Ledakan Ekstra Panjang Menantang Teori Kita tentang Bencana Alam Kosmik | Majalah Kuanta

Pada 11 Desember 2021, seberkas sinar gamma – bentuk cahaya paling energik – menghantam satelit Swift milik NASA. Dalam waktu 120 detik, satelit telah berputar ke arah ledakan dan melihat bara api bencana kosmik. Sepuluh menit kemudian, peringatan dikeluarkan untuk para astronom di seluruh dunia.

Di antara mereka ada Jillian Rastinejad, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Northwestern. Bagi Rastinejad dan kolaboratornya, ledakan sinar gamma ini tampak mirip dengan ledakan yang tidak biasa terjadi pada tahun 2006. Rastinejad menghubungi Observatorium Gemini di Hawai'i dan meminta peneliti di sana untuk menatap lebih dalam ke petak langit tempat asal ledakan tersebut. Beberapa hari kemudian, ketika awan mulai bergulung, seorang peneliti di Observatorium MMT di Arizona mengambil alih, melakukan yang terbaik untuk menjaga teleskop tetap terlatih di titik cahaya yang memudar satu miliar tahun cahaya jauhnya.

Ini bukan prestasi kecil mengingat cuaca di sana juga sedang berubah, kata Rastinejad. “Dia menemukan lubang di awan untuk kami sekitar jam 4 pagi setiap hari.”

Ketika rangkaian pengamatan selesai sekitar seminggu kemudian, Rastinejad dan rekan-rekannya sudah mempunyai gagasan yang cukup bagus tentang apa yang menembakkan sinar gamma tersebut ke seluruh alam semesta. Saat mereka menyaksikannya, ledakan yang terjadi semakin lama semakin merah — sebuah tanda yang jelas bahwa di dalam puing-puing tersebut, atom-atom berat seperti emas dan platinum sedang ditempa. Sumber utama alkimia kosmik tersebut adalah tabrakan yang melibatkan bintang-bintang neutron, inti matahari mati yang kepadatannya tak terbayangkan.

Satu-satunya masalah adalah kesimpulan seperti itu tampaknya mustahil. Para astrofisikawan menduga, ketika bintang-bintang neutron bergabung, semuanya akan berakhir dalam sepersekian detik. Namun Swift telah merekam pemboman sinar gamma yang berlangsung selama 51 detik yang relatif tak berkesudahan - biasanya merupakan ciri khas dari jenis drama kosmik yang sangat berbeda.

Sejak itu, para astronom telah mengidentifikasi lebih banyak peristiwa seperti ini. Yang terbaru terjadi pada bulan Maret, ketika ledakan sinar gamma paling terang kedua yang pernah terdeteksi berlangsung selama 35 detik. Sekali lagi, para astronom mengamati dampak buruk dari tabrakan bintang neutron. Mereka juga merekrut Teleskop Luar Angkasa James Webb untuk mempelajari ledakan aneh itu dan melihat tanda-tanda unsur berat telurium di debu yang mengendap.

Bersama-sama, serangkaian pengamatan membawa misteri baru ke dalam bidang astronomi yang selama ini dianggap telah diselesaikan oleh sebagian besar peneliti: Apa yang menyebabkan peristiwa yang dianggap cepat dan penuh kekerasan ini memancarkan sinar gamma dalam waktu yang begitu lama? Ini adalah teka-teki yang harus dipecahkan oleh para ahli astrofisika jika mereka ingin mencapai tujuan yang lebih ambisius yaitu memahami asal usul semua elemen berbeda di alam semesta, yang banyak di antaranya lahir dari ledakan kekerasan ini.

“Saya sangat bersemangat melihat ini,” kata Daniel Kasen, seorang ahli astrofisika di Universitas California, Berkeley yang berspesialisasi dalam ledakan kosmik. “Ini benar-benar merupakan teka-teki.”

Perang Dingin, Ledakan Cemerlang

Saat ini, Swift menangkap ledakan sinar gamma setiap beberapa hari. Namun ledakan tersebut tidak diketahui sampai puncak Perang Dingin, ketika ledakan tersebut muncul entah dari mana. Pada tahun 1960an, Angkatan Udara AS meluncurkan satelit Vela untuk memastikan Uni Soviet mematuhi larangan uji coba senjata nuklir. Jika Soviet meledakkan bom nuklir di luar angkasa, kilatan sinar gamma yang dihasilkan – gelombang energi energik yang sependek inti atom – tidak mungkin disembunyikan.

