Pada 2017, dua bintang neutron bergabung bersama di galaksi yang berjarak 130 juta tahun cahaya. Kami sekarang telah mengamati jet ultra-cepat yang bergerak dengan kecepatan cahaya yang hampir sama, yang berarti pasti telah menembus cangkang materi yang dikeluarkan tanpa halangan. (DESAIN BEABUDAI)

Penggabungan Bintang Neutron Membuat Jet Yang Tak Terbendung, Dan Bergerak Hampir Dengan Kecepatan Cahaya

Pada 2017, kami melihat gelombang gravitasi merupakan penggabungan bintang neutron untuk pertama kali dan satu-satunya. Dan itu terus menjadi lebih menarik.

Pada 17 Agustus 2017, sinyal kosmik tiba di Bumi yang akan selamanya mengubah cara kita memandang Alam Semesta. Lebih dari 100 juta tahun sebelumnya, dua bintang neutron yang terikat bersama di galaksi yang jauh NGC 4993 selesai menginspirasi dan bergabung bersama, menciptakan ledakan kosmik yang luar biasa ketika mereka melakukannya. Acara ini sekarang dikenal sebagai kilonova, dan dianggap bertanggung jawab atas penciptaan unsur-unsur terberat yang ada di seluruh Semesta.

Inspirasi dan penggabungan menciptakan dua sinyal yang dapat kami deteksi secara bersamaan: gelombang gravitasi, dapat dideteksi dengan LIGO dan Virgo, dan radiasi elektromagnetik, atau cahaya, di seluruh rangkaian panjang gelombang yang dapat kami amati. Tapi ada sesuatu yang dipancarkan juga: masalah. Hari ini, dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan di Science, para ilmuwan menentukan bahwa sebuah jet besar diproduksi, dan masih bergerak dengan kecepatan cahaya yang hampir sama.

Ilustrasi artis tentang dua bintang neutron yang bergabung. Grid ruangwaktu yang beriak mewakili gelombang gravitasi yang dipancarkan dari tabrakan, sedangkan balok sempit adalah pancaran sinar gamma yang menyembur hanya beberapa detik setelah gelombang gravitasi (terdeteksi sebagai sinar gamma yang meledak oleh para astronom). Jet yang dilihat oleh para astronom harus berbeda dari yang ini. (NSF / LIGO / UNIVERSITAS NEGARA SONOMA / A. SIMONNET)

Tidak mengherankan bahwa acara seperti ini akan menghasilkan sesuatu yang sangat energik. Bintang neutron sendiri adalah beberapa objek paling ekstrem yang dapat Anda bayangkan. Bayangkan mengambil objek sebesar Matahari atau bahkan lebih besar, dan mengompresnya menjadi bola seukuran kota besar seperti Chicago. Itu akan menjadi seperti satu inti atom yang sangat besar, di mana bagian dalam 90% darinya hanyalah sebuah bola neutron padat, maka namanya: bintang neutron.

Dengan sendirinya, bintang-bintang neutron dapat berputar sangat cepat - hingga sekitar dua pertiga kecepatan cahaya - sehingga mereka menciptakan medan magnet terbesar yang diketahui di Alam Semesta: ratusan juta kali lebih kuat dari magnet di Bumi, dan empat kuadriliun kali lebih kuat dari medan magnet Bumi. Sejauh yang kami tahu, jika Anda membuat bintang neutron lebih padat, itu akan runtuh menjadi lubang hitam.

Bintang neutron, meskipun sebagian besar terbuat dari partikel netral, menghasilkan medan magnet terkuat di Semesta, empat kali lipat lebih kuat dari medan di permukaan Bumi. Ketika bintang-bintang neutron bergabung, mereka harus menghasilkan gelombang gravitasi dan juga tanda tangan elektromagnetik, dan ketika mereka melintasi ambang sekitar 2,5 hingga 3 massa matahari (tergantung pada putaran), mereka dapat menjadi lubang hitam di bawah satu detik. (NASA / CASEY REED - PENN STATE UNIVERSITY)

Apa yang kami amati pada 2017 bahkan lebih spektakuler daripada bintang neutron sendiri: kami mengamati inspirasi dan penggabungan dua objek ini. Sebelum penggabungan berlangsung, kita tahu bahwa dua bintang neutron, masing-masing sedikit lebih masif dari Matahari kita, terkunci dalam orbit biner. Ketika mereka bergerak tentang pusat massa timbal balik mereka, mereka memancarkan gelombang gravitasi, memancarkan energi ketika orbit mereka menjadi lebih ketat dan lebih cepat.

