Bahan Rahasia Yang Memberi Kekuatan Supernova

Bahan Rahasia Yang Memberi Kekuatan Supernova

Bahan Rahasia Yang Memberi Kekuatan Supernova – Pada tahun 1987, sebuah bintang raksasa meledak tepat di sebelah galaksi Bima Sakti kita. Itu adalah supernova paling terang dan paling dekat sejak penemuan teleskop sekitar empat abad sebelumnya, dan hampir setiap observatorium menoleh untuk melihatnya. Mungkin yang paling menarik, observatorium khusus yang terkubur jauh di bawah tanah menangkap partikel subatom yang disebut neutrino yang mengalir keluar dari ledakan.

Partikel-partikel ini pertama kali diusulkan sebagai kekuatan pendorong di belakang supernova pada tahun 1966, yang membuat deteksi mereka menjadi sumber kenyamanan bagi para ahli teori yang telah mencoba memahami cara kerja ledakan. Namun selama beberapa dekade, astrofisikawan terus-menerus menemukan apa yang tampaknya menjadi cacat fatal dalam model bertenaga neutrino mereka.

Neutrino terkenal sebagai partikel yang menyendiri, dan pertanyaan tetap ada tentang bagaimana tepatnya neutrino mentransfer energinya ke materi biasa bintang di bawah kondisi ekstrem dari bintang yang runtuh. Setiap kali para ahli teori mencoba memodelkan gerakan dan interaksi partikel yang rumit ini dalam simulasi komputer, gelombang kejut supernova akan terhenti dan jatuh kembali dengan sendirinya. Kegagalan tersebut “membubuhi gagasan bahwa teori utama kami tentang bagaimana supernova meledak mungkin tidak berhasil,” kata Sean Couch, astrofisikawan komputasi di Michigan State University.

Tentu saja, detail dari apa yang terjadi jauh di dalam supernova saat meledak selalu menjadi misteri. Ini adalah kuali ekstrem, sup bergolak materi transmutasi, di mana partikel dan kekuatan yang sering diabaikan di dunia kita sehari-hari menjadi kritis. Yang menambah masalah, interior ledakan sebagian besar tersembunyi dari pandangan, diselimuti oleh awan gas panas. Memahami detail supernova “telah menjadi masalah utama yang belum terpecahkan dalam astrofisika,” kata Adam Burrows, astrofisikawan di Universitas Princeton yang telah mempelajari supernova selama lebih dari 35 tahun.

Namun, dalam beberapa tahun terakhir, para ahli teori telah mampu memahami mekanisme kompleks yang mengejutkan yang membuat supernova berdetak. Simulasi yang meledak telah menjadi norma, bukan pengecualian, tulis Burrows di Nature bulan ini. Kode komputer kelompok riset saingan sekarang menyetujui bagaimana gelombang kejut supernova berevolusi, sementara simulasi telah berkembang sejauh ini sehingga bahkan efek relativitas umum Einstein yang terkenal rumit juga disertakan. Peran neutrino akhirnya dipahami.

“Ini momen yang menentukan,” kata Couch. Apa yang mereka temukan adalah bahwa tanpa turbulensi, bintang yang runtuh mungkin tidak akan pernah membentuk supernova sama sekali.

Untuk sebagian besar kehidupan bintang, tarikan gravitasi ke dalam diimbangi oleh dorongan radiasi ke luar dari reaksi nuklir di dalam inti bintang. Saat bintang kehabisan bahan bakar, gravitasi mengambil alih. Inti runtuh dengan sendirinya jatuh dengan kecepatan 150.000 kilometer per jam menyebabkan suhu melonjak hingga 100 miliar derajat Celcius dan menggabungkan inti menjadi bola neutron yang solid.

Lapisan luar bintang terus jatuh ke dalam, tetapi ketika mereka menabrak inti neutron yang tidak dapat dimampatkan ini, mereka terpental, menciptakan gelombang kejut. Agar gelombang kejut menjadi ledakan, ia harus didorong ke luar dengan energi yang cukup untuk menghindari tarikan gravitasi bintang. Gelombang kejut juga harus melawan spiral ke dalam dari lapisan terluar bintang, yang masih jatuh ke inti.

