Nothing will remain forever as a mystery. To unlock any mystery of the universe, God has given the key to human beings: science and wisdom. --- Ioanes Rakhmat
Mystery creates wonder and wonder is the basis of man's desire to understand --- Neil Armstrong
N.B. Diedit 24 September 2021
9 Oktober 2021. Updated 13 Oktober 2021
GRBs atau "ledakan-ledakan sangat kuat sinar gamma" (terjemahan alternatif: "pancaran-pancaran sangat kuat sinar gamma") yang tertangkap di Bumi dari kekelaman jagat raya sudah lama menjadi suatu misteri yang belum bisa dipecahkan para ilmuwan.
Banyak GRBs---sebagai suatu peristiwa astronomis yang melepaskan energi ledakan terkuat dan paling terang dalam jagat raya---seolah muncul dan tertangkap di Bumi dari "langit yang kosong" (empty space), lalu dalam sekejap menghilang.
Ya, "dari langit yang kosong", lantaran galaksi-galaksi yang menjadi sumber GRBs berlokasi sangat jauh dari Bumi, berjarak milyaran tahun cahaya dari planet kita, sehingga tak terobservasi.
Klik gambarnya untuk memperbesar.
GRBs dalam jagat raya yang paling misterius, seolah muncul begitu saja dari langit yang kosong, diyakini muncul dari bintang-bintang yang meledak (supernovae). Kawasan berwarna magenta (merah ungu) pada foto di atas menampilkan GRBs dari supernova Cassiopeia A. Sumber gambar LiveScience.
Sebuah ilustrasi artis GRBs. Sumber gambar Space.com.
Setelah GRB awal yang dapat tertangkap dalam beberapa detik, para ilmuwan juga menemukan sisa-sisa cahaya (atau "afterglow") GRB yang terus bergerak bergelombang ke muka, yang dapat bertahan sekian waktu, dari beberapa hari (yang dapat dideteksi dalam sinar-X), beberapa minggu, hingga beberapa bulan (yang dapat dideteksi dalam band atau frekuensi spektrum radio dan optik).
Ilustrasi suatu GRB yang sisa-sisa cahayanya atau "afterglow" (warna biru keunguan) tetap bertahan lama. Gambar DESY ("Deutsche Elektronen-Synchrotron", suatu pusat riset struktur materi di Jerman). Sumber gambar SciTechDaily, 8 Oktober 2021.
Sejauh ini, ada dua penjelasan terkemuka tentang penyebab GRBs di "langit yang kosong" yang telah diajukan para astronom.
Pertama, sinar-sinar gamma muncul ketika gas-gas jatuh ke dalam lubang-lubang hitam (black holes) supermassif yang terletak pada inti pusat semua galaksi dalam jagat raya.
Kita sudah tahu, gaya tarik gravitasional sebuah lubang hitam luarbiasa kuat, sehingga tidak ada suatu objekpun, termasuk cahaya, yang melewatinya yang tidak akan disedot atau dilahap olehnya.
Dalam skenario itu, di saat gas tersedot masuk ke dalam sebuah lubang hitam, sebagian kecil dari gas ini, yang telah terionisasi yang dinamakan plasma, lolos dari sedotan, lalu meradiasi atau memancar kuat sebagai semburan-semburan (atau "jets") materi yang besar dan bergerak hampir dalam kecepatan cahaya. Dipikirkan bahwa jet-jet atau semburan-semburan (yang diibaratkan sebagai "pipa-pipa kosmik") ini dapat menjadi sumber munculnya GRBs.
Pada kesempatan ini, saya pikir, penjelasan tentang "jets" atau "pipa-pipa kosmik" perlu diberikan. Saya tak boleh mengandaikan semua pembaca tulisan saya ini sudah mengetahuinya. Nah, paling baik adalah memberi sebuah ilustrasi mutakhir dulu. Perhatikan gambar artis di bawah ini.
Klik gambarnya untuk memperbesar
Gambar artis Quasar P172+18. Credit: ESO|eso2103a|M. Kornmesser|8 Maret 2021
Gambar disk merah yang berpusar spiral/eliptis di atas, dengan sebuah "black hole" pada pusatnya (tak terlihat, ada pada pusat disk yang putih terang benderang), adalah sebuah QUASAR (singkatan dari Quasi-Stellar Radio Source) yang diberi nama Quasar P172+18. Apa itu quasar?
