Para ilmuwan dari Universitas Negeri Arizona membuat terobosan dalam pemodelan ledakan bintang dari studi butiran debu bintang mikroskopis.
Butiran silikon karbida yang diekstrak dari meteorit Murchison. Kredit: Amari et al. (1994) Geochimica et Cosmochimica Acta 58, 459-470
Apakah kesamaan antara butiran debu bintang silikon karbida, yang ditemukan dalam meteorit dan berusia lebih tua dari tata surya, dengan pasangan bintang tua yang akan meledak?
Kolaborasi antara dua ilmuwan Universitas Negeri Arizona – ahli kimia kosmos Maitrayee Bose dan astrofisikawan Summer Starrfield, keduanya dari Fakultas Bumi dan Eksplorasi Ruang Angkasa – telah berhasil menyibak hubungan keduanya dan menemukan jenis ledakan bintang yang menghasilkan butiran debu tersebut.
Hasil penelitian mereka telah dipublikasikan dalam Astrophysical Journal.
Butiran silikon karbida mikroskopis tersebut – seribu kali lebih kecil dari lebar rata-rata sehelai rambut manusia – adalah bagian dari material yang membentuk matahari dan sistem keplanetannya. Dihasilkan dari ledakan nova, yang merupakan ledakan kataklismik berulang salah satu jenis bintang katai putih, butiran silikon karbida tersebut ditemukan dalam meteorit primitif.
Menurut Bose, silikon karbida adalah satu dari jenis-jenis butiran yang resisten di dalam meteorit. Tidak seperti elemen lainnya, butiran debu bintang ini tidak mengalami perubahan sejak sebelum tata surya terbentuk.
Proses Kelahiran Yang Hebat
Sebuah bintang menjadi nova – “bintang baru” – ketika kecemerlangannya mendadak meningkat beberapa tingkat. Novae terjadi pada pasangan bintang di mana salah satu anggotanya adalah bintang sisa yang panas dan padat, yang disebut katai putih. Pasangannya adalah bintang raksasa dingin yang begitu besarnya, sehingga perluasan dari atmosfer luarnya memberikan sumbangan gas kepada bintang katai putih. Ketika bintang katai putih telah mengumpulkan gas dalam jumlah yang cukup, terjadilah ledakan termonuklir dan bintang tersebut menjadi nova.
Meskipun sangat hebat, ledakan tersebut tidak menghancurkan bintang katai putih atau pasangannya, jadi novae dapat meledak lagi dan lagi, berulang kali melepaskan gas dan butiran debu yang dihasilkan dari ledakan tersebut. Dari sini butiran debu tersebut bersatu dengan awan gas antarbintang untuk menjadi bahan bagi terbentuknya sistem bintang yang baru.
Matahari dan tata surya lahir sekitar 4,6 milyar tahun yang lalu dari awan antarbintang sejenis, yang ditanami butiran debu dari ledakan berbagai jenis bintang sebelumnya. Hampir seluruh butiran awal ini digunakan dalam pembentukan matahari dan planet, namun sebagian kecil yang tersisa berhasil bertahan. Saat ini butiran-butiran debu bintang tersebut, yang disebut juga butiran prasolar, dapat diidentifikasi dalam bahan-bahan primitif tata surya, seperti dalam meteorit kondritis (meteorit batuan, non-logam – Red)
Bose menyebutkan bahwa kunci dari misteri ini adalah komposisi isotop dari butiran debu tersebut. Isotop adalah variasi unsur kimia yang memiliki ekstra neutron di dalam intinya. Analisis isotop telah membantu para ilmuwan melacak bahan baku yang membentuk tata surya. Beliau menambahkan, setiap butir silikon karbida membawa komposisi isotop yang khas dari bintang induknya. Hal ini memberikan jendela bagi para ilmuwan untuk memahami proses nukleosintesis – bagaimana bintang tersebut membuat unsur-unsur kimianya.
Bose mengumpulkan data yang telah dipublikasi mengenai ributan butiran sejenis, dan menemukan bahwa hampir semua butiran tersebut dapat dikelompokkan secara alami ke dalam tiga kategori, yang masing-masing dapat dihubungkan dengan salah satu jenis bintang.
