Gugus bintang muda di wilayah pembentuk bintang, terdiri dari bintang-bintang dari beragam massa. Beberapa dari mereka suatu hari nanti akan mengalami pembakaran silikon, memproduksi besi dan banyak elemen lainnya dalam proses tersebut. Namun, asal usul unsur yang paling berat membutuhkan proses yang berbeda. (ESO / T. PREIBISCH)

Bagaimana Rasanya Ketika Alam Semesta Membuat Elemen Terberatnya?

Unsur terberat dalam tabel periodik memiliki kisah unik mereka sendiri. Tidak, mereka tidak berasal dari supernova.

Ketika sampai pada unsur-unsur Semesta, masing-masing dari mereka memiliki kisah uniknya sendiri. Hidrogen dan helium diciptakan pada tahap awal Big Bang; unsur-unsur ringan seperti karbon dan oksigen diciptakan dalam bintang seperti Matahari; elemen yang lebih berat seperti silikon, belerang dan besi diciptakan di bintang-bintang yang lebih masif; unsur-unsur di luar besi dibuat ketika bintang-bintang masif itu meledak di supernova.

Tetapi elemen yang paling masif dari semuanya di ujung paling atas dari tabel periodik - termasuk platinum, emas, radon, dan bahkan uranium - berutang asal-usul mereka ke proses yang lebih jarang, lebih energik. Unsur terberat dari semuanya berasal dari penggabungan bintang-bintang neutron, sebuah fakta yang telah lama dicurigai tetapi baru dikonfirmasi pada tahun 2017. Inilah kisah kosmik tentang bagaimana Semesta sampai di sana.

Elemen-elemen dari tabel periodik, dan dari mana asalnya, dirinci dalam gambar di atas. Sementara sebagian besar unsur terutama berasal dari supernova atau penggabungan bintang-bintang neutron, banyak unsur yang sangat penting diciptakan, sebagian atau bahkan sebagian besar, di planetary nebula, yang tidak muncul dari generasi pertama bintang. (NASA / CXC / SAO / K. DIVONA)

Setiap kali Anda membentuk bintang, mereka muncul dari awan molekul gas besar yang menyusut menjadi berbagai rumpun. Gumpalan tumbuh semakin besar dari waktu ke waktu, ketika atom dan molekul di dalamnya memancarkan panas dan memungkinkan mereka untuk runtuh. Akhirnya, mereka tumbuh besar dan cukup padat sehingga fusi nuklir dapat menyala di dalamnya. Akhirnya, rumpun ini akan berevolusi menjadi bintang.

Pada tahap paling awal, hanya dengan hidrogen dan helium, bintang-bintang tumbuh menjadi massa yang sangat besar: puluhan, ratusan, atau bahkan ribuan kali massa Matahari, biasanya. Belakangan, keberadaan elemen yang lebih berat memungkinkan pendinginan yang lebih efisien, menjaga massa rata-rata jauh lebih rendah dan membatasi maksimum hanya 200–300 kali lebih besar dari Matahari kita.

Cluster RMC 136 (R136) di Nebula Tarantula di Awan Magellan Besar, adalah rumah bagi bintang-bintang paling masif yang dikenal. R136a1, yang terbesar di antara semuanya, adalah lebih dari 250 kali massa Matahari (Eropa OBSERVATORI SELATAN SELATAN / P. CROWTHER / C. J. EVAN)

Meski begitu, bahkan hingga hari ini, bintang-bintang memiliki beragam massa dan ukuran. Mereka juga datang dalam berbagai distribusi. Sementara banyak dari sistem bintang di luar sana mirip dengan milik kita - hanya memiliki satu bintang yang dikelilingi oleh planet - sistem multi-bintang juga sangat umum.

Konsorsium Penelitian Ulang Bintang Terdekat (RECONS) mensurvei semua bintang yang dapat mereka temukan dalam 25 parsec (sekitar 81 tahun cahaya), dan menemukan total 2.959 bintang. Dari mereka, 1533 adalah sistem bintang tunggal, tetapi 1426 sisanya terikat ke sistem biner, trinary, atau bahkan lebih kompleks. Sebagaimana pengamatan kami telah menunjukkan kepada kami, sifat-sifat pengelompokan ini tidak tergantung pada massa. Bahkan bintang yang paling masif dapat secara umum ditemukan dikelompokkan bersama dalam dua, tiga, atau bahkan lebih banyak.

