Mengapa Bintang Neutron Bisa Begitu Berat?

ALAM semesta memiliki benda yang ukurannya hanya sekitar sebuah kota, tetapi massanya dapat mencapai satu hingga beberapa kali massa Matahari. Benda tersebut adalah bintang neutron, salah satu objek paling ekstrem yang dikenal dalam astrofisika.

Bintang neutron merupakan sisa inti sebuah bintang masif yang telah mengalami keruntuhan gravitasi dahsyat. Ketika sebuah bintang masif kehabisan bahan bakar nuklir, inti bintang tidak lagi mampu mempertahankan keseimbangan terhadap gaya gravitasinya sendiri. Inti kemudian runtuh, sementara lapisan luar bintang dapat terlontar dalam ledakan supernova. Yang tersisa adalah inti yang sangat padat.

Materi yang sebelumnya berada di dalam bintang berukuran sangat besar dipaksa berkumpul dalam bola yang diameternya hanya sekitar 20 kilometer. Massa yang sangat besar tersebut kemudian terkonsentrasi dalam ruang yang sangat kecil. Itulah alasan utama mengapa bintang neutron bisa begitu berat.

Bintang neutron tipikal memiliki massa sekitar 1,4 kali massa Matahari, meskipun massa masing-masing bintang neutron dapat berbeda. NASA menyebut bintang neutron sebagai objek paling padat yang dapat diamati secara langsung, dengan massa hingga sekitar dua kali massa Matahari yang dipadatkan ke dalam volume seukuran kota.

Perbandingan ini sulit dibayangkan adalah sebagai berikut. Matahari memiliki diameter sekitar 1,39 juta kilometer. Bintang neutron hanya memiliki diameter sekitar 20 kilometer. Artinya, materi dengan massa yang sangat besar tersebut dipadatkan hingga radiusnya hanya sekitar 10 kilometer.

Astrofisikawan Jocelyn Bell Burnell, yang menemukan pulsar pertama pada 1967, pernah menggambarkan kondisi tersebut dengan perbandingan yang ekstrem. Dalam wawancara yang terdokumentasi, Bell Burnell menjelaskan bahwa bintang neutron memiliki massa kira-kira seperti Matahari, tetapi terkonsentrasi dalam bola dengan radius sekitar 10 kilometer.

“Pulsar memiliki nama lain, yaitu ‘bintang neutron’, karena sebagian besar penyusunnya adalah neutron. Bintang ini sangat padat dan karenanya memiliki massa jenis yang sangat tinggi,” ujar dia.

Pernyataan Bell Burnell tersebut menjelaskan inti persoalannya: bintang neutron bukan sangat berat karena ukurannya besar, melainkan karena materinya sangat rapat.

Salah satu cara paling mudah untuk memahami kepadatan bintang neutron adalah dengan melihat struktur atom. Materi yang kita temui sehari-hari, manusia, batu, air, udara, maupun planet tersusun dari atom. Atom memiliki inti yang sangat kecil dan elektron yang menempati wilayah di sekitarnya.

Sebagian besar volume atom sebenarnya merupakan ruang kosong. Dalam inti bintang yang mengalami keruntuhan gravitasi, kondisi tersebut berubah secara ekstrem. Tekanan yang sangat besar memaksa struktur atom runtuh. Elektron tidak lagi mempertahankan orbit seperti pada atom biasa. Elektron dan proton dapat bergabung sehingga menghasilkan neutron. Akibatnya, materi menjadi jauh lebih rapat.

NASA menggambarkan bintang neutron sebagai objek yang pada dasarnya merupakan inti bintang yang telah mengalami pemampatan ekstrem. Materinya memiliki kepadatan yang jauh melampaui materi biasa di Bumi.

Gambaran yang paling sering digunakan untuk menjelaskan kepadatannya bintang neutron adalah massa sejumlah kecil materinya. NASA memperkirakan satu sendok teh materi bintang neutron dapat memiliki massa sekitar satu miliar ton ketika diukur dalam kondisi gravitasi Bumi. Dalam ilustrasi NASA lainnya, satu kubus gula materi bintang neutron dapat memiliki massa sekitar satu triliun kilogram, atau sekitar satu miliar ton.

Angka ini tentu bukan berarti seseorang dapat mengambil satu sendok teh materi bintang neutron dan membawanya ke Bumi. Materi tersebut hanya dapat berada dalam kondisi seperti itu karena tekanan dan gravitasi ekstrem yang terdapat di dalam bintang neutron.

Jika materi tersebut tiba-tiba berada di Bumi, ia tidak akan mempertahankan struktur bintang neutron secara sederhana. Perbandingan tersebut digunakan untuk menggambarkan betapa ekstremnya kepadatan materi di dalam bintang neutron.