Meskipun demikian, terdapat sekitar 30 butiran yang asalnya tidak dapat dilacak kembali ke salah satu jenis bintang. Pada analisis awal, butiran-butiran ini ditandai sebagai butiran yang kemungkinan dihasilkan dari ledakan nova.
Apakah benar demikian?
Membuat Debu Bintang
Sebagai seorang astrofisikawan teoritis, Starrfield menggunakan perhitungan komputer dan simulasi untuk mempelajari berbagai jenis ledakan bintang. Ledakan tersebut meliputi novae, novae berulang, letupan X-ray, dan supernovae.
Bekerja sama dengan astrofisikawan lainnya, Starrfield mengembangakn model komputer untuk menjelaskan semburan material yang terlihat dalam spektrum sebuah nova yang ditemukan tahun 2015. Kemudian ia menghadiri seminar dengan Bose sebagai pembicara, sebelum beliau bergabung sebagai dosen.
Menurutnya, ia tidak akan terus mengejar topik ini kalau ia belum mendengarkan presentasi Maitrayee yang kemudian dilanjutkan dengan diskusi antara keduanya. Pertemuan ini membuatnya memahami lebih dalam mengenai ledakan nova secara umum dan apa yang dapat disingkap oleh butiran prasolar mengenai ledakan tersebut, yang melemparkan mereka ke ruang angkasa.
Tak lama, sebuah masalah muncul. Starrfield mengatakan bahwa setelah ia berbicara dengan Bose, ia menemukan bahwa cara awal yang digunakan untuk memecahkan misteri ini tidak sejalan dengan observasi astronomis dan hasil penelitian Bose. Starrfield harus menemukan cara untuk mengatasinya.
Ia kemudian menggunakan studi ledakan nova klasik multidimensi dan merancang cara yang sama sekali baru untuk melakukan perhitungan modelnya.
Starrfield menyebutkan bahwa ada dua kelas utama komposisi nova. Kelompok pertama adalah kelas oksigen-neon, yang telah ia pelajari selama 20 tahun. Kelompok kedua adalah kelas karbon-oksigen, yang tidak terlalu ia perhatikan selama ini. Pengelompokan kelas novae ini didasarkan pada unsur-unsur kimia yang terlihat dalam spektrum mereka.
Starrfield menjelaskan, nova kelas karbon-oksigen memproduksi banyak debu sebagai bagian dari ledakannya. Secara teori, ledakan nova menjangkau hingga ke inti karbon-oksigen dari bintang katai putih, yang membawa unsur-unsur yang telah diperkuat dan diperkaya ini ke wilayah dengan temperatur tinggi. Hal ini dapat menyebabkan ledakan yang jauh lebih besar, yang melemparkan debu dalam bentuk sulur, lembaran, jet, dan gumpalan.
Perhitungan Starrfield memprediksi adanya 35 isotop, termasuk karbon, nitrogen, silikon, sulfur dan aluminium, yang akan dihasilkan oleh ledakan nova karbon-oksigen.
Dari semua ini diketahui bahwa mendapatkan proporsi yang tepat dari bahan inti bintang katai putih dan bahan-bahan yang diperoleh dari bintang pendampingnya adalah mutlak diperlukan agar simulasi ini dapat bekerja dengan sempurna. Bose dan Starrfield kemudian membandingkan prediksi tersebut dengan komposisi butiran silikon karbida yang telah dipublikasikan.
Hal ini membawa mereka pada kesimpulan yang cukup mengejutkan. Bose mengatakan, mereka menemukan bahwa hanya lima dari kurang lebih 30 butiran tersebut dihasilkan oleh novae.
Meski mungkin hasil tersebut terlihat mengecewakan, para ilmuwan sebenarnya sangat puas. Bose mengatakan, mereka sekarang harus menjelaskan komposisi butiran yang tidak berasal dari ledakan nova. Ini berarti akan ada sumber bintang yang sama sekali baru atau sumber-sumber lain yang belum ditemukan.
Ia menambahkan, melihat pada gambar besarnya, mereka menemukan bahwa observasi astronomis, simulasi komputer dan pengukuran laboratorium dengan presisi tinggi dari butiran debu bintang diperlukan seluruhnya apabila kita ingin memahami bagaimana bintang berevolusi. Inilah jenis ilmu interdisipliner, dan Universitas Negeri Arizona sangat unggul dalam hal ini.
Sumber: Arizona State University/ASU