Quasar adalah objek langit yang luarbiasa terang yang terbentuk ketika jagat raya kita masih berusia muda. Para astronom mulai memperhatikan quasar-quasar di akhir 1960-an dan di awal 1970-an. Pada masa-masa itu, mereka menemukan objek-objek sangat terang di lokasi langit yang sangat jauh dari Bumi, dan mereka melihat quasar-quasar "seperti bintang-bintang" (inilah arti "quasi-stellar") meskipun quasar samasekali bukan bintang.
Quasar sebetulnya adalah sebuah galaksi primordial (maksudnya: terbentuk tak lama setelah big bang yang terjadi 13,8 milyar tahun lalu, ketika jagat raya masih berusia sangat belia) yang pada intinya terdapat sebuah lubang hitam supermassif yang memiliki massa 300 juta kali massa bintang Matahari kita. Energi gravitasional (atau energi penyedot) dari sebuah lubang hitam yang supermassif pada pusat galaksi ini membuat setiap quasar memancarkan cahaya yang luarbiasa terang.
Mekanismenya begini: Di saat material-material sedang tersedot menuju suatu lubang hitam, material ini membentuk sebuah piringan disk yang dinamakan "disk akresi" atau "accretion disk" (pada gambar di atas, disk yang putih benderang) yang mengorbit sangat dekat pada sebuah black hole tersebut, tapi tidak/belum tertelan oleh black hole tersebut.
Selain itu, karena daya sedot setiap lubang hitam yang sangat kuat, maka, sesuai dengan namanya, disk akresi ini, sementara terus bergerak berpusar spiral/eliptis menuju lubang hitam, terus-menerus bertahap berkembang akumulatif dan makin besar, atau gradually accreting.
Disk akresi inilah yang dapat ditangkap oleh sebuah teleskop antariksa, sedangkan black hole-nya tidak bisa terekam karena cahaya ditelan olehnya, tidak dipantulkan, alhasil yang terlihat hanya sebuah lubang berwarna hitam. Apakah boleh diduga bahwa sebuah lubang hitam berisi super dark matter?
Nah, pasti terjadi friksi-friksi antarmaterial dalam disk akresi tersebut, yang membuat material plasma dipanaskan sehingga memancarkan cahaya yang luarbiasa terang.
Kendati sebuah lubang hitam memiliki energi gravitasional yang sangat kuat, ternyata sebagian partikel-partikel material yang tersedot ke dalam sebuah lubang hitam juga menghambur keluar, meradiasi, dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.
Semburan partikel-partikel yang terkonsentrasi inilah yang terlihat pada gambar artis di atas sebagai "pipa-pipa kosmik" yang diberi warna putih, memancar lurus ke atas dan ke bawah. Pipa-pipa kosmik ini sebenarnya adalah "radio jets" atau "semburan-semburan gelombang elektromagnetik radio" yang sangat kuat.
Ilustrasi "disk akresi" (warna putih terang) dengan di pusatnya terlihat sebuah lubang hitam yang menyemburkan "radio jet". Sumber gambar LiveScience, 24 September 2021.
Ini juga sebuah ilustrasi sebuah lubang hitam yang menyemburkan "radio jet". Credit: ESO|M. Kornmesser. Sumber image Fraser Cain.
Munculnya jet pada lubang-lubang hitam dapat dijelaskan lebih lanjut, berikut efek-efeknya.
Jika material yang sedang dilahap sebuah lubang hitam terlalu banyak, material ini tidak bisa ditelan habis sekaligus seketika. Sebagian material gas yang sedang ditelan, akan dimuntahkan dan disemburkan kembali dalam proses ini. Maka itu, ada ilmuwan yang menyebut lubang-lubang hitam sebagai "messy eaters".
Sisa-sisa yang tak termakan ini terlempar kembali dengan kuat ke ruang angkasa dalam bentuk suatu semburan atau jet.
Nah, jika semburan jet ini cukup kuat (berenergi kisaran petaelektronvolt atau PeV), secara teoretis jet ini akan menghasilkan suatu partikel subatomik yang dinamakan neutrino.
Menurut suatu studi mutakhir yang menggunakan model-model tentang proses-proses yang terjadi ketika materi jatuh atau tersedot ke dalam lubang-lubang hitam supermassif, neutrino yang berenergi besar juga dapat diciptakan oleh lubang-lubang hitam supermassif yang tidak terlalu aktif, atau yang tenang (“mellow” atau “quiet”), selain, tentu saja, oleh lubang-lubang hitam supermassif yang aktif (yang dinamakan Active Galactic Nuclei atau AGN) yang juga menimbulkan sinar gamma yang berenergi besar.
