Kematian Matahari

Bagaimana Matahari akan membengkak menjadi raksasa merah, lalu memudar menjadi katai putih

Langkah demi langkah

Matahari hari ini

Matahari berusia 4,6 miliar tahun, kira-kira separuh umurnya. Setiap detik intinya mengubah sekitar 600 juta ton hidrogen menjadi helium, dan energi yang dilepaskan membuatnya terus bersinar.

Jauh di dalam inti, pada sekitar 15 juta °C, inti-inti hidrogen bertabrakan dan menyatu menjadi helium. Setiap kali, sedikit massa hilang dan menjadi energi, seperti kata E = mc² Einstein: sekitar empat juta ton setiap detik. Energi itu butuh ribuan tahun untuk merambat keluar ke permukaan yang kita lihat.

Tak seorang pun bisa menunggu miliaran tahun untuk melihat bintang menua, tetapi memang tak perlu. Langit penuh bintang bermassa kira-kira seperti Matahari, tertangkap di setiap tahap kehidupan, dari baru lahir hingga mati. Model komputer tentang cara kerja bintang, yang diuji dengan semuanya, menceritakan kisah berikut.

Ukuran, suhu, dan waktu di sini berasal dari salah satu model Matahari semacam itu, karya Klaus-Peter Schröder dan Robert Connon Smith, yang mengikutinya sampai ia melepaskan lapisan luarnya yang terakhir.

Makin lama makin terang

Saat helium menumpuk di intinya, Matahari perlahan makin terang, sekitar 10% setiap miliar tahun. Dalam sekitar satu miliar tahun, itu cukup untuk mendidihkan lautan Bumi hingga habis.

Helium, abu dari api Matahari, menumpuk di inti. Itu memampatkan inti lebih kuat dan memanaskannya, sehingga hidrogen menyatu lebih cepat dan Matahari bersinar lebih terang. Saat lahir, ia hanya bersinar sekitar 70% seterang sekarang.

Cincin hijau adalah zona layak huni, tempat planet seperti Bumi dapat mempertahankan air cair. Saat Matahari makin terang, cincin itu bergeser ke luar. Dalam sekitar satu miliar tahun tepi dalamnya melewati Bumi: udara dipenuhi uap air yang menahan lebih banyak panas, dan lautan mulai mendidih. Tinggi di udara, sinar Matahari memecah air, dan hidrogennya lepas ke luar angkasa.

Pada akhir tahap ini, sekitar 5,4 miliar tahun dari sekarang, Matahari akan hampir dua kali lebih terang daripada hari ini, dan zona layak huni akan bergeser sampai ke orbit Mars.

Inti kehabisan bahan bakar

Dalam sekitar 5,4 miliar tahun hidrogen di inti habis. Inti menyusut dan memanas, hidrogen terus terbakar di lapisan kulit di sekelilingnya, dan lapisan luar Matahari mulai membengkak.

Tanpa bahan bakar di tengah, inti helium tak mampu menopang dirinya dan mulai menyusut. Pemampatan memanaskannya, dan panas itu menyulut hidrogen di lapisan tipis di sekelilingnya, yang terbakar lebih cepat daripada inti dulu.

Energi tambahan itu mendorong lapisan luar Matahari ke luar. Lapisan itu mendingin saat menyebar, sehingga Matahari berubah dari putih kekuningan menjadi jingga. Lingkaran putus-putus menunjukkan ukurannya hari ini.

Setiap bintang sampai di titik ini begitu hidrogen di intinya habis, dan makin berat bintangnya, makin cepat. Bintang bermassa dua kali Matahari sampai di sini dalam sekitar satu miliar tahun; katai merah terkecil akan terus bersinar selama triliunan tahun, jauh lebih lama daripada umur alam semesta sejauh ini.

Raksasa merah

Gravitasi di permukaannya akan sekitar seratus ribu kali lebih lemah daripada hari ini. Di sana gas mendidih naik dalam beberapa sel raksasa, masing-masing hampir selebar jarak Bumi ke Matahari. Pada 2017 teleskop VLT di Chili melihat sel seperti ini pada raksasa merah π¹ Gruis.

Karena dipegang begitu lemah, permukaannya mudah tertiup pergi. Angin kencang membawa sepertiga massa Matahari sebelum ia mencapai ukuran terbesarnya. Dengan massa yang menarik lebih sedikit, orbit planet-planet melebar.

Nasib Bumi

Jauh sebelum itu, Bumi akan menjadi dunia yang hangus dan meleleh: begitu Matahari seribu kali lebih terang daripada sekarang, panas yang sampai ke Bumi cukup untuk melelehkan batuan.

Planet yang dekat dengan bintang raksasa menimbulkan tonjolan padanya, seperti Bulan menimbulkan pasang di lautan Bumi. Tarikan tonjolan itu memperlambat planet, dan planet itu jatuh berpilin ke dalam. Dalam model Schröder dan Smith, ini mengalahkan pelebaran orbit Bumi, dan Bumi ditelan sejuta tahun setelah Venus.

Model lain, dengan jumlah kehilangan massa yang berbeda, membiarkan Bumi lolos di orbit yang lebih lebar. Persaingannya ketat, dan jawabannya bergantung pada cara raksasa kehilangan massa, yang masih terus diukur.