Satelit tidak mendeteksi adanya pelanggaran Soviet. Namun antara tahun 1969 dan 1972, angka tersebut meningkat 16 kilatan misterius sinar gamma yang ditentukan oleh para peneliti di Laboratorium Nasional Los Alamos sebagai “asal kosmik.”

Pada dekade berikutnya, NASA melakukan penyelidikan. Badan antariksa meluncurkan a satelit khusus pemburu ledakan pada tahun 1991, dan selama sembilan tahun berikutnya, ia mendeteksi hampir 3,000 semburan sinar gamma. Peristiwa tersebut terbagi dalam dua jenis: pendek dan panjang. Kebanyakan semburan pendek berlangsung kurang dari satu detik, sementara banyak semburan panjang berlangsung selama satu menit atau lebih (garis pemisah antara kedua rasa tersebut terjadi sekitar dua detik).

Apa pun yang menyebabkan ledakan ini tampaknya merupakan bencana besar; dalam waktu kurang dari setengah durasi lagu pop, mereka memancarkan energi yang setara dengan energi yang dihasilkan matahari kita selama miliaran tahun. Apa yang mungkin bisa bersinar begitu terang? Para ahli astrofisika awalnya tidak yakin, namun energi luar biasa yang terlibat menunjuk pada bencana alam yang akan berakhir di dunia. Dan kedua durasi tersebut mengisyaratkan dua jenis bencana, bencana yang lebih cepat berlangsung sekitar satu detik dan bencana yang (agak) lebih lambat berlangsung selama satu menit.

Para astronom pertama kali menemukan asal mula semburan yang lebih lambat. Pada akhir tahun 1990-an, ketika para peneliti semakin mahir dalam menentukan arah datangnya ledakan, mereka mulai menangkap sisa-sisa cahaya yang mengisyaratkan ledakan kosmik. Kemudian, pada tahun 2003, para astronom yang mengamati pijaran cahaya di dekatnya melihat kembang api supernova yang cemerlang hanya beberapa hari setelah ledakan sinar gamma yang panjang: Ledakan tersebut menandakan tahap pertama kematian sebuah bintang raksasa.

Untuk memahami bencana alam yang lebih cepat ini, diperlukan satu dekade lagi dan peralatan yang lebih tajam. Instrumen terobosan tersebut ternyata adalah satelit Swift milik NASA. Diluncurkan pada tahun 2004, Swift menampilkan pelat timah berpola sepanjang satu meter yang dapat menangkap sinar gamma dari wilayah luas di langit. Yang terpenting, ia juga memiliki kemampuan unik untuk memutar sepasang teleskop di dalamnya dengan cepat ke arah ledakan astronomi. (Menurut pengetahuan di kalangan ilmuwan Swift, teknologi point-and-shoot ini sebagian dikembangkan untuk proyek pertahanan Perang Dingin lainnya: Inisiatif Pertahanan Strategis Ronald Reagan – yang secara informal dikenal sebagai “Star Wars” – yang bertujuan untuk menembak jatuh rudal nuklir di tengah penerbangan. )

Dengan Swift, para astronom kini dapat melihat ledakan tersebut dalam waktu dua menit – cukup cepat untuk menangkap sisa-sisa ledakan sinar gamma pendek untuk pertama kalinya. Saat menyaksikan kilatan cahaya awal memudar, para astronom juga melihat tanda-tanda ledakan berikutnya, yang semakin lama semakin merah. Ahli astrofisika segera menghitung bahwa kemerahan ini terjadi setelah penggabungan yang melibatkan bintang neutron (yang bisa berupa tabrakan antara dua bintang neutron atau antara bintang neutron dan lubang hitam). Tabrakan seperti itu akan mengeluarkan puing-puing yang menghalangi panjang gelombang cahaya yang lebih pendek dan biru. Mencocokkan ledakan-ledakan tersebut, yang disebut kilonova, dengan kilatan sinar gamma singkat yang mendahuluinya, memberikan bukti kuat bahwa penggabungan bintang-bintang neutron adalah bencana singkat tersebut.

