecil dan redup karena berkumpul secara bertahap oleh materi gelap sepanjang waktu kosmik
• McGaugh menilai bahwa jika Lambda-CDM benar, gravitasi tambahan dari materi gelap seharusnya perlahan menarik potongan-potongan kecil materi di sekitar galaksi awal ke bagian pusat
• Namun, galaksi yang diamati JWST dari masa lalu yang lebih jauh justru tampak terang, besar, dan cukup terbentuk

Pembentukan struktur cepat yang dijelaskan MOND

• MOND adalah teori yang pertama kali diajukan pada 1983 oleh fisikawan Israel Mordehai Milgrom
• Teori ini memodifikasi hukum kedua Newton untuk menjelaskan ketidaksesuaian kurva rotasi galaksi tanpa memperkenalkan materi gelap
• Modifikasi MOND menjadi penting di wilayah dengan percepatan sangat kecil, seperti pinggiran alam semesta yang diamati JWST
• Pada 1998, McGaugh bersama Federico Lelli, Jay Franck, James Schombert, dan lainnya ikut menulis makalah yang menyatakan bahwa pembentukan galaksi terjadi lebih cepat dan tidak bergantung pada materi gelap
• Dalam hipotesis tersebut, materi galaksi cepat berkumpul, mengembang bersama alam semesta, lalu runtuh di bawah gravitasi dan membentuk struktur besar serta terang lebih awal

Perbandingan data JWST dan prediksi sebelumnya

• McGaugh dan rekan-rekannya menilai data JWST lebih dekat dengan prediksi para pendukung MOND daripada model Lambda-CDM
• Sebagai contoh, McGaugh menilai prediksi berbasis MOND dari R H Sanders lebih akurat cocok dengan pengamatan dibanding prediksi dari Mo, Mao, White yang mendukung Lambda-CDM
• Fakta bahwa suatu model tidak cocok dengan satu pengamatan tidak langsung berarti model itu harus ditinggalkan, tetapi jika gagal cukup menjelaskan data pengamatan maka kerangka teorinya bisa melemah
• Beberapa pengukuran astronomi modern masih mendukung hipotesis materi gelap

Dukungan yang masih diterima Lambda-CDM

• Walau MOND tampak menjelaskan sebagian pengamatan JWST dengan baik, Lambda-CDM masih mendapat dukungan luas
• Lambda-CDM telah secara akurat memprediksi laju ekspansi alam semesta sejak 1920-an
• Bukti tentang konstanta kosmologis yang terus mendorong ekspansi alam semesta juga tercakup dalam kerangka Lambda-CDM
• Alam semesta hampir datar seperti yang disyaratkan Lambda-CDM, meski sedikit penyimpangan masih menjadi area yang perlu diteliti lebih lanjut
• Komunitas astrofisika yang lebih luas menilai Lambda-CDM telah bertahan dari banyak pengujian dan menyediakan kerangka yang konsisten untuk memahami alam semesta

Tantangan yang tersisa dan makalahnya

• McGaugh mengakui bahwa tantangan untuk menemukan teori yang kompatibel dengan relativitas umum maupun MOND masih belum terwujud
• Hasil yang ditunjukkan JWST tidak sesuai dengan harapan bahwa galaksi besar di alam semesta dekat dimulai dari pecahan-pecahan yang sangat kecil
• McGaugh mengatakan inti metode ilmiah adalah membuat prediksi dan memeriksa prediksi mana yang benar
• Makalah terkait Accelerated Structure Formation: The Early Emergence of Massive Galaxies and Clusters of Galaxies diterbitkan di The Astrophysical Journal pada 12 November 2024

[GN⁺]

Pendapat di Hacker News

• Menurut saya tulisan ini, paling tidak, menyesatkan. Isinya kira-kira mengatakan bahwa “pemindaian galaksi purba yang dikumpulkan JWST tampaknya bertentangan dengan prediksi ΛCDM yang paling luas diterima”, padahal ΛCDM tidak memprediksi seperti apa galaksi seharusnya terlihat, melainkan memprediksi berapa banyak massa yang ada di dalam struktur yang runtuh dan bahwa halo materi gelap tumbuh secara hierarkis
  Sebaliknya, dengan JWST kita melihat cahaya lalu harus menyimpulkan sifat fisik sebenarnya dari sistem itu. Sejak sangat awal sudah ada hasil yang menunjukkan bahwa jika memakai batas atas teoretis—yakni mengasumsikan semua gas di dalam struktur yang runtuh diubah menjadi bintang—maka fungsi luminositas yang dihasilkan beberapa orde magnitudo lebih tinggi daripada pengamatan JWST: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023MNRAS.521..497M/abstra...
  Jadi, bahkan di dalam ΛCDM pun masih ada cukup ruang bagi galaksi awal yang tampak terang, besar, dan bermassa tinggi. Menurut saya, data JWST tentang alam semesta awal saat ini terlalu sensitif terhadap model pembentukan galaksi yang dipilih, sehingga sulit untuk secara meyakinkan mendukung atau membantah ΛCDM

