Bintang masif meledak

Bagaimana bintang yang berkali-kali lebih berat daripada Matahari runtuh dan meledakkan dirinya

Langkah demi langkah

Sebuah maharaksasa

Bintang masif hidup cepat. Bintang ini lahir dengan massa sekitar 18 kali Matahari dan membakar bahan bakarnya begitu ganas sehingga bersinar sekitar 90.000 kali lebih terang daripada Matahari. Seluruh hidupnya hanya sekitar sepuluh juta tahun, seperseribu umur Matahari.

Lapisan luarnya begitu menggembung dan renggang sehingga hanya beberapa sel raksasa gas mendidih menutupi seluruh permukaannya, masing-masing berkali-kali lebih lebar daripada Matahari.

Betelgeuse, di Orion, adalah bintang seperti itu, sekitar 550 tahun cahaya jauhnya. Ia akan meledak suatu saat dalam 100.000 tahun ke depan: sekejap bagi sebuah bintang, tetapi kemungkinan besar tidak semasa hidup kita.

Berlapis seperti bawang

Di dalamnya ia tersusun berlapis. Di sekitar inti besi terdapat kulit silikon, oksigen dan neon, karbon dan helium, masing-masing abu dari bahan bakar yang menyala di luarnya, semuanya terbungkus selubung hidrogen yang sangat besar.

Bintang bersinar dengan memadukan unsur ringan menjadi unsur yang lebih berat. Ketika hidrogen di pusatnya habis, inti menyusut dan memanas sampai mampu membakar abu helium, menghasilkan karbon dan oksigen. Setiap kali satu bahan bakar habis, inti menyusut, makin panas, dan mulai membakar abu bahan bakar sebelumnya: karbon, lalu neon, oksigen, dan silikon.

Setiap bahan bakar terus menyala di kulit tipis tepat di luar inti, sehingga bintang akhirnya berlapis-lapis seperti bawang. Lapisan-lapisannya digambar kira-kira sesuai skala: hampir seluruh lebar bintang adalah hidrogen, dan semua yang lain terjejal di inti yang kira-kira hanya sebesar Matahari.

Memperbesar tampilan menunjukkan seberapa dalam lapisan itu: besi di pusatnya sekitar seratus ribu kali lebih sempit daripada bintang itu.

Makin lama makin cepat

Setiap bahan bakar baru habis lebih cepat daripada sebelumnya: hidrogen bertahan sekitar 8 juta tahun, helium sejuta, karbon seribu, neon dan oksigen masing-masing sekitar setahun, dan silikon hanya sekitar sepuluh hari.

Bahan bakar yang lebih berat memberi energi lebih sedikit setiap kali berpadu, dan inti harus lebih panas agar bisa memadukannya. Pada suhu seperti itu inti juga kehilangan energi sebagai neutrino yang langsung terbang keluar dari bintang, jadi ia harus membakar makin cepat hanya untuk menopang dirinya.

Saat membakar silikon, pada sekitar 3 miliar derajat, inti menghabiskan bahan bakarnya dalam hitungan hari. Dari luar tak ada yang tahu: permukaan bintang berubah terlalu lambat untuk memperlihatkan intinya yang melaju menuju akhir.

Waktu-waktu ini milik bintang bermassa sekitar 20 Matahari dalam model Woosley, Heger, dan Weaver; bintang yang lebih berat melewatinya lebih cepat lagi.

Inti besi

Inti atom besi termasuk yang paling kuat terikat. Memadukannya menjadi sesuatu yang lebih berat, atau memecahnya menjadi sesuatu yang lebih ringan, sama-sama memerlukan energi. Maka besi menumpuk di tengah sebagai abu mati, tanpa ada yang membakarnya.

Inti hanya ditopang oleh elektronnya, yang terjepit begitu rapat sehingga balas mendorong: tekanan yang sama yang menopang katai putih. Tekanan itu hanya sanggup menahan sekitar 1,4 kali massa Matahari, dan silikon yang terbakar di sekeliling inti terus menambahkan besi.

Lingkaran putus-putus adalah Bumi, dengan skala yang sama. Ke dalam bola yang lebih kecil daripada planet kita, inti menjejalkan massa yang lebih besar daripada Matahari.

Runtuh

Saat inti terjepit, elektron dipaksa masuk ke proton, mengubahnya menjadi neutron dan melepaskan neutrino. Dengan makin sedikit elektron yang melawan, keruntuhan justru makin cepat. Bagian bintang lainnya tak sempat menyadarinya: baginya, belum terjadi apa-apa.

Gravitasi inti itu sendiri yang bekerja, dan ia melepaskan energi yang luar biasa: beberapa ratus kali lebih banyak daripada yang akan dipancarkan Matahari sepanjang hidupnya yang sepuluh miliar tahun, dalam waktu kurang dari sedetik.

Dalam waktu kurang dari sekejap mata, inti menyusut dari hampir seukuran Bumi, lingkaran putus-putus itu, menjadi bola selebar beberapa puluh kilometer: calon bintang neutron.