Bukti langsung datang pada 17 Agustus 2017. Dua bintang neutron di dekatnya bertabrakan dan mengguncang struktur ruang-waktu, menghasilkan gelombang gravitasi yang dapat dideteksi oleh Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Dengan membaca informasi yang dikodekan dalam riak-riak tersebut, para ilmuwan nantinya akan menghitung massa benda-benda yang bertabrakan dan mengetahui bahwa mereka adalah bintang neutron. Tepat setelah gelombang gravitasi tiba, Teleskop Luar Angkasa Sinar Gamma Fermi mendeteksi ledakan sinar gamma berdurasi dua detik. Dan pada hari-hari berikutnya, para astronom melihat tanda kilonova memerah di tempat yang sama dengan ledakan sinar gamma. Itu tiga pengamatan berturut-turut menyisakan sedikit ruang untuk keraguan: Semburan singkat bisa terjadi akibat penggabungan bintang neutron.

“Itu memperkuat segalanya,” kata Brian Metzger, seorang astrofisikawan di Universitas Columbia dan salah satu ahli teori yang pertama kali meramalkan seperti apa kilonova setelah merger. “[Kami pikir] 'Oke, gambar ini benar-benar masuk akal.'”

Gambaran itu kini mulai retak.

Putaran Babak Ketiga

Yang pertama datang dari Rastinejad Ledakan 51 detik pada akhir tahun 2021. Ledakan tersebut tampak seperti ledakan jarak dekat yang terjadi pada tahun 2006, namun anehnya, ledakan tersebut tampaknya tidak memiliki supernova. Namun dengan instrumen modern dan pemahaman lebih dalam tentang apa yang harus dicari, Rastinejad dan rekannya mampu melihat apa yang belum bisa dilihat oleh para astronom pada tahun 2006: Ledakan pada tahun 2021 diikuti oleh kilonova merah redup.

Pengamatan itu mendorong Andrew Levan dari Radboud University untuk meninjau kembali ledakan misterius berdurasi 64 detik yang telah dia bingungkan sejak tahun 2019. Ledakan tersebut terjadi di jantung galaksi kuno tempat kelahiran dan kematian bintang (dalam bentuk supernova) telah berhenti ribuan tahun yang lalu. Pada bulan Juni, Levan dan kolaboratornya berdebat bahwa penjelasan yang paling mungkin atas ledakan panjang mereka adalah bahwa dua mayat bintang – setidaknya satu di antaranya mungkin adalah bintang neutron – telah menemukan satu sama lain dan bergabung.

Dan sekarang, Teleskop Luar Angkasa James Webb telah memberikan pandangan paling jelas tentang apa yang terjadi setelah ledakan yang tidak wajar. Ketika ledakan berdurasi 35 detik tersebut mencapai Bumi pada tanggal 7 Maret, pelat timah penginderaan sinar gamma milik Swift menghadap ke arah yang berbeda. Sinar energik tersebut dideteksi terutama oleh Fermi, yang menetapkannya sebagai ledakan sinar gamma paling terang kedua sepanjang masa (mengikuti peristiwa yang memecahkan rekor di 2022).

Sebagai pengganti Swift, para astronom menggunakan armada pesawat ruang angkasa antarplanet (termasuk wahana di Mars dan Merkurius) untuk menentukan posisi ledakan tersebut. Pada hari-hari berikutnya, ketika teleskop di darat kembali melihat tanda kilonova yang memerah, Levan dengan cepat mengirimkan permintaan darurat untuk pengamatan JWST hampir secara real-time terhadap peristiwa tersebut. “Untungnya bagi kami, mereka menjawab ya,” kata Levan. “Hal ini memungkinkan kami mendapatkan observasi tersebut sekitar sebulan setelah ledakan awal.”

JWST mengumpulkan banyak sekali data dari kumpulan puing-puing yang mengepul. Teleskop optik tidak dapat melihat jauh ke dalam awan kilonova yang tebal, itulah alasan mengapa peristiwa ini menarik perhatian para ahli astrofisika: Peristiwa ini memuntahkan atom-atom raksasa yang menghalangi cahaya melalui rangkaian peristiwa misterius yang dikenal sebagai r-proses.

Bintang biasanya menggabungkan atom hidrogen menjadi helium dan kemudian menggabungkan atom yang lebih ringan menjadi atom yang lebih berat seperti oksigen dan karbon. Itu r-proses adalah satu-satunya cara untuk melompat langsung ke elemen terberat yang terjadi secara alami. Itu karena tabrakan bintang neutron menciptakan pusaran neutron yang padat. Dalam kekacauan tersebut, neutron berulang kali menyusup ke dalam inti atom, membentuk atom yang sangat tidak stabil dan radioaktif. Ketika neutron dalam atom-atom ini meluruh, mereka bertransmutasi menjadi proton. Jika Anda mendapatkan 78 proton, itu adalah atom platina. Jika Anda mendapatkan 79 proton, itu emas.