Di Ambang Lubang Hitam

Salah satu ilmuwan yang banyak mempelajari bintang neutron adalah Zaven Arzoumanian dari NASA Goddard Space Flight Center, yang terlibat dalam misi NICER untuk mempelajari interior bintang neutron. Ia menggambarkan bintang neutron sebagai objek yang berada sangat dekat dengan batas akhir kestabilan materi.

“Bintang neutron berada tepat di ambang batas wujud materi yang mungkin ada—jika dimampatkan lebih jauh lagi, bintang tersebut akan runtuh sepenuhnya ke dalam dirinya sendiri dan berubah menjadi lubang hitam,” paparnya.

Dengan kata lain, bintang neutron dapat dipandang sebagai salah satu bentuk materi paling ekstrem yang masih mampu bertahan sebelum gravitasi menyebabkan keruntuhan lebih lanjut menjadi lubang hitam.

Pernyataan tersebut sekaligus menunjukkan mengapa para ilmuwan sangat tertarik mempelajari bintang neutron. Menurut Arzoumanian, kondisi materi di dalamnya tidak dapat diciptakan dan dipelajari secara langsung di laboratorium Bumi.

Bola Neutron

Meski namanya “bintang neutron”, bukan berarti seluruh bagian bintang tersebut hanya berisi neutron bebas. Struktur bintang neutron diyakini memiliki beberapa lapisan. Bagian luarnya memiliki kerak yang sangat padat. Semakin masuk ke bagian dalam, kepadatan dan tekanan meningkat secara drastis. Pada inti terdalam, keadaan materi masih menjadi salah satu misteri besar dalam fisika.

NASA menjelaskan bahwa pada bintang neutron yang lebih masif, kepadatan inti dapat menjadi sedemikian tinggi sehingga neutron tertekan semakin dekat. Para ilmuwan bahkan belum mengetahui secara pasti apakah neutron tetap bertahan sebagai partikel atau dapat berubah menjadi keadaan materi yang melibatkan quark.

Karena itulah bintang neutron bukan hanya objek astronomi. Ia juga merupakan laboratorium alam untuk mempelajari fisika materi pada kondisi ekstrem.

Berputar Ratusan Kali per Detik

Keunikan lain muncul ketika bintang neutron mulai berputar. Bintang induknya telah berputar sebelum mengalami keruntuhan. Ketika ukurannya menyusut secara drastis, momentum sudut tetap terjaga.

Fenomenanya dapat dianalogikan dengan seorang atlet seluncur es yang menarik kedua tangannya ke tubuh. Ketika ukuran tubuh yang berputar mengecil, kecepatannya meningkat. Hal serupa terjadi pada inti bintang.

Bintang neutron kemudian dapat berputar sangat cepat. Jika rotasi tersebut menghasilkan pancaran radiasi yang secara berkala mengarah ke Bumi, manusia dapat mengamatinya sebagai pulsar.

NASA mencatat bahwa pulsar merupakan bintang neutron yang sangat padat, bermagnet kuat, dan berputar cepat. Beberapa pulsar dapat berputar ratusan kali dalam satu detik. Penemuan pulsar pertama oleh Jocelyn Bell Burnell pada 1967 menjadi bukti penting keberadaan bintang neutron.

Jadi, mengapa bintang neutron begitu berat?

Jawabannya sebenarnya sederhana: karena gravitasi telah memampatkan materi dalam jumlah sangat besar ke ruang yang sangat kecil. Sebuah bintang yang pada awalnya berukuran sangat besar mengalami keruntuhan setelah bahan bakar nuklirnya habis. Intinya diperas oleh gravitasinya sendiri hingga struktur atom normal tidak lagi dapat bertahan.

Proton dan elektron terdorong bergabung, neutron terbentuk, dan materi menjadi sangat rapat. Massa yang dapat mencapai sekitar satu hingga beberapa kali massa Matahari kemudian terkonsentrasi dalam bola yang hanya berdiameter sekitar 20 kilometer. Itulah sebabnya bintang neutron bisa tampak kecil tetapi memiliki massa yang luar biasa besar.

Seperti yang dijelaskan Jocelyn Bell Burnell, bintang neutron sangat kompak dan karena itu memiliki kepadatan yang sangat tinggi. Sementara itu Zaven Arzoumanian menempatkannya pada batas ekstrem materi jika kompresi berlanjut, bintang neutron dapat kehilangan kemampuannya untuk menopang diri dan berubah menjadi lubang hitam.

Dengan demikian, bintang neutron memperlihatkan salah satu kemampuan alam semesta yang paling menakjubkan: memampatkan massa sebesar Matahari ke dalam objek yang ukurannya kurang lebih seperti sebuah kota. hay