Ketika penggabungan besar galaksi berukuran serupa terjadi di Semesta, mereka membentuk bintang baru dari hidrogen dan gas helium yang ada di dalamnya. Hal ini dapat menghasilkan tingkat pembentukan bintang yang sangat meningkat, mirip dengan apa yang kita amati di dalam galaksi Henize 2-10 di dekatnya, yang berjarak 30 juta tahun cahaya. (Sinar-X (NASA / CXC / VIRGINIA / A.REINES ET AL); RADIO (NRAO / AUI / NSF); OPTIK (NASA / STSCI))

Selama sejarah Semesta, periode pembentukan bintang yang paling masif terjadi ketika galaksi berinteraksi, bergabung bersama, atau jatuh ke dalam kelompok dan gugus besar. Peristiwa ini secara gravitasi akan mengganggu keberadaan gas hidrogen di dalam galaksi, memicu peristiwa yang dikenal sebagai starburst. Selama ledakan bintang, gas itu dengan cepat diubah menjadi bintang-bintang dari semua massa dan dalam berbagai kelompok besar: lajang, binari, trinari, hingga setidaknya sistem sextuple.

Semakin banyak, bintang yang kurang masif akan membakar bahan bakarnya secara perlahan, hidup sangat lama. Sekitar 80–90% dari bintang yang pernah dibuat masih menyatukan hidrogen menjadi helium, dan akan tetap melakukannya hingga lebih banyak waktu daripada usia Alam Semesta sekarang ini yang berlalu. Langkah selanjutnya dalam massa, menuju bintang seperti Matahari, membuat perbedaan besar bagi banyak elemen yang ada di Tata Surya kita hari ini.

Warna, massa, dan ukuran bintang sekuens berbeda. Yang paling masif menghasilkan jumlah terbesar dari unsur-unsur berat tercepat, tetapi yang kurang masif lebih banyak dan bertanggung jawab atas sebagian besar unsur bermassa rendah yang ditemukan di alam. (WIKIMEDIA COMMONS MENGGUNAKAN KIEFF AND LUCASVB, ANNOTATIONS BY E. SIEGEL)

Selama sebagian besar kehidupan mereka, bintang-bintang seperti Matahari akan memadukan hidrogen menjadi helium, sementara pada tahap akhir, mereka membengkak menjadi raksasa merah sementara inti mereka melebur helium menjadi karbon. Ketika mereka berevolusi, dan mendekati akhir hidup mereka, bintang-bintang ini mulai memproduksi neutron bebas, yang mulai diserap oleh inti lain yang ada di dalam bintang.

Satu demi satu, neutron diserap oleh berbagai nuklei, memungkinkan kita untuk tidak hanya membuat unsur-unsur seperti nitrogen, tetapi banyak unsur yang lebih berat yang melampaui apa yang dibuat dalam supernova. Strontium, zircon, timah dan barium adalah contohnya; sejumlah kecil elemen seperti tungsten, merkuri dan timbal juga diproduksi. Tapi timah adalah batasnya; elemen selanjutnya ke atas adalah bismut, yang tidak stabil. Segera setelah timah menyerap neutron, bismut meluruh, jadi kami kembali di bawah timah lagi. Bintang seperti matahari tidak bisa mengalahkan kita.

Nebula planet mengambil berbagai bentuk dan orientasi tergantung pada sifat-sifat sistem bintang mereka berasal, dan bertanggung jawab untuk banyak elemen berat di Semesta. Bintang supergiant dan bintang raksasa yang memasuki fase nebula planetary keduanya ditunjukkan untuk membangun banyak elemen penting dari tabel periodik melalui proses-s. (NASA, ESA, DAN TIM WARISAN HUBBLE (STSCI / AURA))

Begitu juga dengan bintang yang paling masif. Meskipun jumlahnya cukup kecil, raksasa kosmik ini menyumbang sebagian besar massa total yang masuk ke dalam pembentukan bintang. Bintang-bintang ini, meskipun memiliki materi terbanyak di dalamnya, adalah yang paling pendek umurnya, karena mereka membakar bahan bakarnya jauh lebih cepat daripada jenis bintang lainnya. Mereka menggabungkan hidrogen menjadi helium, helium menjadi karbon, dan kemudian naik ke atas tabel periodik menjadi besi.