Atom-atom besar yang dibentuk oleh debu bintang neutron menghalangi cahaya tampak dan sebagian besar bersinar dalam cahaya inframerah. Itu sebabnya JWST – sebuah teleskop inframerah – sangat cocok untuk mengintip ke dalam awan kilonova. “Kami belum pernah mengamati kilonova dengan JWST sebelumnya,” kata Metzger. “Itu adalah instrumen yang sempurna.”

Di dalam puing-puing tersebut, JWST melihat atom telurium (52 ​​proton), yang menegaskan bahwa penggabungan bintang neutron dapat membentuk unsur-unsur yang agak berat menjelang akhir baris kelima tabel periodik. “Ini adalah elemen yang jauh lebih berat dibandingkan yang pernah kita lihat sebelumnya,” kata Levan.

Namun pada saat yang sama, pengamatan JWST menambah kesadaran bahwa, betapapun kecil kemungkinannya, penggabungan yang melibatkan bintang-bintang neutron dapat menghasilkan semburan sinar gamma yang panjang. Pertanyaannya sekarang adalah: Bagaimana caranya?

Benda Padat, Semburan Panjang

Supernova menembakkan semburan sinar gamma yang panjang karena ledakan bintang relatif lambat dan tidak menentu. Kematian sebuah bintang raksasa dimulai dengan runtuhnya pusatnya ke dalam lubang hitam. Setelah itu terjadi, sejumlah besar materi luar bintang – mungkin setara dengan massa beberapa matahari – berputar ke dalam lubang hitam, meluncurkan pancaran partikel kuat yang menembakkan sinar gamma ke dalam ruang hampa hingga beberapa menit.

Sebaliknya, penggabungan bintang neutron seharusnya berakhir dalam sekejap. Sebuah bintang neutron mengemas massa sekitar satu matahari ke dalam bola halus dan kecil yang lebarnya hanya beberapa mil. Ketika dua bola padat tersebut bertabrakan – atau ketika salah satu bola menabrak lubang hitam – materi tersebut akan runtuh ke dalam lubang hitam. Selama kekejangan terakhir tersebut, jauh lebih sedikit materi sisa yang terlempar ke orbit dibandingkan saat keruntuhan bintang. Saat lubang hitam memakan camilan ringan ini, yang mungkin berbobot 10 kali lebih ringan dari matahari, lubang hitam tersebut secara singkat menghasilkan jet (dan ledakan sinar gamma) yang berlangsung sepersepuluh detik.

Pengamatan baru dari Levan, Rastinejad, dan lainnya berbenturan dengan gambaran cepat dan jelas tentang penggabungan bintang neutron. “Tidak masuk akal jika ada ledakan 10 detik dari sistem yang hanya hidup sepersekian detik,” kata Bijih Gottlieb, seorang astrofisikawan komputasi di Flatiron Institute yang tidak terlibat dalam observasi.

Salah satu kemungkinannya adalah sesuatu yang lebih besar dan lebih berantakan daripada bintang neutron yang mengirimkan ledakan yang berlangsung lama ini. Secara khusus, durasinya yang lebih lama akan lebih cocok secara alami dengan penggabungan antara katai putih – sejenis mayat bintang berukuran lebih besar yang tertinggal ketika sebuah bintang kecil kehabisan bahan bakar – dan lubang hitam atau bintang neutron. Skenario ini menghasilkan lebih banyak materi di sekitar lubang hitam. Namun masih belum jelas apakah tabrakan yang melibatkan katai putih akan menghasilkan ledakan sinar gamma, atau bahkan kilonova. “Fenomena ini masih kurang dipelajari,” kata Kasen dari Berkeley. “Kami sedang mengerjakannya sekarang.”

Pilihan lainnya adalah semburan sinar gamma yang panjang tidak berasal dari lubang hitam yang baru lahir sama sekali. Sebaliknya, jika Anda menghancurkan dua bintang neutron kecil dan gumpalan yang dihasilkan berputar cukup cepat, ia mungkin tidak akan jatuh ke dalam lubang hitam selama beberapa menit. Objek berumur pendek tersebut adalah bintang neutron yang sangat termagnetisasi – sebuah “magnetar” – yang akan memancarkan ledakan sinar gamma yang lebih panjang saat putarannya melambat. Metzger membantu menyempurnakan skenario ini, namun ia bahkan menganggapnya sebagai gagasan radikal. “Saya masih agak skeptis terhadap hal itu,” katanya.