  • Penjelasan seperti “terlalu sensitif terhadap model pembentukan galaksi yang dipilih untuk secara meyakinkan mendukung atau membantah ΛCDM” sama sekali bukan cara ΛCDM diperkenalkan sebelum Webb. Saat itu teori ini dinilai baik, dan ada harapan bahwa data baru, seperti deteksi Higgs, akan mempersempit batas-batasnya dengan lebih baik dan membawa kita ke tahap berikutnya
    Namun kenyataannya lebih mendekati kekacauan; kita tidak melihat apa yang diharapkan, dan sekarang rasanya mundur ke posisi “tapi ΛCDM kan belum terbukti benar-benar salah?” Itu bukan berarti ΛCDM salah, juga bukan berarti MOND benar, tetapi ini jelas merupakan momen pergeseran paradigma ala Kuhn, sehingga gagasan yang lebih luas perlu dipertimbangkan secara serius
  • Aneh jika mempermasalahkan bahwa JWST hanya melihat cahaya. Semua teori materi gelap dibangun berdasarkan objek yang memancarkan cahaya, dan tidak ada pertentangan semacam itu antara metode JWST dan metode lainnya
    Meremehkan JWST karena hanya bisa melihat cahaya mirip dengan meremehkan Galileo karena ia hanya bisa membuat teleskop. Tentu akan menyenangkan jika kita bisa berteleportasi ke objek penelitian dan memperoleh lebih banyak informasi, tetapi di dunia nyata kita harus mengikuti aturan dunia nyata. Selain itu, argumen “sensitif terhadap model pembentukan galaksi” menurut saya tidak valid karena sama saja menaruh kereta di depan kuda

• Bagian yang terus mengganjal dari MOND adalah relativitas umum. Kita tahu gravitasi bukan Newtonian dan hukum kuadrat terbalik tidak berlaku begitu saja. Model gravitasi yang didasarkan pada hukum kuadrat terbalik memang model yang sederhana-sederhana saja salah
  https://tritonstation.com/new-blog-page/ dari komentar lain adalah tulisan yang bagus, dan mengajukan argumen bahwa relativitas umum belum pernah diuji pada wilayah percepatan rendah dan bisa saja salah. Namun kita juga tahu bahwa MOND salah pada percepatan tinggi. Jika tidak bisa mencakup keduanya, menurut saya sulit menyebutnya sebagai perbaikan atas GR. Ungkapan ini mungkin terdengar agak agresif, tetapi saya pikir riset gravitasi termodifikasi sangat bernilai; hanya saja itu bukan solusi serbaguna

  • MOND tidak diajukan sebagai perbaikan atas GR. Seperti namanya, sejak awal itu adalah teori mekanika Newton
    Ada juga versi relativistik MOND seperti TeVeS https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tensor%E2%80%93vector%E2%80%..., tetapi masih punya banyak masalah
  • Relativitas umum pun tidak cocok dengan mekanika kuantum dalam kondisi ekstrem, jadi jika mekanika kuantum tidak salah, maka GR pada dasarnya juga memiliki bagian yang salah. Karena itu, mungkin tidak tepat menerima GR seperti dogma
    Khususnya, perubahan MOND terhadap GR tampaknya juga hanya terjadi pada kondisi ekstrem, dan istilah “tidak cocok” dalam praktiknya bisa saja berarti matematikanya sulit dan para fisikawan belum cukup mengerjakannya. Menerima GR yang dimodifikasi ala MOND kecil kemungkinannya mengubah cara kerja GPS, jadi menurut saya pernyataan “GR telah bertahan dari ujian waktu dan rekayasa” saja tidak cukup untuk sepenuhnya membantah MOND
  • Pernyataan bahwa gravitasi bukan Newtonian dan hukum kuadrat terbalik tidak berlaku membutuhkan dasar. Di luar lingkungan massa dan energi ekstrem, konsensusnya kurang lebih bahwa gravitasi bekerja seperti yang dijelaskan Newton hingga sangat banyak digit presisi
    Ini bukan berarti relativitas umum salah, melainkan bahwa pada skala galaksi, gravitasi bekerja secara Newtonian dan efek GR sangat kecil
  • Saya bukan fisikawan, tetapi saya melihat kesalahan yang sama di sana-sini. Teorema kulit tidak berlaku untuk piringan atau galaksi
    Bahkan dalam tulisan tingkat lanjut, penyederhanaan yang memperlakukan materi di dalam radius sebagai massa titik di pusat, dan mengabaikan gravitasi massa di luar radius karena saling meniadakan, terus berulang. Penyederhanaan ini berlaku untuk kulit bola berdensitas seragam atau benda padat berbentuk bola, tetapi tidak berlaku untuk piringan atau cincin, yaitu galaksi
  • MOND memang memiliki generalisasi relativistik yang pada energi rendah menyederhana menjadi dinamika MOND. Namun, meski saya bukan ahli bidang ini, pemahaman saya teori-teori semacam itu lebih dekat ke tambal sulam dan sulit dihitung, sehingga tidak dianggap serius
    Dalam MOND, “pekerjaan nyata” tampaknya sebagian besar dilakukan dalam bentuk klasik, dan itu terlihat seperti pelanggaran aturan yang cukup besar. Kita bisa membangun teori besar di atas satu dugaan, tetapi tetap harus ada upaya untuk membuktikan dugaan itu

