Tidak Semua Kematian Bintang Melalui Supernova

SEBUAH bintang masif yang berjarak 2,5 juta tahun cahaya tiba-tiba lenyap tanpa ledakan yang dikenal sebagai supernova. Pada umumnya, kematian bintang disertai dengan ledakan maha dahsyat sebagai penanda akhir dari siklus hidupnya.

Peristiwa keruntuhan bintang tanpa supernova ini tentu membingungkan para astronom. Bukannya meledak dalam supernova, bintang itu diam-diam runtuh menjadi lubang hitam, melepaskan lapisan luarnya dalam proses pemudaran kosmik yang lambat.

Sisa-sisa puing terus bersinar dalam cahaya inframerah, menawarkan sinyal yang bertahan lama tentang kelahiran lubang hitam tersebut. Temuan ini membentuk kembali pemahaman ilmuwan tentang bagaimana beberapa bintang terbesar di alam semesta menemui ajalnya.

Para astronom telah secara langsung mengamati sebuah bintang masif yang sekarat melewati fase tanpa ledakan supernova dan malah runtuh menjadi lubang hitam. Peristiwa ini memberikan serangkaian pengamatan paling detail yang pernah dikumpulkan tentang sebuah bintang yang mengalami transisi tersebut, memberi para peneliti pandangan yang luar biasa lengkap tentang bagaimana lubang hitam bintang terbentuk.

Dengan menggabungkan data teleskop baru dengan lebih dari satu dekade pengamatan yang diarsipkan, para ilmuwan mampu menguji dan menyempurnakan teori-teori lama tentang bagaimana bintang-bintang paling masif mengakhiri hidup mereka.

Alih-alih meledak ke luar dalam supernova yang cemerlang, inti bintang ini runtuh karena gravitasi dan membentuk lubang hitam. Dalam prosesnya, lapisan luarnya yang tidak stabil secara bertahap terdorong keluar.

Temuan yang diterbitkan pada tanggal 12 Februari di Science ini menarik perhatian karena menawarkan pandangan langka tentang kelahiran lubang hitam. Hasilnya dapat membantu menjelaskan mengapa beberapa bintang masif meledak secara dramatis di akhir hidup mereka, sementara yang lain runtuh dengan ­tenang.

“Ini baru permulaan cerita,” kata Kishalay De, seorang ilmuwan peneliti asosiasi di Flatiron Institute milik Simons Foundation dan penulis utama studi baru ini.

Cahaya dari puing-puing berdebu yang mengelilingi lubang hitam yang baru lahir, katanya, “akan terlihat selama beberapa dekade pada tingkat sensitivitas teleskop seperti Teleskop Luar Angkasa James Webb, karena akan terus memudar sangat lambat. Dan ini mungkin akan menjadi tolok ukur untuk memahami bagaimana lubang hitam bintang terbentuk di alam semesta.”

Hilangnya M31-2014-DS1

Bintang tersebut, yang dikenal sebagai M31-2014-DS1, terletak sekitar 2,5 juta tahun cahaya di Galaksi Andromeda. Kishalay De dan rekan-rekannya memeriksa data yang dikumpulkan antara tahun 2005 dan 2023 dari misi NEOWISE NASA bersama teleskop darat dan luar angkasa lainnya.

Tim tersebut menemukan bahwa bintang itu mulai bersinar lebih terang dalam cahaya inframerah pada tahun 2014. Kemudian pada tahun 2016, kecerahannya turun tajam dalam waktu kurang dari setahun.

Pada tahun 2022 dan 2023, bintang tersebut hampir lenyap dalam panjang gelombang tampak dan inframerah dekat, memudar hingga hanya sepersepuluh ribu dari kecerahan sebelumnya dalam pita tersebut. Apa yang tersisa kini hanya dapat dideteksi dalam cahaya inframerah tengah, di mana ia bersinar sekitar sepersepuluh dari intensitas aslinya.

“Bintang ini dulunya adalah salah satu bintang paling terang di Galaksi Andromeda, dan sekarang tidak terlihat sama sekali. Bayangkan jika bintang Betelgeuse tiba-tiba menghilang. Semua orang akan kehilangan akal sehat! Hal yang sama terjadi pada bintang ini di Galaksi Andromeda,” ungkap Kishalay De.

Ketika tim membandingkan pengamatan dengan prediksi teoretis, mereka menyimpulkan bahwa penurunan kecerahan yang ekstrem tersebut sangat menunjukkan bahwa inti bintang runtuh dan membentuk lubang hitam.