Kemungkinan yang paling konservatif, kata Metzger, adalah bahwa penggabungan yang melibatkan bintang-bintang neutron ternyata lebih berantakan dari perkiraan para astrofisikawan. Selama musim panas, simulasi terperinci dari kolaborasi yang dipimpin oleh Gottlieb menyatakan bahwa hal ini mungkin sering terjadi. Khususnya, ketika sebuah bintang neutron ringan bertemu dengan lubang hitam berputar yang cukup berat, bintang neutron tersebut akan berputar ke dalam dan lubang hitam tersebut merobeknya dalam ratusan orbit, meninggalkan piringan material yang lebih berat sehingga lubang hitam memerlukan waktu puluhan detik untuk menghabiskannya. . Sambil mensimulasikan tabrakan antar bintang neutron dan lubang hitam, Gottlieb, Metzger dan kolaborator menemukan bahwa disk yang lebih berat yang mendorong ledakan sinar gamma yang lebih lama adalah hal yang cukup umum.

Faktanya, ironisnya, simulasi mereka tidak menghasilkan ledakan pendek yang sering diamati seperti halnya ledakan panjang, sehingga menimbulkan pertanyaan tentang apa sebenarnya yang menggerakkan ledakan pendek tersebut.

“Kami tidak [sepenuhnya] memahami hal-hal ini,” kata Gottlieb. “Saya pikir ini mungkin masalah terbesar saat ini.”

Mengisi Kesenjangan

Untuk mengetahui apa yang sebenarnya terjadi ketika bintang-bintang mati bertabrakan, para astronom perlu melipatgandakan upaya mereka untuk membuat katalog ledakan sinar gamma yang terperinci, karena apa yang mereka asumsikan sebagai kumpulan ledakan yang sebagian besar dipicu oleh supernova kini tampaknya tercampur aduk. dengan sejumlah penggabungan bintang neutron yang jumlahnya tidak diketahui. Untuk itu diperlukan perburuan kilonova – ciri khas tabrakan – setelah ledakan panjang dan pendek. Jika perbedaan antara panjang dan pendek tetap ada, ini bisa menjadi tanda bahwa ada lebih dari satu cara untuk memasak kilonova.

“Kami belajar bahwa kapan pun ada acara yang jaraknya relatif dekat, kami harus menghadirinya,” kata Rastinejad.

LIGO juga akan memainkan peran penting. Observatorium sedang offline untuk melakukan perbaikan selama ledakan aneh baru-baru ini, namun saat ini sedang dalam tahap keempat untuk mendengarkan tabrakan jarak jauh. Jika LIGO dapat menangkap gelombang gravitasi yang berasal dari ledakan sinar gamma yang panjang, para ilmuwan akan mengetahui apakah bintang neutron atau lubang hitam terlibat. Hal ini juga akan memungkinkan mereka untuk menyingkirkan katai putih, yang tidak membuat gelombang gravitasi dapat dideteksi oleh LIGO. Goyangan gelombang yang mendetail di observatorium masa depan bahkan mungkin memberikan petunjuk tentang apakah produk terdekatnya adalah magnetar atau lubang hitam.

“[Gelombang gravitasi] akan menjadi satu-satunya cara pasti untuk menjawab pertanyaan ini,” kata Metzger.

Dengan merasakan gemuruh gravitasi dari penggabungan bintang neutron dan mengamati ledakan sinar gamma dan kilonova, para ahli astrofisika pada akhirnya dapat mencapai tujuan jangka panjang mereka untuk sepenuhnya memperhitungkan asal usul setiap zat di alam semesta – mulai dari hidrogen, platinum, hingga plutonium. Untuk melakukan hal ini, mereka perlu mengetahui jenis merger apa yang terjadi, seberapa sering setiap jenis terjadi, elemen apa yang dihasilkan setiap jenis dan berapa jumlahnya, serta peran apa yang dimainkan oleh peristiwa lain seperti supernova. Ini adalah upaya menakutkan yang baru saja dimulai.

“Masih ada tujuan inti untuk meneliti situs astrofisika di mana setiap elemen dalam tabel periodik terbentuk,” kata Levan. “Masih ada kekosongan, jadi kami pikir ini mulai mengisi beberapa kekosongan penting tersebut.”

Catatan Editor: The Flatiron Institute didanai oleh Simons Foundation, yang juga mendanai majalah independen editorial ini. Baik Flatiron Institute maupun Simons Foundation tidak mempunyai pengaruh apa pun terhadap liputan kami. Informasi lebih lanjut tersedia di sini.