• Awalnya menyebut “bukti yang mengejutkan”, tetapi kemudian memakai kata-kata bersyarat seperti “nilai pengamatan tampaknya mendukung dasar MOND, yang dapat membuat astronom dan kosmolog meninjau kembali teori gravitasi alternatif yang sudah lama diperdebatkan ini”. Saya tidak tahu apa itu bukti bersyarat, dan mungkin saya melewatkan gambaran besarnya, tetapi gaya penulisan seperti ini, paling tidak, tidak akurat

  • Ini tipikal jurnalisme sains populer dengan judul yang mengejar klik. Lebih baik membaca makalahnya
  • Bukti itu harus diverifikasi secara matematis dan empiris, dan jenisnya memungkinkan teori yang saat ini nonarus utama tampak lebih cocok daripada teori dominan
    Dalam fisika ada terlalu banyak hal yang belum diketahui, sehingga pihak seberang bisa dengan mudah menjawab, “teorimu juga belum menjelaskan XYZ, jadi besar kemungkinan teori kami hanya perlu sedikit diperbaiki.” Sejauh pemahaman amatir saya, ini isu yang bisa memecah pendapat bahkan di antara orang-orang yang rasional
  • Belum ada konsensus maupun indikator yang dapat direplikasi. Mengatakan “mari kita telaah pihak sana lebih jauh” sudah cukup masuk akal

• Saya tidak mengerti mengapa orang membagikan tulisan dengan judul sensasional seperti ini. Wajar saja reputasi jurnalisme sains memburuk. Tulisan semacam ini sangat undermines upaya orang-orang yang berusaha menyampaikan sains dengan benar

  • Kalau tidak ada artikel ini dan diskusi HN, saya tidak akan tahu tentang MOND, dan setidaknya ini memang teori yang menarik
  • Insentif di setiap tahap, dari penulis artikel hingga jalur distribusinya, mendorong hal seperti itu, lalu memberi imbalan berupa uang, jumlah tayangan, pengaruh, ketenaran buruk, poin, dan perhatian. Untuk menghentikannya, insentif itu harus dihilangkan

• Saya mengikuti Stacy McGaugh, penulis utamanya, lewat blog, dan ia memposting riset serta pemikiran terbaru tentang perdebatan materi gelap vs MOND: https://tritonstation.com/new-blog-page/
  Argumennya cukup meyakinkan dan relatif jelas. Saya bukan astrofisikawan, tetapi punya dua gelar fisika, dan teori materi gelap selalu terasa kurang memadai bagi saya. Dalam situasi tanpa bukti kausalitas sama sekali, materi gelap hanya bisa digambarkan sebagai “posisi tempat kita ingin menaruh materi jika itu bisa membuat teori gravitasi masuk akal,” dan dari sudut pandang sains dasar ini sepenuhnya terbalik. Seiring sensitivitas instrumen observasi terus membaik, prediksi berbasis asumsi MOND modern tampaknya menjadi semakin akurat