Inspirasi dan penggabungan dua bintang neutron, seperti diilustrasikan di sini, menghasilkan sinyal gelombang gravitasi yang sangat spesifik. Selain itu, saat dan setelah merger juga menghasilkan radiasi elektromagnetik yang unik dan dapat dikenali sebagai bagian dari bencana besar tersebut. (NASA / CXC / GSFC / T.STROHMAYER)

Pada contoh terakhir, radiasi ini meningkat baik dalam amplitudo dan frekuensi, dan kemudian mereka mencapai momen paling penting: permukaannya bersentuhan. Dalam sepersekian detik, kepadatan mereka meningkat melewati ambang kritis, dan reaksi nuklir tak terkendali terjadi di mana mereka saling menghubungi. Tiba-tiba, sebuah peristiwa yang dikenal sebagai kilonova terjadi.

Kurang dari dua detik setelah gelombang gravitasi mencapai yang terkuat, lonjakan terlihat dalam spektrum elektromagnetik: oleh observatorium sinar gamma Fermi NASA. Peristiwa ini, dikenal sebagai semburan sinar gamma, adalah yang pertama kali berkorelasi dengan penggabungan bintang-bintang neutron.

Galaksi NGC 4993, yang terletak 130 juta tahun cahaya, telah dicitrakan berkali-kali sebelumnya. Tetapi tepat setelah 17 Agustus 2017 deteksi gelombang gravitasi, sumber cahaya transien baru terlihat: pasangan optik dari penggabungan bintang-bintang neutron. (P.K. BLANCHARD / E. BERGER / PAN-STARRS / DECAM)

Ledakan itu mungkin berumur pendek, baik dalam gelombang gravitasi maupun sinar gamma, tetapi sinyal yang kami terima sangat informatif. Segera, kami belajar:

  • berapa massa (sekitar 1,3 Matahari) dan jarak (sekitar 130 juta tahun cahaya) dari bintang-bintang neutron,
  • menjadi apa mereka setelah penggabungan (bintang neutron yang berputar cepat yang runtuh ke lubang hitam dalam waktu kurang dari satu detik),
  • berapa banyak massa menjadi lubang hitam (sekitar 95%),
  • dan apa yang terjadi pada sisa massa (itu menjadi elemen terberat dalam tabel periodik, termasuk emas, platinum, uranium, dan plutonium).
Ketika dua bintang neutron bergabung, seperti disimulasikan di sini, mereka harus membuat semburan sinar gamma, serta fenomena elektromagnetik lainnya yang, jika cukup dekat dengan Bumi, mungkin terlihat dengan beberapa observatorium terbesar kami. (NASA / ALBERT EINSTEIN INSTITUTE / INSTITUTE ZUSE BERLIN / M. KOPPITZ DAN L. REZZOLLA)

Tapi kami belum selesai. Masih ada perasaan senang sesudahnya, yang menjadi terlihat oleh teleskop dari semua panjang gelombang yang berbeda di seluruh dunia. X-ray, ultraviolet, optik, inframerah, dan teleskop radio semuanya melihat acara pertama ini, memonitornya terus menerus selama berminggu-minggu. Perasaan senang sesudahnya, ketika kami pergi ke panjang gelombang yang lebih panjang dan lebih lama, menjadi lebih cerah seiring berjalannya waktu, kemudian memudar di sebagian besar frekuensi di mana kami dapat melihat.

Kami dapat mengukur produksi berbagai elemen. Misalnya, sekitar 10⁴⁶ atom emas diciptakan, atau sepuluh kuadriliun kali lebih banyak dari yang telah kita ranjau dalam semua sejarah manusia. Kami mengetahui bahwa kedua bintang neutron tersebut bermula sekitar 11+ miliar tahun yang lalu, dan menginspirasi sejak saat itu, hingga saat mereka bergabung. Kami belajar bahwa sebagian besar unsur terberat di Semesta dibuat dalam tabrakan bintang neutron seperti ini.