Namun, setelah setrika, tidak ada tempat untuk pergi yang sangat mendukung. Bintang-bintang ini, pada saat-saat terakhir mereka, melihat inti mereka meledak, menciptakan bintang-bintang neutron atau lubang hitam di pusat-pusat mereka, sambil memicu reaksi fusi yang tak terkendali di lapisan luar. Hasilnya adalah ledakan supernova, ditambah dengan rentetan neutron yang cepat ditangkap, membuat banyak elemen lebih berat daripada besi.

Ada bintang neutron yang berputar sangat lambat pada inti supernova sisa RCW 103, yang merupakan bintang masif yang mencapai akhir hidupnya. Sementara supernova dapat mengirim elemen berat yang menyatu dalam inti bintang kembali ke Semesta, itu adalah penggabungan bintang neutron-bintang neutron berikutnya yang menciptakan mayoritas elemen terberat dari semuanya. (Sinar-X: NASA / CXC / UNIVERSITAS AMSTERDAM / N.REA ET AL; OPTIK: DSS)

Namun, ada lubang menganga di tabel periodik, bahkan dengan semua ini. Pada ujung bawah, litium, berilium, dan boron hanya akan tercipta ketika partikel berenergi tinggi menembus ritsleting Semesta - sinar kosmik - membanting ke dalam nuklei, menghancurkannya melalui proses yang dikenal sebagai spallation.

Pada ujung yang tinggi, unsur-unsur dari rubidium (unsur 44) dan ke atas, termasuk sebagian besar yodium, iridium, platinum, emas, dan setiap elemen yang lebih berat daripada timbal membutuhkan sesuatu yang lain. Supernova ini, banyak di antaranya terjadi dalam sistem biner, akan sangat sering meninggalkan bintang neutron. Ketika dua atau lebih bintang menjadi supernova dalam sistem yang sama, keberadaan beberapa bintang neutron yang terikat bersama mengarah pada kemungkinan yang luar biasa: penggabungan bintang neutron biner.

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. (UNIVERSITAS WARWICK / MARK GARLICK)

Untuk waktu yang lama, berspekulasi bahwa penggabungan bintang-bintang neutron akan memberikan asal usul unsur-unsur ini, karena dua bola besar neutron yang dihancurkan bersama-sama dapat menciptakan variasi inti atom berat yang tak berujung. Tentu, sebagian besar massa dari benda-benda ini akan bergabung bersama menjadi objek tahap akhir seperti lubang hitam, tetapi beberapa persen harus dikeluarkan sebagai bagian dari tabrakan.

Pada 2017, pengamatan yang dilakukan dengan teleskop dan dengan pengamatan gelombang gravitasi mengkonfirmasi bahwa tidak hanya merger bintang neutron yang bertanggung jawab atas sebagian besar unsur-unsur berat ini, tetapi bahwa ledakan sinar gamma periode pendek juga dapat dikaitkan dengan merger ini. Sekarang dikenal sebagai kilonova, dipahami dengan baik bahwa penggabungan bintang neutron-bintang neutron adalah asal dari sebagian besar unsur terberat yang ditemukan di seluruh Semesta.

Tabel periodik berkode warna ini mengelompokkan elemen berdasarkan bagaimana mereka diproduksi di alam semesta. Hidrogen dan helium berasal dari Big Bang. Unsur yang lebih berat hingga besi umumnya ditempa dalam inti bintang-bintang masif. Radiasi elektromagnetik yang ditangkap dari GW170817 sekarang menegaskan bahwa unsur-unsur yang lebih berat dari besi disintesis dalam jumlah besar setelah tabrakan bintang neutron. Unsur yang lebih berat dari yang diperlihatkan di sini juga dihasilkan melalui penggabungan bintang-bintang neutron. (JENNIFER JOHNSON; ESA / NASA / AASNOVA)

Kita sering, ketika kita berbicara tentang sejarah Alam Semesta, mendiskusikannya seolah-olah itu adalah serangkaian peristiwa yang terjadi pada saat tertentu, waktu yang jelas. Meskipun ada beberapa momen dalam sejarah kosmik yang dapat digolongkan seperti itu, kehidupan dan kematian bintang-bintang tidak begitu mudah dikategorikan.

