Para astronom, untuk pertama kalinya, mengamati kelahiran magnetar, sejenis bintang neutron yang sangat magnetis dan berputar cepat. Penemuan ini menegaskan bahwa benda-benda eksotik ini dapat memicu ledakan bintang paling terang yang pernah terjadi.
Penemuan ini juga memvalidasi teori yang pertama kali diajukan 16 tahun lalu oleh fisikawan UC Berkeley dan mengungkapkan karakteristik baru yang diketahui dari beberapa bintang yang meledak: “kicauan” khas dalam cahayanya yang hanya dapat dijelaskan menggunakan teori relativitas umum Einstein. Penelitian ini dipublikasikan di jurnal Alam.
Misteri di balik supernova paling terang
Supernova superluminous adalah salah satu ledakan paling spektakuler di alam semesta, bersinar setidaknya 10 kali lebih terang daripada supernova biasa. Sejak para astronom pertama kali mengidentifikasinya pada awal tahun 2000an, mereka kesulitan menjelaskan mengapa ledakan ini tetap sangat terang bahkan lama setelah inti besi sebuah bintang masif runtuh dan lapisan luarnya terlempar ke luar angkasa.
Pada tahun 2010, Dan Kasen, ahli astrofisika teoritis di UC Berkeley, mengusulkan bahwa jawabannya adalah magnetar yang baru lahir. Teorinya, yang ditulis bersama Lars Bildsten dan dikemukakan secara independen oleh Stanford Woosley dari UC Santa Cruz, menyatakan bahwa ketika sebuah bintang besar mencapai akhir masa hidupnya, intinya dapat runtuh menjadi bintang neutron yang sangat padat dan bukannya menjadi lubang hitam.
Jika bintang asli ini memiliki medan magnet yang kuat, keruntuhannya akan memperkuatnya secara signifikan, menghasilkan magnetar dengan medan magnet 100 hingga 1.000 kali lebih kuat daripada medan magnet pulsar pada umumnya. Meskipun pulsar dan magnetar hanya berukuran sekitar 10 mil, magnetar muda dapat berputar lebih dari 1.000 kali per detik.
Saat mereka berputar, medan magnet yang kuat mempercepat partikel bermuatan yang menghantam puing-puing supernova yang semakin membesar, menyuntikkan energi tambahan yang memungkinkan ledakan berlangsung lebih lama dari yang diperkirakan. Magnetar juga diperkirakan menghasilkan ledakan radio cepat yang misterius.
Supernova yang ‘riang riang’ mengungkap kebenaran
Mahasiswa pascasarjana Joseph Farah dari UC Santa Barbara dan Las Cumbres Observatory (LCO) menemukan bukti terkuat untuk teori ini setelah mempelajari supernova yang ditemukan pada tahun 2024, yang dikenal sebagai SN 2024afav. Farah, yang akan bergabung dengan kelompok penelitian Kasen di UC Berkeley pada musim gugur ini sebagai Miller Postdoctoral Fellow, dan rekan-rekannya menyimpulkan bahwa tonjolan yang tidak biasa pada kurva cahaya supernova memberikan bukti langsung terbentuknya magnetar selama ledakan.
“Yang benar-benar menarik adalah bahwa ini adalah bukti pasti pembentukan magnetar setelah runtuhnya inti supernova superluminous,” kata Alex Filippenko, profesor astronomi terkemuka di UC Berkeley, salah satu penulis studi dan salah satu mentor masa depan Farah.
Dasar dari model Dan Kasen dan Stan Woosley adalah bahwa yang dibutuhkan hanyalah energi magnetar di kedalaman dan sebagian besar energi tersebut akan diserap, yang akan menjelaskan mengapa benda tersebut superluminous. Apa yang belum ditunjukkan adalah bahwa magnetar benar-benar terbentuk di tengah-tengah supernova, dan itulah yang ditunjukkan oleh makalah Joseph.
Kasen mengatakan para peneliti telah lama menduga bahwa magnetar tersembunyilah yang memicu ledakan luar biasa ini.
“Selama bertahun-tahun, gagasan magnetar tampak hampir seperti trik sulap seorang ahli teori: menyembunyikan mesin bertenaga di balik lapisan puing-puing supernova. Itu adalah penjelasan alami atas kecerahan luar biasa dari ledakan ini, namun kami tidak dapat melihatnya secara langsung,” katanya. “Kicauan sinyal supernova ini seperti mesin yang membuka tirai dan mengungkapkan bahwa ia benar-benar ada.”
Lacak ledakan yang jaraknya satu miliar tahun cahaya
Setelah penemuan SN 2024afav pada Desember 2024, Observatorium Las Cumbres, jaringan global yang terdiri dari 27 teleskop, memantau ledakan tersebut selama lebih dari 200 hari. Supernova terjadi sekitar satu miliar tahun cahaya dari Bumi.