Kilatan helium

Di puncaknya, inti mencapai sekitar 100 juta °C dan heliumnya mulai menyatu sekaligus, dalam satu kilatan. Lalu Matahari menyusut menjadi sekitar 11 kali ukurannya sekarang dan membakar helium selama lebih dari seratus juta tahun.

Helium butuh sekitar 100 juta °C untuk menyatu menjadi karbon dan oksigen. Saat itu inti helium Matahari sudah begitu padat sehingga pemanasan tidak membuatnya mengembang lalu mendingin seperti gas. Jadi begitu helium mulai menyatu, prosesnya tak terkendali: selama beberapa detik inti menghasilkan energi kira-kira sebanyak satu galaksi utuh.

Tak ada yang keluar. Energinya dipakai untuk melonggarkan inti, dan tak ada yang tampak di permukaan. Lalu inti membakar heliumnya dengan tenang, dan Matahari mereda, jauh lebih kecil daripada saat menjadi raksasa merah, meski masih sekitar 50 kali lebih terang daripada hari ini.

Bintang pada tahap ini umum. Dalam diagram warna dan kecerahan bintang, mereka berkumpul dalam satu gumpalan, atau di gugus bintang tua berjajar dalam satu pita yang disebut para astronom cabang horizontal.

Raksasa lagi

Saat helium di inti juga habis, Matahari kembali membengkak menjadi raksasa, kini mengelilingi inti karbon dan oksigen. Kira-kira setiap seratus ribu tahun lapisan-lapisannya yang terbakar menyala, dan ia melontarkan lapisan luarnya.

Kini helium terbakar di lapisan kulit di sekeliling inti karbon dan oksigen, dan hidrogen di lapisan lain di luarnya. Keduanya bergantian: lapisan hidrogen menumpuk helium sampai lapisan helium menyala, disebut denyut termal, lalu semuanya tenang lagi.

Kali ini Matahari tumbuh menjadi sekitar 180 kali ukurannya sekarang, lebih kecil daripada saat menjadi raksasa merah, sehingga Mars dan planet-planet di luarnya selamat. Ia kehilangan hampir seperlima massa yang tersisa, dalam angin gas dan debu yang lambat.

Raksasa sekarat seperti ini diselubungi cangkang gas dan debu. Di sekitar raksasa merah R Sculptoris, teleskop ALMA melihat cangkang yang terlontar dalam salah satu denyut ini. Sebagian besar debu di galaksi kita terbentuk dalam angin seperti ini.

Awan yang berpendar

Nebula planeter tidak ada hubungannya dengan planet: di teleskop awal mereka tampak bulat, seperti planet. Ribuan dikenal di galaksi kita, masing-masing napas terakhir bintang seperti Matahari.

Inti yang tersingkap bersinar terutama dalam cahaya ultraungu, yang merenggut elektron dari atom-atom di gas. Saat atom menangkap elektron lagi, setiap unsur berpendar dengan warnanya sendiri: oksigen hijau kebiruan di dekat inti yang panas, hidrogen dan nitrogen merah lebih jauh di luar. Warna di sini mengikuti pola itu, seperti nebula sungguhan.

Lama para astronom mengira bintang seringan Matahari tidak dapat membentuk nebula yang terlihat: intinya akan memanas terlalu lambat, dan gasnya akan menyebar sebelum diterangi. Model yang lebih baru, terbit tahun 2018, menunjukkan bahwa inti itu memanas cukup cepat. Nebula Matahari akan redup, tetapi cukup terang untuk terlihat dari galaksi lain.

Gas melesat ke luar dengan kecepatan puluhan kilometer per detik. Setelah sekitar 10.000 tahun gas itu terlalu tipis untuk berpendar, lalu menyebar ke galaksi, tempat suatu hari mungkin menjadi bagian dari bintang dan planet baru.

Katai putih

Katai putih begitu padat sehingga satu sendok teh bahannya akan seberat kira-kira sebuah mobil. Tak ada yang menopangnya selain elektronnya: dipadatkan sedekat yang diizinkan alam, elektron itu menolak ditekan lebih rapat.

Ada batas pada apa yang dapat ditopang elektron. Tak ada katai putih yang lebih berat daripada sekitar 1,4 Matahari: di atas itu bahkan elektron pun menyerah, dan bintang itu runtuh lebih jauh.

Sirius B, pendamping bintang paling terang di langit malam, adalah katai putih seperti ini, kira-kira semassa Matahari dan lebih kecil daripada Bumi.

Perlahan meredup

Planet-planet yang selamat mengitari katai putih pada orbit yang hampir dua kali lebih lebar daripada sekarang. Selama miliaran tahun ia mendingin dan meredup. Belum ada katai putih di alam semesta yang sempat menjadi gelap.

Katai putih hanya bersinar dengan panas yang tersisa. Mula-mula ia mendingin cepat, lalu makin lama makin lambat. Katai putih tertua yang diketahui sudah mendingin selama sekitar sepuluh miliar tahun dan masih berpendar redup. Mendingin menjadi katai hitam yang dingin dan gelap akan butuh waktu jauh lebih lama daripada umur alam semesta sejauh ini.

Banyak katai putih kejatuhan debu batuan, puing asteroid dan planetnya. Sebagian masih punya planet: pada 2020 ditemukan planet seukuran Jupiter yang mengitari katai putih WD 1856+534.