Formasi bintang meningkat selama 3 miliar tahun pertama setelah Big Bang, kemudian jatuh dan secara bertahap menurun. Unsur-unsur berat hadir sejak Semesta berumur kurang dari 100 juta tahun, tetapi populasi terakhir gas murni tidak dihancurkan hingga 2-3 miliar tahun setelah Big Bang.

Dan elemen-elemen dari tabel periodik secara terus-menerus diciptakan dan dihancurkan oleh proses-proses ini yang sebagian besar terjadi di dalam bintang-bintang dan dalam berinteraksi dengan sisa-sisa bintang. Hebatnya, kita tahu hari ini berapa banyak elemen dan dari berbagai jenis apa yang ada, tetapi ini adalah cerita yang terus berubah.

Kelimpahan unsur-unsur di Alam Semesta saat ini, sebagaimana diukur untuk Tata Surya kita. Jika pengamatan kita terus meningkat, masuk akal untuk berharap bahwa kita akan dapat memetakan kelimpahan unsur yang ada sepanjang sejarah kosmik kita. (PENGGUNA WIKIMEDIA COMMONS 28BYTES)

Namun, unsur terberat dari semuanya, diciptakan melalui satu mekanisme saja: penggabungan bintang neutron. Tentu, supernova bisa membuat Anda naik ke atas tabel periodik, tetapi hanya dalam jumlah yang tidak signifikan. Sekarat seperti bintang Matahari dapat secara perlahan mendorong penciptaan unsur yang lebih berat dan lebih berat, tetapi Anda tidak bisa mempertahankan apa pun di luar timah melalui proses itu. Secara kosmik, satu-satunya cara kita menciptakan sejumlah besar unsur terberat dari semuanya adalah melalui inspirasi dan penggabungan benda-benda fisik terpadat di Alam Semesta yang dikenal: bintang-bintang neutron.

Sekarang setelah pengamat gelombang gravitasi mengkonfirmasi gambar kosmik kita tentang penciptaan ini, alat dan teknologi siap untuk menyelidiki mereka lebih jauh dan lebih terinci. Langkah selanjutnya akan menunjukkan kepada kita, secara pengamatan, bagaimana kelimpahan unsur Alam Semesta telah berevolusi di seluruh ruang angkasa. Pada akhirnya, peta sejarah kimia Semesta ada dalam jangkauan kita.

Bacaan lebih lanjut tentang seperti apa Semesta saat:

  • Seperti apa saat Semesta menggembung?
  • Bagaimana rasanya ketika Big Bang pertama kali dimulai?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta berada di titik terpanas?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta pertama kali menciptakan lebih banyak materi daripada antimateri?
  • Bagaimana rasanya ketika Higgs memberi massa kepada Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika kita pertama kali membuat proton dan neutron?
  • Bagaimana rasanya ketika kita kehilangan antimateri terakhir kita?
  • Bagaimana rasanya ketika Alam Semesta membuat elemen pertamanya?
  • Bagaimana rasanya ketika Semesta pertama kali membuat atom?
  • Bagaimana rasanya ketika tidak ada bintang di Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika bintang-bintang pertama mulai menerangi Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika bintang-bintang pertama mati?
  • Bagaimana rasanya ketika Alam Semesta membuat bintang-bintang generasi kedua?
  • Bagaimana rasanya ketika Alam Semesta membuat galaksi pertama?
  • Bagaimana rasanya ketika cahaya bintang pertama kali menembus atom netral Semesta?
  • Bagaimana rasanya ketika lubang hitam supermasif pertama terbentuk?
  • Bagaimana rasanya ketika kehidupan di Semesta pertama kali menjadi mungkin?
  • Bagaimana rasanya ketika galaksi membentuk jumlah bintang terbesar?
  • Bagaimana rasanya ketika planet yang dapat dihuni pertama kali terbentuk?
  • Bagaimana rasanya ketika jaring kosmik terbentuk?
  • Seperti apa saat Bimasakti terbentuk?

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.