Dua bintang neutron yang bergabung, seperti yang diilustrasikan di sini, melakukan spiral dan memancarkan gelombang gravitasi, tetapi membuat sinyal amplitudo jauh lebih rendah daripada lubang hitam. Karenanya, mereka hanya dapat dilihat jika mereka sangat dekat, dan hanya selama waktu integrasi yang sangat lama. Ejecta, terlempar dari lapisan luar merger, tetap menjadi sumber sinyal elektromagnetik yang kaya selama berbulan-bulan. (DANA BERRY / SKYWORKS DIGITAL, INC.)

Tapi kami belum selesai. Meskipun sinyal memudar di seluruh spektrum elektromagnetik, masih ada lebih banyak ilmu yang harus dilakukan. Mayoritas cahaya datang dari peluruhan radioaktif dari bahan yang disuntikkan ke media antarbintang yang mengelilingi titik tumbukan, dan - seperti yang Anda harapkan dari apa pun dengan waktu paruh - mayoritas peluruhan terjadi sejak awal, dan turun dengan cepat.

Tapi kemudian, berminggu-minggu setelah tabrakan, ada kemunculan kembali sinar-X dan gelombang radio, dan peningkatan sinyal baru ini berlangsung selama berbulan-bulan. Awalnya berteori bahwa ada bahan yang dikeluarkan dari tabrakan, dan itu menabrak gas yang sudah ada di media antarbintang. Interaksi itu memberikan suntikan energi, garis pemikiran pergi, dan yang bertanggung jawab untuk munculnya kembali cahaya yang sebelumnya memudar.

Selama inspirasi dan penggabungan dua bintang neutron, sejumlah besar energi harus dilepaskan, bersama dengan elemen-elemen berat, gelombang gravitasi, dan sinyal elektromagnetik, seperti diilustrasikan di sini. Tetapi yang mengejutkan adalah kejutan kedua, kemudian ledakan dua jet relativistik yang muncul setelah merger. (NASA / JPL)

Namun, dalam contoh sains terbaik, kami tidak hanya mengajukan penjelasan yang mungkin dan menganggap kasus ini tertutup. Kami mencari informasi tindak lanjut untuk menguji ide-ide kami, dan menentukan apakah ide tersebut mengandung air atau tidak. Sekuat dan semaju teori terbaik kita, kita benar-benar harus menghadapinya dengan data eksperimental atau pengamatan, atau kita tidak benar-benar melakukan sains sama sekali.

Bagian paling mengesankan tentang penelitian baru yang baru saja diterbitkan adalah bahwa ia berisi serangkaian data yang fantastis. Menggunakan array dari 32 teleskop radio individu, tersebar di 5 benua dan melakukan pengamatan simultan dari objek yang sama, para ilmuwan dapat mengamati radio afterglow yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dengan menerapkan teknik interferometri baseline yang sangat panjang (VLBI) dengan sumber terang seperti ini, mereka mencapai resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Susunan 32 teleskop radio di lima benua yang terpisah digunakan untuk secara langsung membayangkan akibat dari bintang neutron yang bergabung di NGC 4993, yang memungkinkan para astronom untuk menyelesaikan jet terstruktur yang muncul dari titik interaksi, meskipun mereka kurang dari satu tahun cahaya di seluruh . (PAUL BOVEN)

Resolusi adalah apa yang Anda butuhkan jika Anda ingin menentukan bentuk atau konfigurasi sumber yang jauh di Semesta. Biasanya, Anda mendapatkan resolusi yang lebih baik dengan membangun teleskop yang lebih besar, karena jumlah panjang gelombang cahaya yang pas melewatinya menentukan ukuran sudut dari apa yang dapat Anda selesaikan.

Tetapi menggunakan teknik VLBI, Anda bisa melakukan lebih baik jika sumber Anda cukup cerah. Tentu, Anda hanya akan mendapatkan kekuatan pengumpul cahaya dari ukuran masing-masing hidangan Anda, tetapi Anda bisa mendapatkan resolusi jarak antara berbagai teleskop. Ini adalah teknik yang digunakan oleh Event Horizon Telescope untuk membangun gambar pertama mereka dari horizon peristiwa lubang hitam, dan ini adalah teknik yang memungkinkan para astronom untuk menentukan bentuk apa yang dihasilkan setelah penggabungan bintang neutron-neutron bintang ini.

