Material Rahasia Ditemukan pada Kekuatan Supernova

Material Rahasia Ditemukan pada Kekuatan Supernova: Simulasi komputer tiga dimensi telah memecahkan misteri mengapa bintang-bintang yang hancur bisa meledak


Material Rahasia Ditemukan pada Kekuatan Supernova

Pada tahun 1987, sebuah bintang raksasa meledak tepat di sebelah galaksi Bima Sakti kita. Itu adalah supernova paling terang dan terdekat sejak penemuan teleskop sekitar empat abad sebelumnya, dan hampir setiap observatorium berpaling untuk melihatnya. Mungkin yang paling menarik, observatorium khusus yang terkubur jauh di bawah tanah menangkap partikel subatomik yang disebut neutrino yang mengalir keluar dari ledakan.

Partikel-partikel ini pertama kali diusulkan sebagai kekuatan pendorong di belakang supernova pada tahun 1966, yang menjadikan deteksi mereka sebagai sumber kenyamanan bagi para ahli teori yang telah mencoba memahami cara kerja ledakan. Namun selama beberapa dekade, ahli astrofisika terus-menerus menemukan apa yang menjadi cacat fatal pada model neutrino mereka.

Neutrino terkenal sebagai partikel tunggal, dan pertanyaan tetap mengenai bagaimana sebenarnya neutrino mentransfer energinya ke materi bintang di bawah kondisi ekstrim dari bintang yang runtuh. Setiap kali ahli teori mencoba untuk memodelkan gerakan dan interaksi partikel yang rumit ini dalam simulasi komputer, gelombang kejut supernova akan berhenti dan jatuh kembali dengan sendirinya. Kegagalan tersebut “memperkuat gagasan bahwa teori utama kami tentang bagaimana supernova meledak mungkin tidak berhasil,” kata Sean Couch, astrofisikawan komputasi di Michigan State University.

Tentu saja, hal-hal spesifik yang terjadi jauh di dalam supernova saat meledak selalu menjadi misteri. Ini adalah kuali ekstrem, sup turbulen yang mentransmutasi materi, di mana partikel dan kekuatan yang sering diabaikan dalam dunia kita sehari-hari menjadi kritis. Yang memperparah masalah, bagian dalam yang eksplosif sebagian besar tersembunyi dari pandangan, diselimuti oleh awan gas panas. Memahami detail supernova "telah menjadi masalah utama yang belum terpecahkan dalam astrofisika," kata Adam Burrows, astrofisikawan di Universitas Princeton yang telah mempelajari supernova selama lebih dari 35 tahun.

Namun, dalam beberapa tahun terakhir, para ahli teori telah mampu memahami mekanisme kompleks yang mengejutkan yang membuat supernova berdetak. Simulasi yang meledak telah menjadi norma, bukan pengecualian, tulis Burrows di Nature bulan ini. Kode komputer kelompok penelitian, sekarang menyetujui bagaimana gelombang kejut supernova berevolusi, sementara simulasi telah berkembang sejauh ini sehingga bahkan efek relativitas umum Einstein yang terkenal rumit pun ikut disertakan. Peran neutrino akhirnya dipahami.

Ini adalah momen yang menentukan, kata Couch. Apa yang mereka temukan adalah tanpa turbulensi, bintang yang runtuh tidak akan pernah membentuk supernova sama sekali.


Tarian Chaotic


Untuk sebagian besar kehidupan bintang, tarikan gravitasi ke dalam diimbangi dengan hati-hati oleh dorongan keluar radiasi dari reaksi nuklir di dalam inti bintang. Saat bintang kehabisan bahan bakar, gravitasi memegang kendali. Inti itu runtuh dengan sendirinya dan jatuh dengan kecepatan 150.000 kilometer per jam yang menyebabkan suhu melonjak hingga 100 miliar derajat Celcius dan menggabungkan inti menjadi bola neutron padat.

Lapisan luar bintang terus jatuh ke dalam, tetapi saat mereka mengenai inti neutron yang tidak dapat dimampatkan ini, mereka memantul darinya, menciptakan gelombang kejut. Agar gelombang kejut menjadi ledakan, ia harus didorong keluar dengan energi yang cukup untuk melepaskan diri dari tarikan gravitasi bintang. Gelombang kejut juga harus melawan spiral dari lapisan terluar bintang, yang masih jatuh ke inti.

