Bintang neutron termasuk objek terpadat di alam semesta. Material di dalamnya terhimpit begitu rapat sehingga para ilmuwan belum tahu seperti apa bentuknya. Inti bintang neutron mungkin terbuat dari campuran kuark yang tebal, 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 tersebut mendingin jauh lebih cepat dari yang diperkirakan.
Temuan ini memiliki implikasi yang signifikan, menunjukkan bahwa hanya beberapa dari sekian banyak usulan bintang neutron Model ini layak dan mengarah pada terobosan potensial dalam menghubungkan 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 telah 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 merupakan salah satu objek yang paling membingungkan di alam semesta. Bintang neutron terbentuk pada saat-saat terakhir kehidupan bintang yang sangat besar (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 menyusut lebih jauh 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 meledak karena gaya gravitasi sementara lapisan luarnya terlempar ke luar angkasa.
Materi di pusat bintang neutron terjepit begitu rapat sehingga para ilmuwan masih belum tahu seperti apa bentuknya. 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, keadaan 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 melelehkannya menjadi sup yang berputar-putar dari kuark penyusunnya.
Pada bintang neutron (kiri), quark yang membentuk neutron terperangkap di dalam neutron. Pada bintang quark (kanan), quark bebas, sehingga menempati lebih sedikit ruang dan bintang berdiameter 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 adalah para ilmuwan belum mengetahui persamaan keadaan mana yang benar dari ratusan kemungkinan persamaan keadaan. Sementara perilaku masing-masing bintang neutron mungkin bergantung pada sifat-sifat seperti massa atau seberapa cepat perputarannya, semua bintang neutron harus mematuhi persamaan keadaan yang sama.
Implikasi Pengamatan Pendinginan Bintang Neutron
Dengan menambang data dari misi XMM-Newton milik ESA dan Chandra milik NASA, para ilmuwan telah 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 diusulkan.
“Usia muda dan suhu permukaan yang dingin dari ketiga bintang neutron ini hanya dapat dijelaskan oleh mekanisme pendinginan cepat. Karena pendinginan yang ditingkatkan hanya dapat dimungkinkan 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 dasar alam semesta. Fisikawan belum menemukan cara untuk menyelaraskan relativitas umum (yang menggambarkan efek gravitasi pada 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.
Bintang neutron adalah inti bintang raksasa yang terkompresi, yang tertinggal setelah bintang tersebut meledak dalam supernova. Bintang neutron sangat padat sehingga massa gula batu akan sama dengan berat seluruh populasi Bumi! Kredit: ESA
Bergabung: Empat Langkah Menuju Penemuan
Ketiga bintang neutron anomali ini sangat dingin sehingga terlalu redup untuk dilihat oleh sebagian besar observatorium sinar-X. “Sensitivitas 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, seorang peneliti ESA yang mengerjakan data XMM-Newton.
Namun, pengukuran yang sensitif tersebut hanyalah langkah pertama dalam menarik kesimpulan tentang apa arti keanehan ini bagi persamaan keadaan bintang neutron. Untuk tujuan ini, tim peneliti Nanda di ICE-CSIC menyatukan keahlian pelengkap dari Alessio Marino, Clara Dehman, dan Konstantinos Kovlakas.
Alessio memimpin dalam menentukan sifat fisik bintang neutron. Tim tersebut mampu 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 sesuai dengan sifat-sifat aneh menunjukkan bahwa persamaan keadaan tanpa mekanisme pendinginan cepat tidak memiliki peluang untuk sesuai dengan data.
“Penelitian bintang neutron melintasi banyak disiplin ilmu, mulai dari fisika partikel hingga gelombang gravitasi“Keberhasilan penelitian ini menunjukkan betapa pentingnya kerja sama tim dalam memajukan pemahaman kita tentang alam semesta,” pungkas 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.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41550-024-02291-y
NewsRoom.id