Nah, kita kembali ke quasar yang sudah disebut di atas. Setelah dikalkulasi, Quasar P172+18 (berukuran 171 x 60 tahun cahaya) berjarak 13 milyar tahun cahaya dari Bumi, dan sejauh sudah ditemukan quasar ini adalah quasar yang terjauh dari Bumi. Quasar ini tertangkap antara lain oleh Teleskop Sangat Besar ESO atau "ESO's Very Large Telescope" di Bumi ketika jagat raya kita baru berumur 780 juta tahun setelah big bang. Sedangkan "radio jets" quasar ini baru berusia 1.000 tahun, dan masih aktif sebagaimana diketahui dari radiasi radionya yang sangat kuat.
Sisa-sisa yang tak termakan ini terlempar kembali dengan kuat ke ruang angkasa dalam bentuk suatu semburan atau jet.
Nah, jika semburan jet ini cukup kuat (berenergi kisaran petaelektronvolt atau PeV), secara teoretis jet ini akan menghasilkan suatu partikel subatomik yang dinamakan neutrino.
Menurut suatu studi mutakhir yang menggunakan model-model tentang proses-proses yang terjadi ketika materi jatuh atau tersedot ke dalam lubang-lubang hitam supermassif, neutrino yang berenergi besar juga dapat diciptakan oleh lubang-lubang hitam supermassif yang tidak terlalu aktif, atau yang tenang (“mellow” atau “quiet”), selain, tentu saja, oleh lubang-lubang hitam supermassif yang aktif (yang dinamakan Active Galactic Nuclei atau AGN) yang juga menimbulkan sinar gamma yang berenergi besar.
Nah, kita kembali ke quasar yang sudah disebut di atas. Setelah dikalkulasi, Quasar P172+18 (berukuran 171 x 60 tahun cahaya) berjarak 13 milyar tahun cahaya dari Bumi, dan sejauh sudah ditemukan quasar ini adalah quasar yang terjauh dari Bumi. Quasar ini tertangkap antara lain oleh Teleskop Sangat Besar ESO atau "ESO's Very Large Telescope" di Bumi ketika jagat raya kita baru berumur 780 juta tahun setelah big bang. Sedangkan "radio jets" quasar ini baru berusia 1.000 tahun, dan masih aktif sebagaimana diketahui dari radiasi radionya yang sangat kuat.
Jet-jet radio Quasar P 172+18 yang tercipta di saat jagat raya masih berusia muda melemparkan atom-atom dan medan-medan magnetik ke ruang antargalaksi di masa usia dini jagat raya. Jet-jet quasar-quasar mengambil suatu peran dalam meregulasi pembentukan bintang-bintang dan perkembangan galaksi-galaksi inang mereka.
Nah, sekarang fokus pada penjelasan yang kedua, bahwa GRBs muncul dari ledakan-ledakan bintang-bintang atau supernovae, atau, ada yang menyebutnya super-supernovae.
Ketika bintang-bintang besar yang kehabisan bahan bakar meledak sangat dahsyat sebagai supernovae, ledakan-ledakan ini dapat melentingkan partikel-partikel di sekitarnya sehingga bergerak nyaris dalam kecepatan cahaya.
Partikel-partikel yang berenergi luar biasa besar ini--- yang dinamakan sinar-sinar kosmik atau cosmic rays--- dapat bertabrakan dengan partikel-partikel lain yang berhamburan dari kawasan-kawasan gas yang tak terobservasi, di antara bintang-bintang. Tabrakan-tabrakan ini menghasilkan sinar gamma.
Dalam suatu studi yang baru, satu tim ilmuwan mengarahkan fokus mereka pada penjelasan yang kedua ini. Tim ini dipimpin Dr. Matt Roth, astrofisikawan dari Australian National University Research School of Astronomy and Astrophysics. Artikel riset tim ini telah diterbitkan di jurnal Nature 597, 15 September 2021, hlm. 341-344.
Mereka membangun model interaksi-interaksi antara sinar-sinar kosmik dan gas antarbintang dalam beranekaragam galaksi yang sedang membentuk bintang-bintang.
Mereka menemukan bahwa kecepatan emisi sinar gamma dipengaruhi oleh beberapa faktor kunci, termasuk ukuran galaksi, kecepatan pembentukan bintang (yang berdampak pada kecepatan terjadinya supernova) dan energi awal sinar-sinar kosmik yang diciptakan oleh masing-masing supernova.
