Sebuah partikel ultra-berat dapat membantu menjelaskan salah satu misteri astrofisika modern yang paling membingungkan: asal usul partikel paling energik yang pernah terdeteksi.
Sinar kosmik berenergi sangat tinggi adalah partikel dari luar angkasa yang menghantam bumi dengan energi yang jauh lebih tinggi daripada energi yang dihasilkan oleh akselerator partikel buatan manusia. Di antara contoh yang paling luar biasa adalah “partikel Amaterasu”, yang terdeteksi oleh Telescope Array di Utah pada tahun 2021 dan dinamai sesuai nama dewi matahari dalam mitologi Jepang. Energi yang dilaporkan menempatkannya di antara peristiwa sinar kosmik paling kuat yang pernah diamati, menempatkannya dalam kategori langka yang sama dengan partikel “Ya Tuhan” yang tercatat pada tahun 1991. Namun para ilmuwan masih belum mengetahui dari mana asalnya, atau bahkan apa sebenarnya itu.
Sinar kosmik yang sangat berat
Penelitian baru yang dipimpin oleh ilmuwan Penn State dan diterbitkan di Surat Pemeriksaan Fisik menunjukkan bahwa beberapa sinar kosmik yang paling energik mungkin merupakan inti atom yang lebih berat daripada besi. Inti atom adalah pusat atom yang kompak, terdiri dari proton dan neutron. Mereka mengandung hampir seluruh massa atom dan hanya menempati sebagian kecil dari total volumenya.
Menurut perhitungan tim, inti ultra-berat ini bisa kehilangan energi lebih lambat dibandingkan proton atau inti yang lebih ringan saat melewati ruang antargalaksi. Artinya, mereka dapat bertahan dalam perjalanan ke Bumi sambil membawa energi dalam jumlah yang sangat besar. Penelitian yang dilakukan bersama kolaborator di Yukawa Institute for Theoretical Physics di Jepang, Virginia Tech, dan institusi lainnya, dapat membantu para ilmuwan mengidentifikasi jenis objek kosmik yang cukup kuat untuk meluncurkan partikel tersebut.
“Sinar kosmik berenergi sangat tinggi hanya dapat dipercepat oleh beberapa sumber paling kuat di alam semesta,” kata Kohta Murase, profesor fisika, astronomi, dan astrofisika di Penn State Eberly College of Science dan pemimpin tim peneliti. “Saat kami mendeteksi partikel sinar kosmik seperti partikel Amaterasu di Bumi, kami sering kali dapat menggunakan energi, arah datangnya, dan defleksi magnet yang diperkirakan untuk menyimpulkan kemungkinan sumber kosmiknya.”
Misteri partikel Amaterasu
Partikel Amaterasu sangat sulit dijelaskan karena perkiraan arah datangnya berasal dari ruang hampa kosmik, suatu wilayah ruang angkasa tanpa sumber jelas yang mampu menghasilkan sinar kosmik berenergi sangat tinggi.
“Asal usul dan mekanisme percepatan sinar kosmik berenergi sangat tinggi telah menjadi salah satu misteri terbesar di bidang ini selama lebih dari 60 tahun, sejak contoh pertama dilaporkan,” kata Murase.
Partikel langka ini bisa melebihi 100 exa-elektron-volt, atau 100 triliun elektron-volt. Hal ini menjadikannya sekitar tujuh kali lipat, atau 10 juta kali, lebih energik dibandingkan partikel yang dipercepat di dalam Large Hadron Collider, akselerator partikel terbesar dan terkuat di dunia. Partikel Amaterasu dilaporkan berkekuatan sekitar 240 exa-elektron volt, memberikan partikel sinar kosmik kecil tentang energi kinetik bola tenis yang bergerak cepat. Hal ini menjadikannya salah satu sinar kosmik paling energik yang pernah terdeteksi.
“Sinar kosmik berenergi lebih tinggi ini diperkirakan berasal dari sumber astrofisika ekstrem, seperti tabrakan dua bintang neutron atau runtuhnya sebuah bintang masif,” kata Murase. “Untuk banyak peristiwa sinar kosmik yang digabungkan, distribusi energinya, pola arah datangnya, dan komposisi yang disimpulkan secara statistik memberikan petunjuk penting tentang dari mana partikel-partikel ini berasal dan bagaimana percepatannya.”
Simulasi partikel ekstrim
Untuk mempelajari jenis partikel apa yang masih bisa mencapai Bumi dengan energi luar biasa tersebut, para peneliti melakukan simulasi komputer secara mendetail. Mereka memodelkan bagaimana partikel dengan ukuran berbeda memperoleh atau kehilangan energi saat bergerak melalui ruang antargalaksi.
“Penelitian kami menunjukkan bahwa pada energi yang sebanding dengan partikel Amaterasu, inti ultraheavy kehilangan energi lebih lambat dibandingkan proton atau inti bermassa menengah, menjadikannya lebih mampu bertahan pada jarak kosmik dan mencapai Bumi dengan energi ekstrem,” kata Murase. “Kami tidak mengatakan bahwa semua sinar kosmik berenergi sangat tinggi adalah inti yang sangat berat. Namun jika beberapa peristiwa berenergi tertinggi adalah inti yang sangat berat, hal itu akan berdampak pada cara kita mencari sumbernya.”
Perhitungan tim juga menetapkan batas baru pada kontribusi inti ultra-berat terhadap total populasi sinar kosmik energi ultra-tinggi yang diamati.
Asal usul kosmik yang penuh kekerasan
“Lokasi yang paling menjanjikan untuk memproduksi dan mempercepat inti ultra-berat adalah kematian massal bintang yang melibatkan ledakan keruntuhan ke dalam lubang hitam atau bintang neutron bermagnet tinggi, serta penggabungan biner bintang neutron yang dikenal sebagai penghasil gelombang gravitasi yang kuat,” kata Murase. “Fenomena kosmik yang dahsyat ini juga dapat memicu ledakan sinar gamma yang merupakan salah satu ledakan paling energik di alam semesta. Kontribusi dari sumber-sumber ini juga dapat membantu menjelaskan kemungkinan perbedaan yang diamati antara langit utara dan selatan dalam spektrum sinar kosmik berenergi sangat tinggi. Jika inti ultra-berat berkontribusi secara signifikan pada energi tertinggi, data di masa depan akan menunjukkan komposisi yang lebih berat daripada besi.”
Observatorium di masa depan mungkin dapat menguji ide-ide ini. Murase mengatakan fasilitas generasi berikutnya, termasuk proyek AugerPrime di Argentina dan Global Cosmic Ray Observatory yang diusulkan, dapat mencari tanda tangan yang diprediksi. Penelitian teoretis tambahan tentang ledakan kosmik yang melibatkan lubang hitam dan bintang neutron bermagnet tinggi juga dapat membantu mengungkap di mana sinar kosmik berenergi sangat tinggi lahir.
Selain Murase, tim peneliti juga menyertakan B. Theodore Zhang, seorang peneliti postdoctoral di Yukawa Institute for Theoretical Physics di Universitas Kyoto pada saat penelitian dilakukan dan mantan peneliti postdoctoral di Penn State; Mukul Bhattacharya, Rekan Postdoctoral Eberly di Penn State pada saat penelitian; dan Nick Ekanger dan Shunsaku Horiuchi, yang bekerja di Virginia Tech pada saat penelitian dilakukan.