Farah dan astronom UCSB Andy Howell memperhatikan sesuatu yang tidak biasa setelah supernova mencapai puncak kecerahan sekitar 50 hari setelah ledakan. Alih-alih memudar secara perlahan, seperti kebanyakan supernova, kecerahannya bertambah dan berkurang berulang kali. Interval antara fluktuasi ini menjadi semakin pendek, menciptakan empat tonjolan berbeda pada kurva cahaya.
Farah mengibaratkan pola ini seperti nada kicauan burung yang meninggi.
Supernova superluminous sebelumnya terkadang memiliki satu atau dua benjolan, sering kali disebabkan oleh gelombang kejut yang bertabrakan dengan cangkang gas yang mengelilingi bintang yang sekarat. Tapi tidak ada acara sebelumnya yang memiliki empat.
Relativitas umum Einstein menjelaskan sinyal tersebut
Model Farah menunjukkan bahwa beberapa materi yang terlempar keluar akibat ledakan kemudian jatuh kembali menuju magnetar yang baru lahir, membentuk piringan akresi.
Karena piringan ini kemungkinan besar miring terhadap rotasi magnetar, teori Einstein memperkirakan bahwa bintang neutron yang berputar cepat akan menarik struktur ruang-waktu di sekitarnya, menghasilkan fenomena yang disebut presesi Lens-Thirring. Efek ini menyebabkan disk miring berosilasi.
Saat piringan yang berkedip-kedip secara berkala menghalangi dan memantulkan cahaya dari magnetar, sistem tersebut berperilaku seperti suar kosmik yang berkedip. Seiring waktu, piringan melengkung ke dalam, membuat osilasi lebih cepat. Hal ini menyebabkan gelombang cahaya datang lebih cepat, menghasilkan “kicauan” khas yang terdeteksi oleh para astronom.
“Kami menguji beberapa ide, termasuk efek Newton murni dan presesi yang disebabkan oleh medan magnet magnetar, namun hanya presesi Lense-Thirring yang cocok dengan waktunya dengan sempurna,” kata Farah. “Ini adalah pertama kalinya relativitas umum diperlukan untuk menggambarkan mekanisme supernova.”
Tim juga memperkirakan bahwa bintang neutron berotasi setiap 4,2 milidetik dan memiliki medan magnet sekitar 300 triliun kali lebih kuat dari medan magnet Bumi, dua ciri khas magnetar.
“Saya pikir Joseph menemukan buktinya,” kata Howell. “Dia menghubungkan benjolan tersebut dengan model magnetar dan menjelaskan semuanya dengan teori astrofisika yang paling teruji: relativitas umum. Ini sangat elegan.”
Filippenko menambahkan: “Melihat efek yang jelas dari teori relativitas umum Einstein selalu menyenangkan, namun melihatnya untuk pertama kalinya dalam supernova sangatlah bermanfaat. »
Misteri lain masih tetap ada
Para peneliti memperingatkan bahwa magnetar mungkin tidak menjelaskan semua supernova superluminous.
Beberapa mungkin hilang ketika gelombang kejut dari ledakan menghantam material di sekitarnya. Kasen juga berpendapat bahwa jika bintang yang runtuh membentuk lubang hitam dan bukan magnetar, hal itu juga dapat menghasilkan supernova yang sangat terang. Cakram akresi yang miring di sekitar lubang hitam juga dapat menimbulkan tonjolan pada kurva cahaya.
“Kita tidak tahu berapa fraksi supernova superluminous Tipe I yang mungkin ditenagai oleh material sirkumbintang, tapi pastinya fraksi tersebut lebih kecil dari yang kita perkirakan sebelumnya, karena penemuan ini dengan jelas menjelaskan beberapa di antaranya,” kata Filippenko.
Farah memperkirakan para astronom akan menemukan lebih banyak lagi supernova yang “riang gembira” setelah Observatorium Vera C. Rubin memulai studinya yang belum pernah terjadi sebelumnya tentang langit malam.
“Ini adalah hal paling menarik yang pernah saya alami. Ini adalah ilmu yang saya impikan sewaktu kecil,” kata Farah. “Alam semesta memberitahu kita dengan lantang dan langsung bahwa kita belum sepenuhnya memahaminya, dan menantang kita untuk menjelaskannya.”
Howell, Logan Prust, sekarang di Flatiron Institute di New York, dan Yuan Qi Ni dari UCSB juga berkontribusi dalam penelitian ini. Filippenko mengakui dukungan finansial dari Christopher R. Redlich dan banyak donor lainnya.
