dies_07 Simulasi Bintang Netron di Permukaan Bumi

Melihat Bintang Netron dari Permukaan Bumi

Belum dipublikasi di media cetak


Bintang netron (BN) menarik perhatian para ilmuwan karena kondisinya yang sangat ekstrem. Betapa tidak. Bintang yang memiliki diameter hanya sekitar 25 km ini memiliki massa sekitar 1,4 kali massa matahari atau setara dengan setengah juta kali massa bumi. Dengan demikian medan gravitasi di permukaan bintang ini berkisar 200 milyar kali lebih kuat dari medan gravitasi di permukaan bumi. Medan gravitasi sebesar ini akan mampu meremukkan benda-benda yang ada dipermukaannya serta atom-atom penyusun benda tersebut. Sebagai gambaran, seseorang yang jatuh ke permukaan BN akan menabrak permukaannya dengan kecepatan 150.000 km per detik atau energi yang dihasilkan oleh tabrakan tersebut setara dengan 100 megaton ledakan nuklir. Tidak hanya sampai di situ. Sebuah BN dapat memiliki medan magnetik hingga 100 gigatesla. Medan magnet sebesar itu dapat menghancurkan semua informasi di dalam semua kartu kredit yang ada di atas permukaan bumi, jika BN diletakkan pada orbit bulan. Sebagai perbandingan, medan magnet bumi hanya berkekuatan sekitar 60 mikrotesla.


Proses terbentuknya bintang netron

BN berawal dari bintang biasa yang sudah kehabisan bahan bakar nuklirnya. Bintang-bintang yang terlihat di malam hari mengalami kesetimbangan antara gaya gravitasi yang berusaha mengerutkan bintang dan gaya-gaya akibat ledakan nuklir yang berusaha membuyarkan materi bintang. Saat bahan bakarnya habis, gaya gravitasi mulai bekerja dan terjadilah serangkaian reaksi fusi dan fisi nuklir yang diikuti dengan proses supernova, suatu ledakan maha dahsyat yang memancarkan cahaya terang benderang mengalahkan seluruh cahaya yang ada di galaksi tempat bintang bermukim. Cahaya ini muncul dari pelepasan energi akibat penurunan drastis massa bintang (hukun kekekalan energi, E=mc2). Diyakini bahwa bintang netron berasal dari bintang berukuran 15 hingga 30 kali matahari (meski demikian, angka ini terus berubah dengan meningkatnya akurasi simulasi supernova). Bintang yang lebih berat akan menjadi lubang hitam (black hole) sedangkan bintang yang lebih ringan akan berakhir sebagai kerdil putih (white dwarf) jika mereka mengalami proses serupa. Di samping itu, hukum kekekalan momentum akan menaikkan rotasi bintang secara drastis, suatu penjelasan mengapa BN dapat berotasi hingga 600 putaran per detik.


Gambar 1. Susunan bintang netron menurut teori serta data eksperimen yang ada saat ini. Atmosfir bintang sangat tipis, kulit bintang yang mayoritas terdiri dari besi juga hanya memiliki ketebalan sekitar 1 km. Inti luar yang disusun oleh netron “cair” menyelimuti inti dalam yang belum diketahui secara pasti apa isinya. Jari-jari bintang netron sendiri diperkirakan hanya sekitar 12 km, namun massanya sekitar 1,4 kali massa matahari atau 500.000 kali massa bumi.




Gambar 2. Gambar kiri menunjukkan Crab Nebula, hasil ledakan sebuah bintang (supernova) pada tahun 1054. Nebula ini berukuran sekitar 10 tahun cahaya (1 detik cahaya sama dengan 300.000 km). Pusat nebula dihuni sebuah pulsar, sebuah bintang netron dengan massa seberat massa matahari namun berukuran tidak lebih dari sebuah kota. Pulsar ini berotasi sebanyak 30 putaran per detik. Gambar kanan memperlihatkan (tanda panah) bintang netron yang terisolasi yang berhasil direkam oleh teleskop ruang angkasa Hubble. (Diambil dari Astronomical Picture of the Day).

