27.8 C
Jakarta

Anehnya yang Cepat Berubah Menulis Ulang Fisika Bintang Neutron

Published:

Bintang neutron merupakan salah satu objek terpadat di Alam Semesta. Material di dalamnya terhimpit begitu keras sehingga para ilmuwan belum mengetahui bentuknya. Inti bintang neutron mungkin terbuat dari campuran kuark yang kental, atau mengandung partikel eksotis yang tidak dapat bertahan hidup di tempat lain di Alam Semesta. Kredit: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al., diedit

Pengamatan terbaru oleh XMM-Newton milik ESA dan NASAChandra telah mengungkap tiga bintang neutron muda yang luar biasa dingin, menantang model saat ini dengan menunjukkan bahwa bintang-bintang itu mendingin jauh lebih cepat daripada yang diperkirakan.

Temuan ini memiliki implikasi yang signifikan, menunjukkan bahwa hanya beberapa dari sekian banyak usulan bintang neutron modelnya layak dan mengarah pada terobosan potensial dalam menghubungkan teori relativitas umum dan mekanika kuantum melalui pengamatan astrofisika.

Penemuan Bintang Neutron yang Sangat Dingin

Wahana antariksa XMM-Newton milik ESA dan Chandra milik NASA telah mendeteksi tiga bintang neutron muda yang sangat dingin untuk usianya. Dengan membandingkan sifat-sifatnya dengan berbagai model bintang neutron, para ilmuwan menyimpulkan bahwa suhu rendah bintang-bintang aneh ini mendiskualifikasi sekitar 75% model yang diketahui. Ini merupakan langkah besar menuju pengungkapan satu ‘persamaan keadaan’ bintang neutron yang mengatur semuanya, dengan implikasi penting bagi hukum-hukum dasar Alam Semesta.

Selain lubang hitam, bintang neutron termasuk objek yang paling membingungkan di alam semesta. Bintang neutron terbentuk pada saat-saat terakhir kehidupan bintang yang sangat besar (dengan massa sekitar delapan kali massa Matahari kita), ketika bahan bakar nuklir di intinya akhirnya habis. Dalam akhir yang tiba-tiba dan dahsyat, lapisan luar bintang dikeluarkan dengan energi yang sangat besar dalam ledakan supernova, meninggalkan awan spektakuler dari material antarbintang yang kaya akan debu dan logam berat. Di pusat awan (nebula), inti bintang yang padat semakin menyusut untuk membentuk bintang neutron. Lubang hitam juga dapat terbentuk ketika massa inti yang tersisa lebih besar dari sekitar tiga massa Matahari. Kredit: ESA

Kepadatan Ekstrim dan Keadaan Materi yang Tidak Diketahui

Setelah lubang hitam bermassa bintang, bintang neutron adalah objek terpadat di Alam Semesta. Setiap bintang neutron adalah inti terkompresi dari bintang raksasa, yang tertinggal setelah bintang tersebut meledak dalam supernova. Setelah kehabisan bahan bakar, inti bintang tersebut meledak karena gaya gravitasi sementara lapisan luarnya terlempar keluar ke luar angkasa.

Materi di pusat bintang neutron terjepit begitu kuat sehingga para ilmuwan masih belum tahu bentuknya seperti apa. Bintang neutron mendapatkan namanya dari fakta bahwa di bawah tekanan yang sangat besar ini, bahkan atom pun runtuh: elektron bergabung dengan inti atom, mengubah proton menjadi neutron. Namun, hal itu mungkin menjadi lebih aneh lagi, karena panas dan tekanan yang ekstrem dapat menstabilkan partikel yang lebih eksotis yang tidak dapat bertahan hidup di tempat lain, atau mungkin melelehkan partikel menjadi sup yang berputar-putar dari kuark penyusunnya.

Bintang Neutron Interior Bintang Quark

Pada bintang neutron (kiri), quark yang menyusun neutron terkurung di dalam neutron. Pada bintang quark (kanan), quark bebas, sehingga menempati lebih sedikit ruang dan diameter bintang lebih kecil. Kredit: NASA/CXC/M.Weiss

Apa yang terjadi di dalam bintang neutron dijelaskan oleh apa yang disebut ‘persamaan keadaan’, yaitu model teoritis yang menjelaskan proses fisik apa yang dapat terjadi di dalam bintang neutron. Masalahnya, para ilmuwan belum mengetahui model persamaan keadaan mana yang benar dari ratusan kemungkinan model tersebut. Sementara perilaku masing-masing bintang neutron mungkin bergantung pada sifat-sifat seperti massanya atau seberapa cepat perputarannya, semua bintang neutron harus mematuhi persamaan keadaan yang sama.