Sampai saat ini, kekuatan yang menggerakkan gelombang kejut hanya dipahami dalam istilah yang paling kabur. Selama beberapa dekade, komputer hanya cukup kuat untuk menjalankan model sederhana dari inti yang runtuh. Bintang diperlakukan sebagai bola yang sempurna, dengan gelombang kejut yang memancar dari pusat dengan cara yang sama ke segala arah. Tetapi saat gelombang kejut bergerak keluar dalam model satu dimensi ini, gelombang itu melambat dan kemudian terputus-putus.

Hanya dalam beberapa tahun terakhir, dengan pertumbuhan superkomputer, para ahli teori memiliki daya komputasi yang cukup untuk memodelkan bintang masif dengan kompleksitas yang diperlukan untuk mencapai ledakan. Model terbaik sekarang mengintegrasikan detail seperti interaksi tingkat mikro antara neutrino dan materi, gerakan cairan yang tidak teratur, dan kemajuan terkini dalam berbagai bidang fisika , dari fisika nuklir hingga evolusi bintang. Selain itu, para ahli teori sekarang dapat menjalankan banyak simulasi setiap tahun, memungkinkan mereka untuk dengan bebas mengubah model dan mencoba kondisi awal yang berbeda.

Satu titik balik terjadi pada tahun 2015, ketika Couch dan kolaboratornya menjalankan model komputer tiga dimensi dari menit-menit terakhir keruntuhan bintang masif. Meskipun simulasi hanya memetakan 160 detik dari kehidupan bintang, itu menjelaskan peran pemain yang kurang dihargai yang membantu gelombang kejut yang terhenti berubah menjadi ledakan matang.

Tersembunyi di dalam perut binatang, partikel berputar secara kacau. Ini seperti air mendidih di atas kompor. Ada gumpalan besar cairan di dalam bintang, dengan kecepatan ribuan kilometer per detik, ”kata Couch.

Turbulensi ini menciptakan tekanan ekstra di belakang gelombang kejut, mendorongnya lebih jauh dari pusat bintang. Jauh dari pusat, tarikan gravitasi ke dalam lebih lemah, dan lebih sedikit materi yang jatuh ke dalam untuk meredam gelombang kejut. Materi turbulen yang memantul di belakang gelombang kejut juga memiliki lebih banyak waktu untuk menyerap neutrino. Energi dari neutrino kemudian memanaskan materi dan mendorong gelombang kejut menjadi ledakan.

Selama bertahun-tahun, para peneliti gagal menyadari pentingnya turbulensi, karena hanya mengungkapkan dampak penuhnya dalam simulasi yang dijalankan dalam tiga dimensi. “Apa yang alam lakukan dengan mudah, kami membutuhkan waktu puluhan tahun untuk mencapainya saat kami naik dari satu dimensi ke dua dan tiga dimensi,” kata Burrows.

Simulasi ini juga mengungkapkan bahwa turbulensi menghasilkan ledakan asimetris, di mana bintang terlihat seperti jam pasir. Saat ledakan mendorong ke luar ke satu arah, materi terus jatuh ke inti ke arah lain, memicu ledakan bintang lebih jauh.

Simulasi baru ini memberi para peneliti pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana sebenarnya supernova telah membentuk alam semesta yang kita lihat sekarang. "Kita bisa mendapatkan rentang energi ledakan yang tepat, dan kita bisa mendapatkan massa bintang neutron yang kita lihat tertinggal," kata Burrows. Supernova sebagian besar bertanggung jawab untuk menciptakan anggaran alam semesta dari unsur-unsur besar seperti oksigen dan besi, dan para ahli teori mulai menggunakan simulasi untuk memprediksi dengan tepat seberapa banyak unsur-unsur berat ini seharusnya ada di sekitar. “Kami sekarang mulai menangani masalah yang tidak terbayangkan di masa lalu,” kata Tuguldur Sukhbold, astrofisikawan teoritis dan komputasi di Ohio State University.


Referensi

https://www.quantamagazine.org/supercomputer-simulations-reveal-the-power-inside-a-supernova-20210121/
Lebih baru Lebih lama