  • Ketika teori dan observasi tidak cocok, tidak bisa ditentukan sejak awal apakah teorinya yang harus diperbaiki atau apakah ada sesuatu yang terlewat dalam observasi. Pada abad ke-19, orbit Uranus tidak sesuai dengan prediksi teori Newton, dan dengan mengasumsikan bahwa teori Newton benar serta ada sesuatu yang terlewat dalam observasi, perhitungan menghasilkan prediksi posisi Neptune, yang kemudian benar-benar ditemukan
    Sebaliknya, orbit Mercury juga menyimpang dari prediksi teori Newton, dan dalam kasus ini muncul hipotesis bahwa ada planet yang belum teramati di dekat Matahari, tetapi solusi sebenarnya adalah modifikasi teori gravitasi, yaitu relativitas umum. GR secara tepat memprediksi presesi perihelion Mercury sebesar 43 detik busur per abad yang menyimpang dari prediksi Newton, dan prediksi seperti pembelokan gravitasi cahaya, lubang hitam, serta gelombang gravitasi juga telah terverifikasi. Jadi memang jelas ada ketidaksesuaian antara teori dan observasi, tetapi kita tidak bisa tahu sebelumnya apakah solusinya adalah modifikasi teori atau bentuk materi baru, dan mengajukan hipotesis yang terakhir untuk melihat sejauh mana ia berjalan bukanlah hal yang tidak ilmiah. Bagian sulitnya adalah membuat kerangka teoretis yang tetap mempertahankan prediksi sukses GR sekaligus menjelaskan kurva rotasi galaksi
  • Materi gelap berperilaku secara fundamental berbeda dari materi barionik. Jumlah materi di seluruh alam semesta, yaitu total materi gelap dan materi barionik, dapat dibatasi oleh kelimpahan pembentukan barion yang teramati, dan materi gelap juga memberi pengaruh berbeda pada amplitudo relatif puncak-puncak latar belakang gelombang mikro kosmik
    Sepintas, MOND tampaknya hampir tidak pernah berhasil di luar pemodelan kurva rotasi galaksi. Skeptisisme terhadap materi gelap vs MOND selalu terasa aneh. Materi gelap hanya menambahkan satu partikel baru ke Model Standar, sehingga tidak membutuhkan banyak fisika baru, sedangkan sebagian besar teori MOND melanggar invariansi Lorentz, yang merupakan penyimpangan jauh lebih radikal dari fisika standar. Teori MOND yang lebih canggih dan mempertahankan invariansi Lorentz, seperti TeVeS, pada dasarnya tampak seperti teori materi gelap yang dibungkus dengan bahasa MOND
  • Saya tidak melihat pendekatan itu pasti tidak sah. Cara mencari planet memang seperti itu. Ada perbedaan tak terduga dalam gerak suatu planet atau bintang, dan jika ada planet di sana, itu bisa dijelaskan. Lalu ketika benar-benar diamati, ternyata planetnya memang ada di sana
  • Biasanya “materi gelap” saya pahami sebagai singkatan untuk ketidaksesuaian antara teori dan observasi. Penjelasannya bisa saja benar-benar berupa materi yang gelap, atau bisa juga diselesaikan lewat observasi yang sama sekali tak terduga maupun perubahan teori

• Saya berharap jurnalis sains tidak memakai MOND seolah-olah itu mewakili semua teori yang menghasilkan MOND sebagai limit kelengkungan rendah. MOND sendiri tidak kovarian dan punya banyak masalah yang sudah dikenal, sehingga jelas tidak tepat sebagai titik awal
  Teori-teori yang lebih canggih dalam rumpun relativitas umum dapat mereproduksi perilaku seperti MOND sekaligus bekerja lebih baik dan lebih masuk akal. Setidaknya, untuk menghindari perdebatan MOND yang tidak perlu, sebaiknya gunakan istilah gravitasi termodifikasi atau MOG, bukan MOND

• Jika penasaran apa tepatnya arti MOND, ada entri Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics

• Tulisan Sean Carroll tentang MOND ada di sini: https://www.preposterousuniverse.com/blog/2011/02/26/dark-ma...
  Penjelasan yang ini terasa lebih meyakinkan

• Saya sedang menunggu Angela Collier membuat video tentang topik ini. Sepertinya banyak orang akan mengirimkan tulisan ini kepadanya. Berbeda dari promosinya, MOND sebenarnya adalah bidang niche dalam kosmologi

• Saya penasaran apakah ada versi terkuantisasi dari MOND. Saya tidak tahu apakah percepatan yang meningkat itu terjadi karena satuan gravitasi yang terkuantisasi tetap mengerahkan gaya bahkan pada jarak yang semestinya menghasilkan gaya lebih kecil daripada “kuantum gravitasi”, atau apakah pada jarak yang sangat besar kuantisasi justru menciptakan langit-langit, bukan lantai
  Jika gravitasi, seperti foton, memiliki semacam partikel atau kuantisasi dasar dan pada dasarnya tetap bekerja pada jarak yang sangat besar atau “tak hingga”, saya penasaran apakah keberadaan semacam lantai kuantisasi atau pita kuantisasi menjadi lebih masuk akal. Atau apakah kuantisasi gravitasi dianggap memberi batas pada jangkauan kerja gaya tarik gravitasi, atau dalam gravitasi kuantum interaksi antarobjek dipandang sebagai berkurangnya rasio “graviton” yang saling berinteraksi. Saya bertanya dalam keadaan tidak terlalu paham, dan penasaran apa arti graviton dalam teori seperti MOND atau ΛCDM