Bintang Masif Gagal Meledak

Bintang bersinar karena fusi nuklir di intinya mengubah hidrogen menjadi helium, menciptakan tekanan ke luar yang melawan gravitasi. Pada bintang yang setidaknya 10 kali lebih masif dari Matahari kita, keseimbangan ini akhirnya rusak ketika bahan bakar nuklir menipis. Gravitasi kemudian mengalahkan tekanan ke luar, menyebabkan inti runtuh dan membentuk bintang neutron yang padat.

Dalam banyak kasus, banjir neutrino yang dilepaskan selama keruntuhan ini menghasilkan gelombang kejut kuat yang merobek bintang menjadi supernova. Namun, jika gelombang kejut itu terlalu lemah untuk mengeluarkan materi di sekitarnya, sebagian besar bintang dapat jatuh kembali ke dalam. Model teoritis telah lama menunjukkan bahwa jatuhnya kembali ini dapat mengubah bintang neutron menjadi lubang hitam.

“Kita telah mengetahui keberadaan lubang hitam selama hampir 50 tahun,” kata Kishalay De. “Namun kita baru sedikit memahami bintang mana yang berubah menjadi lubang hitam dan bagaimana mereka melakukannya,” ujarnya.

Peran Kunci Konveksi

Studi rinci tentang M31-2014-DS1 juga membantu para peneliti meninjau kembali objek serupa, NGC 6946-BH1, yang telah diidentifikasi satu dekade sebelumnya. Analisis ulang kedua kasus tersebut mengungkap unsur penting yang sebelumnya hilang dalam memahami apa yang terjadi pada lapisan luar bintang setelah supernova yang gagal. Jawabannya terletak pada konveksi.

Konveksi muncul dari perbedaan suhu besar di dalam bintang. Intinya sangat panas, sementara lapisan luarnya jauh lebih dingin. Kontras ini mendorong gas bersirkulasi antara daerah yang lebih panas dan lebih dingin.

Ketika inti runtuh, gas di bagian luar masih bergerak karena proses pengadukan ini. Menurut model yang dikembangkan di Flatiron Institute, gerakan tersebut mencegah sebagian besar material luar jatuh langsung ke dalam lubang hitam. Sebaliknya, beberapa lapisan dalam mengelilingi lubang hitam, sementara lapisan terluar terdorong keluar.

Saat material yang dikeluarkan bergerak menjauh, ia mendingin. Pada suhu yang lebih rendah, atom dan molekul bergabung membentuk debu. Debu tersebut menghalangi cahaya dari gas yang lebih panas di dekat lubang hitam, menyerap energi, lalu memancarkannya kembali dalam panjang gelombang inframerah. Hasilnya adalah cahaya kemerahan yang bertahan lama yang dapat berlangsung selama beberapa dekade setelah bintang aslinya menghilang.

Penulis bersama dan peneliti Flatiron, Andrea Antoni, mengembangkan kerangka kerja teoretis di balik model konveksi ini.

Berdasarkan pengamatan baru, ia mengatakan laju akresi material yang jatuh jauh lebih lambat daripada jika bintang tersebut langsung runtuh sepenuhnya.

Material konvektif itu memiliki momentum sudut sehingga berputar mengelilingi lubang hitam. Alih-alih membutuhkan waktu berbulan-bulan atau setahun untuk jatuh ke dalam, prosesnya memakan waktu puluhan tahun. Karena itu, ia menjadi sumber yang lebih terang daripada perkiraan awal, dan peneliti mengamati penundaan panjang dalam peredupan bintang aslinya.

Sama seperti air yang berputar ke bawah saluran pembuangan daripada jatuh lurus, gas terus mengorbit lubang hitam yang baru terbentuk saat gravitasi secara bertahap menariknya ke dalam. Jatuhnya material yang tertunda ini berarti seluruh bintang tidak runtuh sekaligus. Bahkan setelah inti runtuh dengan cepat, sebagian material kembali perlahan selama beberapa dekade.

Para peneliti memperkirakan bahwa hanya sekitar satu persen dari selubung luar asli bintang yang akhirnya memberi makan lubang hitam, menghasilkan cahaya redup yang masih diamati hingga ­saat ini.

Membangun Gambaran

Saat menganalisis M31-2014-DS1, tim tersebut juga memeriksa kembali NGC 6946-BH1. Studi baru ini memberikan bukti kuat bahwa kedua bintang mengikuti jalur serupa. Apa yang awalnya tampak sebagai kasus tidak biasa kini tampaknya menjadi bagian dari kategori yang lebih luas dari supernova gagal yang diam-diam menghasilkan lubang hitam.

M31-2014-DS1 awalnya menonjol sebagai “kasus aneh,” kata Kishalay De, tetapi kini tampaknya menjadi salah satu dari beberapa contoh, termasuk NGC 6946-BH1. “Hanya melalui penemuan-penemuan individual seperti inilah kita mulai menyusun gambaran besar,” lanjutnya. hay