Dari informasi energi ikat nuklir diketahui bahwa reaksi fusi yang terjadi akan berhenti jika material bintang telah menjadi besi. Dengan demikian terjadi penumpukan besi hingga massa BN menjadi 1,4 kali massa matahari. Setelah mencapai fase ini gaya degenerasi elektron yang selama ini mampu melawan gaya pengerutan gravitasi mulai menyerah. Tekanan gravitasi yang sangat kuat akan memicu proses URCA, yaitu proses penggabungan proton dan elektron menjadi netron dan neutrino. Karena neutrino sangat halus, diyakini ia berinteraksi sedikit sekali dengan material bintang dan, setelah membantu terjadinya proses supernova, neutrino akan pergi. Tinggalah netron yang selanjutnya membentuk BN.

Struktur bintang netron

Gaya gravitasi di permukaan BN sangat besar, 200 milyar kali lebih kuat dari gravitasi bumi. Bersama-sama dengan medan magnetik sebesar 100 gigatesla yang muncul akibat rotasi BN, gaya ini sanggup menghancurkan seluruh struktur atom yang ada di permukaannya. Dengan demikian permukaan BN hanya didominasi oleh nukleus (inti atom) besi. Jika kita masuk sedikit ke dalam, kita akan menemukan tekanan yang sangat besar, sehingga kerapatannya dapat mencapai 1 ton/cc. Nukleus-nukleus yang lebih berat menghuni daerah ini. Di tempat yang lebih dalam kerapatan menjadi 400.000 ton/cc, suatu keadaan yang memungkinkan netron untuk bebas bergerak mengalir keluar dari nukleus. Lebih dalam lagi, kita akan menemukan apa yang disebut peneliti sebagai deretan “pasta-antipasta”. Deretan ini dimulai pada kerapatan sekitar 1 juta ton/cc, suatu tempat dimana nukleon-nukleon bergabung mirip seperti “daging-bakso”. Lebih ke dalam lagi kita akan menemui bentuk “lasagna-antilasagna”, “spageti-antispageti”, serta apa yang dinamakan “keju Swiss”. Di tempat yang kerapatannya melebihi 280 juta ton/cc dapat muncul partikel-partikel eksotis seperti kondensat-pion, hiperon-lambda, isobar delta, serta plasma quark-gluon. Meski perkiraan teoretis ini sangat mencengangkan, pengamatan langsung BN belum sepenuhnya dapat memberi dukungan.


Penelitian yang dilakukan

Relatif tidak terlalu sulit untuk menghitung tekanan, rapat-massa dan jari-jari BN, asalkan rapat-massa di pusat BN serta persamaan keadaan materi BN diketahui. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan salah satu solusi persamaan relativitas umum Einstein yang disebut sebagai persamaan Tolman-Oppenheimer-Volkoff. Dari sini momen inersia BN juga dapat dihitung. Saat ini, pengamatan eksperimen mulai diarahkan untuk mengukur momen inersia BN. Masalahnya adalah: persamaan keadaan materi yang ekstrem-rapat ini tidak diketahui secara pasti dan para ilmuwan hanya dapat mengandalkan model matematis. Untungnya, eksperimen materi super-rapat dapat dilakukan di atas permukaan bumi melalui tumbukan ion-ion berat, seperti yang dilakukan oleh para fisikawan di GSI Darmstadt, Jerman, dan di RHIC Brookhaven, Amerika. Hasil eksperimen ini dapat dimanfaatkan untuk memperbaiki model-model persamaan keadaan tadi, sehingga pengamatan BN dapat memberi informasi akurat tentang kerapatan massa di pusat BN. Pada akhirnya para ilmuwan akan mampu memperkirakan secara akurat apa yang terdapat dan terjadi di dalam BN.

(Terry Mart, pengajar pada Departemen Fisika, FMIPA UI)