Sampai saat ini, kekuatan yang menggerakkan gelombang kejut hanya dipahami dalam istilah yang paling kabur. Selama beberapa dekade, komputer hanya cukup kuat untuk menjalankan model sederhana dari inti yang runtuh. Bintang diperlakukan sebagai bola sempurna, dengan gelombang kejut yang memancar dari pusat dengan cara yang sama ke segala arah. Namun saat gelombang kejut bergerak keluar dalam model satu dimensi ini, gelombang tersebut melambat dan kemudian terputus-putus.

Hanya dalam beberapa tahun terakhir, dengan pertumbuhan superkomputer, para ahli teori memiliki kekuatan komputasi yang cukup untuk memodelkan bintang masif dengan kompleksitas yang dibutuhkan untuk mencapai ledakan. Model terbaik sekarang mengintegrasikan detail seperti interaksi tingkat mikro antara neutrino dan materi, gerakan cairan yang tidak teratur, dan kemajuan terbaru di berbagai bidang fisika—dari fisika nuklir hingga evolusi bintang. Selain itu, para ahli teori sekarang dapat menjalankan banyak simulasi setiap tahun, memungkinkan mereka untuk secara bebas mengubah model dan mencoba kondisi awal yang berbeda.

Satu titik balik terjadi pada tahun 2015, ketika Couch dan kolaboratornya menjalankan model komputer tiga dimensi dari menit-menit terakhir keruntuhan bintang masif. Alth meskipun simulasi hanya memetakan 160 detik dari kehidupan bintang, itu menerangi peran pemain yang kurang dihargai yang membantu gelombang kejut yang terhenti berubah menjadi ledakan yang sepenuhnya matang.

Tersembunyi di dalam perut binatang itu, partikel berputar dan berputar dengan kacau. “Ini seperti air mendidih di atas kompor Anda. Ada aliran balik besar-besaran di dalam bintang, dengan kecepatan ribuan kilometer per detik,” kata Couch.

Turbulensi ini menciptakan tekanan ekstra di belakang gelombang kejut, mendorongnya lebih jauh dari pusat bintang. Jauh dari pusat, tarikan gravitasi ke dalam lebih lemah, dan ada lebih sedikit materi yang jatuh ke dalam untuk meredam gelombang kejut. Materi turbulen yang memantul di belakang gelombang kejut juga memiliki lebih banyak waktu untuk menyerap neutrino. Energi dari neutrino kemudian memanaskan materi dan mendorong gelombang kejut menjadi ledakan.

Selama bertahun-tahun, para peneliti gagal menyadari pentingnya turbulensi, karena turbulensi hanya mengungkapkan dampak penuhnya dalam simulasi yang dijalankan dalam tiga dimensi. “Apa yang dilakukan alam dengan mudah, kami membutuhkan waktu puluhan tahun untuk mencapainya saat kami naik dari satu dimensi ke dua dan tiga dimensi,” kata Burrows.

Simulasi ini juga mengungkapkan bahwa turbulensi menghasilkan ledakan asimetris, di mana bintang terlihat seperti jam pasir. Saat ledakan mendorong keluar ke satu arah, materi terus jatuh ke inti ke arah lain, memicu ledakan bintang lebih jauh.

Simulasi baru ini memberi para peneliti pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana supernova telah membentuk alam semesta yang kita lihat hari ini. “Kita bisa mendapatkan kisaran energi ledakan yang benar, dan kita bisa mendapatkan massa bintang neutron yang kita lihat tertinggal,” kata Burrows. Supernova sebagian besar bertanggung jawab untuk menciptakan anggaran alam semesta dari unsur-unsur besar dan kuat seperti oksigen dan besi, dan para ahli teori mulai menggunakan simulasi untuk memprediksi dengan tepat berapa banyak dari unsur-unsur berat ini seharusnya ada. “Kami sekarang mulai mengatasi masalah yang tidak terbayangkan di masa lalu,” kata Tuguldur Sukhbold, astrofisikawan teoretis dan komputasional di Ohio State University.