Mereka membangun model emisi sinar gamma dari semua galaksi dalam jagat raya, lalu menemukan bahwa bagian terbesar GRBs yang muncul dari langit yang kosong dihasilkan di dalam galaksi-galaksi yang sedang membentuk bintang-bintang, persisnya oleh ledakan-ledakan bintang-bintang yang massif dalam disk-disk galaksi-galaksi yang sangat jauh.
Sebuah peta langit sinar gamma, yang diambil dengan Teleskop Antariksa Sinar-gamma Fermi, kepunyaan NASA. Sumber foto LiveScience.
Ketika tim peneliti ini sudah memiliki sebuah model yang memprediksi besaran kecepatan GRBs untuk setiap ukuran galaksi, mereka membandingkan model mereka dengan suatu survei real radiasi sinar gamma yang dikompilasi oleh Teleskop Antariksa Sinar-gamma Fermi milik NASA. Selain itu, data yang telah dihimpun oleh Teleskop Antariksa Hubble NASA juga dimanfaatkan.
Nah, para peneliti itu menemukan bahwa kalkulasi-kalkulasi matematis mereka cocok dengan observasi-observasi NASA dan bahwa ledakan-ledakan bintang-bintang di dalam galaksi-galaksi yang sedang membentuk bintang-bintang dapat menjelaskan kebanyakan, jika tidak semua, GRBs di langit yang kosong.
Dus, temuan mereka ini adalah suatu tonggak sejarah yang signifikan, yang memecahkan suatu misteri jagat raya yang sejak tahun 1960-an sudah berusaha dikuak para astronom.
ioanes rakhmat
22 September 2021
Updated 13 Oktober 2021
References
Brandon Specktor, "Scientists finally have an explanation for the most energetic explosions in the universe", LiveScience, 22 September 2021, https://www.livescience.com/empty-sky-gamma-ray-burst-supernova-emissions.
Matt A. Roth, Mark R. Krumholz,..., Silvia Celli, "The diffuse gamma-ray background is dominated by star-forming galaxies", Nature 597 (15 September 2021), hlm. 341-344, https://www.nature.com/articles/s41586-021-03802-x.
ANU, "Astrophysicists solve 'empty sky' gamma-ray mystery", ANU, 16 September 2021, https://www.anu.edu.au/news/all-news/astrophysicists-solve-empty-sky-gamma-ray-mystery.
National Radio Astronomy Observatory/Karl G. Jansky, "New Clues About Early Universe From Black Hole Powered Cosmic Jet 13 Billion Light-Years From Earth", SciTechDaily, 10 March 2021,
https://scitechdaily.com/new-clues-about-early-universe-from-black-hole-powered-cosmic-jet-13-billion-light-years-from-earth/amp/.
Juga ESO, "Artist's rendering of quasar P172+18", Eso.org., 8 Maret 2021, https://www.eso.org/public/images/eso2103a/.
https://scitechdaily.com/new-clues-about-early-universe-from-black-hole-powered-cosmic-jet-13-billion-light-years-from-earth/amp/.
Juga ESO, "Artist's rendering of quasar P172+18", Eso.org., 8 Maret 2021, https://www.eso.org/public/images/eso2103a/.
Max Planck Institute, "The Strange Afterglow of a Gamma-Ray Burst--- Unusual Features Challenge Models", SciTechDaily, 8 Oktober 2021, https://scitechdaily.com/the-strange-afterglow-of-a-gamma-ray-burst-unusual-features-challenge-models/.
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, “Did a black hole eating a star generate a neutrino? Unlikely, new study shows”, Phys.org, 13 October 2021, https://phys.org/news/2021-10-black-hole-star-neutrino.html.
Sam Jarman, “Mellow supermassive black holes could be creating mysterious cosmic particles”, Physicsworld, 10 October 2021, https://physicsworld.com/a/mellow-supermassive-black-holes-could-be-creating-mysterious-cosmic-particles/.
Artikel riset Shigeo S. Kimura, Kohta Murose, Péter Mészáros, “Soft gamma rays from low accreting supermassive black holes and connection to energetic neutrinos”, Nature Communication 12, article number 5615 (2021), published online 23 September 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-25111-7.
Artikel riset Shigeo S. Kimura, Kohta Murose, Péter Mészáros, “Soft gamma rays from low accreting supermassive black holes and connection to energetic neutrinos”, Nature Communication 12, article number 5615 (2021), published online 23 September 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-25111-7.
