Dua bintang neutron bertabrakan

Bagaimana dua bintang mati bertabrakan, menempa emas, dan terdengar sekaligus terlihat dari Bumi 130 juta tahun kemudian

Tonton dalam 3D

Langkah demi langkah

Dua bintang neutron

Masing-masing adalah sisa ketika inti sebuah bintang masif runtuh dalam supernova: massa lebih besar dari Matahari, dipadatkan menjadi bola seukuran kota dan sebagian besar terdiri dari neutron. Gravitasinya begitu kuat sehingga cahaya dari sisi belakangnya membelok ke arah kita, jadi keduanya tampak sekitar seperempat lebih besar dari aslinya.

Masing-masing lahir dalam supernovanya sendiri, tetapi keduanya tetap terikat satu sama lain. Sejak itu orbit mereka terus menyusut, dan di sini tersisa sedikit lebih dari satu jam. Keduanya berada di NGC 4993, galaksi di rasi Hydra.

Riak di ruang

Sambil berputar, mereka mengguncang ruang itu sendiri. Gelombang gravitasi menyebar secepat cahaya, meregangkan ruang ke satu arah dan memampatkannya ke arah lain, dua kali setiap putaran.

Gelombang membawa pergi energi, dan energi itu diambil dari orbit, sehingga bintang-bintang makin dekat dan berputar makin cepat. Bintang neutron jauh lebih ringan daripada lubang hitam yang penggabungannya terdengar pertama kali, jadi gelombangnya lebih lemah dan spiralnya jauh lebih lambat.

Di sini gelombang digambar pada bidang orbit, emas di tempat ruang teregang dan biru di tempat ruang termampatkan. Pada tahap ini gelombang naik turun enam kali per detik, dan masing-masing panjangnya sekitar 50.000 km, empat kali lebar Bumi.

Makin lama makin cepat

Waktu dipercepat: selama satu jam berikutnya kedua bintang mendekat dari 1.000 km menjadi 400 km dan makin cepat hingga 12 putaran per detik. Kini gelombangnya cukup cepat untuk didengar LIGO dan Virgo.

Makin dekat, makin cepat geraknya dan makin kuat gelombangnya, sehingga orbit menyusut makin cepat. Dari sini kedua bintang tinggal punya 100 detik, dan dalam waktu itu mereka akan berputar hampir 2.000 kali lagi.

Nada gelombang adalah dua kali jumlah putaran orbit per detik. Pada 24 getaran per detik, kedua bintang masuk jangkauan pendengaran dua detektor LIGO di Amerika Serikat dan Virgo di Italia, yang menangkap gelombang dari sekitar sepuluh hingga beberapa ribu getaran per detik.

100 detik terakhir

Waktu dipercepat, lalu diperlambat: dalam 100 detik terakhir kedua bintang mendekat dari 400 km hingga hampir bersentuhan, dan nada gelombang naik dari 24 menjadi lebih dari seribu getaran per detik.

Inilah yang didengar LIGO dan Virgo: ribuan getaran selama sekitar 100 detik, makin tinggi dan makin kuat, chirp yang jauh lebih panjang daripada sepersekian detik dari penggabungan lubang hitam. Diubah menjadi suara, bunyinya naik seperti kicau burung.

Chirp yang panjang memungkinkan para ilmuwan menimbang bintang-bintang itu dengan tepat. Paduan massa mereka yang menentukan seberapa cepat nada naik ternyata 1,19 massa Matahari, dengan ketelitian seperseribu massa Matahari; massa masing-masing kurang pasti, sekitar 1,46 dan 1,27 massa Matahari jika, seperti yang mungkin, bintang-bintang itu berputar lambat.

Tercabik

Diperlambat sekitar 2.000 kali: teregang oleh tarikan satu sama lain, kedua bintang bersentuhan pada 40% kecepatan cahaya. Gaya pasang surut merobek lengan-lengan materi dari keduanya, yang terlempar hingga seperempat kecepatan cahaya.

Sisi dekat tiap bintang ditarik lebih kuat oleh bintang lainnya daripada sisi jauhnya, dan pada putaran terakhir gaya pasang surut mengubah bentuk keduanya. Saat bertabrakan, lapisan luarnya terkoyak dan terlempar dalam dua lengan melengkung, seperti air dari penyiram taman yang berputar.

Di tempat keduanya bertemu, benturan menekan dan memanaskan materi hingga ratusan miliar derajat, dan lebih banyak materi menyembur keluar, paling cepat ke arah kutub. Apa yang sebenarnya terjadi di sini hanya diketahui dari simulasi superkomputer, dan bentuk yang ditampilkan hanya mengikutinya secara kasar.

Terlalu berat untuk bertahan

Keduanya menjadi satu bintang bermassa sekitar 2,7 Matahari yang berputar ratusan kali per detik. Terlalu berat untuk menopang dirinya lama, ia runtuh menjadi lubang hitam yang dikelilingi piringan puing.

Awalnya hanya putarannya yang cepat dan panasnya yang menopang bintang gabungan itu. Bintang neutron terberat yang pernah ditemukan massanya hanya sedikit di atas dua Matahari, dan cahaya tabrakan ini menunjukkan bintang gabungan itu runtuh dalam sepersekian detik menjadi lubang hitam selebar sekitar 15 km.