Kesan seniman tentang sebuah jet yang keluar dari material yang dikeluarkan oleh penggabungan bintang-bintang neutron. Jet diproduksi oleh lubang hitam, dikelilingi oleh cakram panas, yang dibentuk setelah merger. (AS SALAFIA, G. GHIRLANDA, NASA / CXC / GSFC / B. WILLIAMS ET AL.)

Dipimpin oleh Giancarlo Ghirlanda, 207 hari data gabungan digabungkan, memungkinkan para astronom untuk melihat apa yang dibuat dari waktu ke waktu.

Hasilnya luar biasa: merger menghasilkan jet materi terstruktur, yang melesat dari titik tumbukan dalam dua garis anti-paralel. Sementara banyak ilmuwan berharap bahwa akan ada semacam bentuk kepompong, atau sesuatu yang menghambat semburan apa pun yang dihasilkan, data menunjukkan sebaliknya. Alih-alih, jet terstruktur ini menekan semua material yang dikeluarkan dalam merger dan terus melarikan diri dengan cepat ke ruang antarbintang dengan kecepatan cahaya yang hampir sama. Seolah tidak ada yang bisa memperlambatnya.

Lubang hitam terbesar kedua yang terlihat dari Bumi, yang ada di pusat galaksi M87, sekitar 1000 kali lebih besar dari lubang hitam Bimasakti, tetapi lebih dari 2000 kali lebih jauh. Jet relativistik yang berasal dari inti pusatnya adalah salah satu yang terbesar, yang paling terkolimasi yang pernah diamati. (ESA / HUBBLE AND NASA)

Bagaimana Anda bisa membuat jet seperti ini? Kami hanya pernah melihatnya dari satu sumber lain: dari lubang hitam yang memakan materi. Itu pasti petunjuk yang memecahkan teka-teki! Bukan karena merger itu sendiri yang menciptakan jet, tetapi merger yang selesai menghasilkan lubang hitam, dan lubang hitam yang berputar ini mempercepat masalah di sekitarnya, menghasilkan jet yang kami lihat sesudahnya. Ini menjelaskan mengapa ada peredupan yang diikuti oleh putaran kedua dari pencerahan, dan itu menjelaskan struktur terkotak dan energi dan kecepatan yang luar biasa besar. Tanpa lubang hitam tengah, tidak ada cara yang diketahui untuk melakukannya.

Ini, mungkin, bukti yang telah lama ditunggu-tunggu bahwa bintang-bintang neutron yang bergabung ini, yang diamati pada 2017, pasti telah menghasilkan lubang hitam. Berdasarkan pemahaman kita tentang Alam Semesta saat ini, kita tidak bisa lebih pasti.

Pada saat-saat terakhir penggabungan, dua bintang neutron tidak hanya memancarkan gelombang gravitasi, tetapi juga ledakan dahsyat yang bergema melintasi spektrum elektromagnetik. Secara bersamaan, itu menghasilkan banyak elemen berat menuju ujung paling tinggi dari tabel periodik. Sebagai buntut dari penggabungan ini, mereka pasti telah menetap untuk membentuk black hole, yang kemudian menghasilkan jet relativistik yang berkolaborasi dan pecah yang menembus masalah di sekitarnya. (UNIVERSITAS WARWICK / MARK GARLICK)

Dalam sains, kadang-kadang hasil terbaik adalah yang tidak Anda harapkan. Kita mungkin telah mengantisipasi bahwa penggabungan bintang-bintang neutron akan menciptakan elemen terberat dari semuanya, tetapi tidak ada yang melihat jet terstruktur yang muncul dari lubang hitam sesudahnya sebagai sesuatu yang harus terjadi. Namun di sinilah kita sekarang, menuai anugerah dari Semesta. Itu adalah pengingat dari kosmos kepada kita: hari kita menghentikan penyelidikan ilmiah kita, kita berhenti mengungkap misteri yang mendasari keberadaan kita.

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.