Pantulan

Pada kerapatan inti atom, inti yang jatuh menjadi kaku dan memantul, mengirim gelombang kejut ke luar. Bintang neutron lahir, dan 10⁵⁸ neutrino menyembur darinya, membawa pergi 99% energinya.

Materi sepadat ini terjejal serapat yang dimungkinkan: satu sendok teh akan berbobot sekitar satu miliar ton. Ketika inti dalam mencapainya, ia tak bisa dimampatkan lagi, dan gas yang masih jatuh ke atasnya terpental seperti bola memantul dari dinding.

Neutrino nyaris tidak berinteraksi dengan apa pun: triliunan dari Matahari menembus tubuhmu setiap detik. Bahkan neutrino pun diperlambat oleh himpitan ini, tetapi dalam sekitar sepuluh detik semuanya lolos, membawa hampir seluruh energi keruntuhan.

Hanya neutrino yang pernah tertangkap datang langsung dari inti yang runtuh: pada 1987, detektor di Jepang, Amerika Serikat, dan Rusia menangkap sekitar dua lusin neutrino dari SN 1987A, beberapa jam sebelum cahayanya tiba.

Gelombang kejut macet, lalu lepas

Dalam beberapa perseratus detik, gelombang kejut kehilangan dorongan dan macet sekitar 150 km dari pusat. Neutrino memanaskan gas di belakangnya hingga mendidih, dan setelah beberapa persepuluh detik gelombang itu lepas.

Gelombang kejut menghabiskan energinya untuk memecah inti-inti besi yang jatuh ke atasnya, lalu terhenti. Selama puluhan tahun model komputer supernova gagal tepat di sini: dalam model sederhana, bintang sama sekali tidak meledak.

Jawabannya ada pada neutrino. Gas di belakang gelombang kejut menangkap beberapa persen energinya, mendidih dan bergolak dalam gelembung-gelembung raksasa, dan mendorong gelombang kejut ke luar sampai lepas. Hanya simulasi tiga dimensi di sejumlah superkomputer terbesar yang dapat menangkap ini, dan di dalamnya bintang kini meledak.

Setelah lepas, gelombang kejut menyapu lapisan-lapisan bintang dengan kecepatan ribuan kilometer per detik.

Terobosan

Sekitar sehari kemudian gelombang kejut mencapai permukaan bintang dan menembusnya dalam kilatan cahaya ultraungu yang berlangsung sekitar setengah jam. Seluruh bintang tercerai-berai.

Hanya satu kilatan seperti ini yang tertangkap saat bermula: pada 2008 satelit Swift kebetulan sedang mengamati sebuah galaksi ketika gelombang kejut supernova SN 2008D menembus keluar, bersinar dalam sinar-X selama sekitar lima menit.

Pada bintang sebesar ini gelombang kejut butuh sekitar sehari untuk keluar. Bintang SN 1987A lebih kecil, sebuah maharaksasa biru, dan cahayanya mulai sekitar tiga jam setelah neutrino.

Lapisan luar bintang, lebih dari sepuluh Matahari gas, terlempar dengan kecepatan sekitar 10.000 km/detik.

Sebuah supernova

Selama berbulan-bulan satu bintang ini bersinar seperti ratusan juta Matahari, cukup terang untuk terlihat dari sebagian besar alam semesta.

Pendar panjang dan tetap itu berasal dari hidrogen yang dilontarkannya. Dipanaskan ledakan, gas mendingin saat menyebar, dan cahayanya lolos dari luar ke dalam. Setelah itu selesai, cahaya berasal dari nikel-56 hasil ledakan, yang meluruh menjadi kobalt lalu besi, memanaskan puing-puing.

SN 1987A, 168.000 tahun cahaya jauhnya di Awan Magellan Besar, adalah supernova terdekat yang terlihat sejak teleskop ditemukan, cukup terang untuk dilihat dengan mata telanjang.

Debu bintang

Berabad-abad kemudian puing-puingnya menjadi cangkang selebar bertahun-tahun cahaya, kaya akan oksigen, silikon, kalsium, dan besi yang dibuat di dalam bintang itu. Di jantungnya berputar bintang neutron.

Sisa supernova terus membesar sambil membajak gas di sekitarnya, dan bersinar dalam sinar-X di tempat gelombang kejutnya memanaskan gas itu hingga jutaan derajat. Cassiopeia A, 11.000 tahun cahaya jauhnya, adalah salah satunya, berumur sekitar 340 tahun dan selebar 10 tahun cahaya; warna di sini mengikuti unsur-unsur yang dipetakan Chandra di dalamnya.

Seiring waktu puing-puing bercampur dengan gas galaksi, tempat bintang dan planet baru terbentuk. Sebagian besar oksigen yang kita hirup, dan sebagian besi dalam darah kita, dibuat di bintang seperti ini dan disebarkan oleh ledakan seperti ini.

Bintang neutron yang tertinggal dapat bersinar sebagai pulsar, seperti di Nebula Kepiting, sisa supernova yang terlihat pada 1054. Inti bintang yang lebih berat bisa runtuh lebih jauh lagi, menjadi lubang hitam.