Gas yang tetap mengitarinya membentuk piringan panas yang tebal, yang ditelan atau ditiup lubang hitam dalam sekitar satu detik. Di sini waktu mula-mula diperlambat, lalu dipercepat, dan awan materi yang terlempar digambar tembus pandang agar bintang dan lubang hitamnya terlihat.

Semburan sinar gamma

Di sepanjang sumbunya, semburan sempit melesat hampir secepat cahaya. Sinar gammanya, yang di sini digambar ungu, tiba di Bumi 1,7 detik setelah gelombang.

Semburan itu kemungkinan digerakkan oleh putaran lubang hitam dan medan magnet piringan. Ia harus menembus materi yang sudah terlempar lebih dulu. Sinar gammanya, terlalu berenergi untuk dilihat mata mana pun, adalah kilatan singkat yang oleh astronom disebut ledakan sinar gamma pendek.

Satelit Fermi milik NASA menangkapnya, GRB 170817A, sekitar dua detik panjangnya. Ledakan ini luar biasa redup karena semburannya tidak mengarah ke kita: citra radio kemudian menunjukkan arahnya sekitar 20 derajat ke samping. Tiba 1,7 detik setelah gelombang, setelah 130 juta tahun perjalanan, ia menunjukkan bahwa gravitasi merambat secepat cahaya, dengan ketelitian satu bagian dalam 10¹⁵.

Sebuah kilonova

Waktu dipercepat: materi yang terlempar, sekitar 20.000 kali massa Bumi, bercahaya saat unsur-unsur berat baru di dalamnya meluruh. Cahaya ini, sebuah kilonova, bersinar seperti ratusan juta Matahari.

Atom-atom yang baru terbentuk tidak stabil dan meluruh selama berjam-jam dan berhari-hari, memanaskan awan dari dalam. Ia bersinar sekitar seribu kali lebih terang daripada nova, letusan di permukaan katai putih, maka dinamai kilonova pada 2010. Inilah kilonova pertama yang pernah terlihat.

Saat pertama kali terlihat, sebelas jam setelah tabrakan, ia bersinar seperti sekitar 270 juta Matahari dan sudah mulai meredup. Jam-jam pertamanya tidak teramati, jadi di sini mengikuti model. Warnanya putih kebiruan, sekitar 10.000 derajat, dan mengembang hampir sepertiga kecepatan cahaya.

Emas dan platina

Hari demi hari dipercepat: ia mendingin dari putih kebiruan menjadi merah lalu meredup. Cahayanya menunjukkan pembentukan unsur-unsur yang lebih berat dari besi: stronsium ditemukan di dalamnya, dan emas serta platina juga terbentuk.

Pada detik pertama setelah tabrakan, materi yang terlempar begitu kaya neutron sehingga atom-atom menelannya lebih cepat daripada kemampuannya meluruh, membangun unsur-unsur yang jauh lebih berat dari besi. Inilah proses cepat, atau proses r; sekitar separuh unsur yang lebih berat dari besi diduga terbentuk dengan cara ini.

Atom-atom berat yang disebut lantanida, yang terbentuk bersama emas dan platina, menghalangi cahaya biru, sehingga ketika awan menipis cahayanya berubah merah lalu inframerah. Stronsium teridentifikasi dalam cahayanya pada 2019. Berapa banyak emas yang terbentuk kurang pasti: perkiraannya berkisar dari beberapa hingga beberapa ratus kali massa Bumi.

Terlihat dari Bumi

Pada 17 Agustus 2017 pukul 12.41 UTC, gelombang itu melintasi Bumi, dan 1,7 detik kemudian sinar gammanya. Sebelas jam setelahnya, sebuah teleskop di Chili menemukan cahaya baru di galaksi NGC 4993.

Dua detektor LIGO dan Virgo bersama-sama mempersempit sumbernya ke sepetak langit seluas sekitar 130 kali luas Bulan, di rasi Hydra, sekitar 130 juta tahun cahaya jauhnya. Teleskop di seluruh dunia menyisir galaksi-galaksi di sana begitu malam tiba.

Teleskop Swope di Las Campanas, Chili, menemukannya pertama kali: titik cahaya baru di dekat pusat NGC 4993. Dalam beberapa hari, sekitar 70 observatorium di ketujuh benua dan di luar angkasa telah mengamatinya, dari sinar gamma hingga gelombang radio. Galaksi di sini digambar dari model sederhana.

Terdengar dan terlihat

Inilah pertama kalinya satu peristiwa yang sama terdengar lewat gelombang gravitasi sekaligus terlihat dalam cahaya. Peristiwa ini menunjukkan di mana sebagian besar emas di alam semesta terbentuk.

Peristiwa ini membuktikan bahwa tabrakan bintang neutron memicu ledakan sinar gamma pendek dan menempa unsur-unsur berat, dan bahwa gelombang gravitasi merambat secepat cahaya. Kekuatan gelombang memberi jaraknya, dan kecepatan galaksi menjauhi kita memberi cara baru untuk mengukur seberapa cepat alam semesta mengembang.

Beberapa hari kemudian muncul sinar X, lalu gelombang radio: pijar susulan dari semburan itu, yang terus makin terang selama berbulan-bulan. Pada 2019 detektor mendengar sepasang bintang neutron lain bertabrakan, tetapi tidak ada cahaya yang ditemukan. Hingga 2025, inilah satu-satunya tabrakan yang terdengar sekaligus terlihat.