Implikasi Pengamatan Pendinginan Bintang Neutron

Dengan menggali data dari misi XMM-Newton milik ESA dan Chandra milik NASA, para ilmuwan menemukan tiga bintang neutron yang sangat muda dan dingin yang 10–100 kali lebih dingin daripada bintang neutron lain yang seusia. Dengan membandingkan sifat-sifat mereka dengan laju pendinginan yang diprediksi oleh berbagai model, para peneliti menyimpulkan bahwa keberadaan ketiga bintang aneh ini mengesampingkan sebagian besar persamaan keadaan yang diajukan.

“Usia muda dan suhu permukaan dingin dari ketiga bintang neutron ini hanya dapat dijelaskan dengan menggunakan mekanisme pendinginan cepat. Karena pendinginan yang ditingkatkan hanya dapat diaktifkan oleh persamaan keadaan tertentu, hal ini memungkinkan kita untuk mengecualikan sebagian besar model yang mungkin,” jelas astrofisikawan Nanda Rea, yang kelompok penelitiannya di Institut Ilmu Luar Angkasa (ICE-CSIC) dan Institut Studi Luar Angkasa Catalonia (IEEC) memimpin penyelidikan tersebut.

Menyatukan Teori Melalui Studi Bintang Neutron

Mengungkap persamaan keadaan bintang neutron yang sebenarnya juga memiliki implikasi penting bagi hukum-hukum dasar Alam Semesta. Fisikawan terkenal belum mengetahui cara menggabungkan teori relativitas umum (yang menggambarkan efek gravitasi dalam skala besar) dengan mekanika kuantum (yang menggambarkan apa yang terjadi pada tingkat partikel). Bintang neutron adalah tempat pengujian terbaik untuk ini karena mereka memiliki kepadatan dan gravitasi yang jauh melampaui apa pun yang dapat kita ciptakan di Bumi.

Anehnya Yang Cepat Berubah Menulis Ulang Fisika Bintang Neutron

Bintang neutron adalah inti bintang raksasa yang terkompresi, yang tertinggal setelah bintang tersebut meledak dalam supernova. Bintang neutron sangat padat sehingga massa bintang neutron yang hanya seukuran gula batu akan sama dengan berat seluruh penduduk Bumi! Kredit: ESA

Bergabung: Empat Langkah Menuju Penemuan

Ketiga bintang neutron ganjil ini sangat dingin sehingga terlalu redup untuk dilihat oleh sebagian besar observatorium sinar-X. “Kepekaan luar biasa XMM-Newton dan Chandra memungkinkan tidak hanya untuk mendeteksi bintang-bintang neutron ini, tetapi juga untuk mengumpulkan cukup cahaya guna menentukan suhu dan sifat-sifat lainnya,” kata Camille Diez, peneliti ESA yang bekerja pada data XMM-Newton.

Namun, pengukuran yang sensitif tersebut hanyalah langkah pertama untuk dapat menarik kesimpulan tentang apa arti keanehan ini bagi persamaan keadaan bintang neutron. Untuk tujuan ini, tim peneliti Nanda di ICE-CSIC menggabungkan keahlian pelengkap dari Alessio Marino, Clara Dehman, dan Konstantinos Kovlakas.

Alessio memimpin dalam menentukan sifat fisik bintang neutron. Tim tersebut dapat menyimpulkan suhu bintang neutron dari sinar-X yang dipancarkan dari permukaannya, sementara ukuran dan kecepatan sisa supernova di sekitarnya memberikan indikasi akurat tentang usia bintang neutron.

Selanjutnya, Clara memimpin perhitungan kurva pendinginan bintang neutron untuk persamaan keadaan yang menggabungkan berbagai mekanisme pendinginan. Hal ini memerlukan pemetaan prediksi masing-masing model tentang bagaimana luminositas bintang neutron – karakteristik yang berhubungan langsung dengan suhunya – berubah seiring waktu. Bentuk kurva ini bergantung pada beberapa sifat bintang neutron yang berbeda, yang tidak semuanya dapat ditentukan secara akurat dari pengamatan. Atas dasar ini, tim menghitung kurva pendinginan untuk berbagai kemungkinan massa bintang neutron dan kekuatan medan magnet.

Akhirnya, analisis statistik yang dipimpin oleh Konstantinos menyatukan semuanya. Menggunakan pembelajaran mesin untuk menentukan seberapa baik kurva pendinginan yang disimulasikan selaras dengan sifat-sifat aneh menunjukkan bahwa persamaan keadaan tanpa mekanisme pendinginan cepat memiliki peluang nol untuk mencocokkan data.

“Penelitian bintang neutron melintasi banyak disiplin ilmu, mulai dari fisika partikel hingga gelombang gravitasiKeberhasilan karya ini menunjukkan betapa pentingnya kerja sama tim dalam memajukan pemahaman kita tentang alam semesta,” simpul Nanda.

Referensi: “Kendala pada persamaan keadaan materi padat dari bintang neutron muda dan dingin yang terisolasi” oleh A. Marino, C. Dehman, K. Kovlakas, N. Rea, JA Pons dan D. Viganò, 20 Juni 2024, Astronomi Alam.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y



Related articles

Recent articles

spot_img