“Kami mempelajari beberapa orbit terakhir sebelum penggabungan, ketika medan magnet yang saling terkait mengalami perubahan yang cepat dan dramatis, dan memodelkan sinyal energi tinggi yang berpotensi dapat diamati.” Sebuah simulasi baru yang dibuat menggunakan superkomputer NASA telah menunjukkan betapa rumitnya proses penggabungan bintang neutron bahkan sebelum mereka bertabrakan; magnetosfer mereka, medan magnet terkuat di alam semesta yang diketahui, saling terkait dan menimbulkan kekacauan.
Bintang neutron adalah objek bintang paling ekstrem di alam semesta, yang tercipta ketika bintang-bintang masif mati dalam ledakan supernova yang dahsyat. Objek-objek ini sangat padat sehingga satu sendok teh materi yang diambil akan memiliki berat sekitar 10 juta ton, kira-kira sama dengan 85.000 paus biru dewasa, jika dibawa ke Bumi.
Dengan mempertimbangkan hal itu, tidak mengherankan jika keadaan menjadi sangat dahsyat ketika dua bintang neutron bertabrakan dan bergabung. Bahkan, tabrakan semacam itu menciptakan satu-satunya lingkungan di alam semesta yang begitu bergejolak sehingga emas, perak, plutonium, dan logam lain yang lebih berat dari besi dapat ditempa. Bahkan jantung yang bergejolak dari bintang-bintang paling masif pun tidak mampu melakukan keajaiban alkimia unsur ini.
“Tepat sebelum bintang neutron bertabrakan, wilayah yang sangat termagnetisasi dan dipenuhi plasma di sekitarnya, yang disebut magnetosfer, mulai berinteraksi dengan kuat,” kata pemimpin tim Dimitrios Skiathas, seorang peneliti di Pusat Penerbangan Goddard NASA, dalam sebuah pernyataan. “Kami mempelajari beberapa orbit terakhir sebelum penggabungan, ketika medan magnet yang terjalin mengalami perubahan yang cepat dan dramatis, dan memodelkan sinyal energi tinggi yang berpotensi dapat diamati.”
Apa yang membuat bintang neutron begitu ekstrem?
Ketika bintang-bintang dengan massa yang hampir sama dengan matahari kehabisan hidrogen, bahan bakar yang diperlukan untuk fusi nuklir di intinya, inti bintang tersebut runtuh dan lapisan luarnya membengkak dan akhirnya hilang. Hal ini menyebabkan bintang-bintang tersebut mengakhiri hidup mereka sebagai bara api yang disebut katai putih.
Namun, situasinya berbeda untuk bintang-bintang dengan massa sekitar 10 kali massa matahari atau lebih. Ketika inti mereka yang kekurangan hidrogen runtuh, massa ekstra tersebut menghasilkan tekanan dan suhu yang dibutuhkan untuk memungkinkan helium, yang tercipta di inti tersebut selama jutaan tahun fusi hidrogen, untuk berfusi, membentuk unsur-unsur yang lebih berat.
Proses berulang berupa penipisan bahan bakar, keruntuhan, dan penyalaan kembali ini berlanjut hingga inti bintang masif tersebut dipenuhi besi. Ketika keruntuhan terakhir ini terjadi, gelombang kejut menyebar ke lapisan luar bintang, yang kemudian terlempar dalam ledakan supernova, membawa serta sebagian besar massa bintang tersebut. Hasilnya adalah sisa bintang dengan massa antara satu hingga dua kali massa matahari, yang dipenuhi materi kaya neutron yang dijejalkan ke dalam lebar sekitar 12 mil (20 kilometer). Penghancuran cepat inti bintang ini tidak hanya menciptakan benda dengan kepadatan luar biasa, tetapi juga menciptakan medan magnet yang dapat 1 kuadriliun kali lebih kuat daripada magnetosfer Bumi. Bintang-bintang masif sering ditemukan dalam pasangan biner dengan bintang pendamping, dan dalam kasus ini, ketika kedua bintang mati, terbentuklah biner bintang neutron. Saat kedua bintang mati berputar mengelilingi satu sama lain, mereka menghasilkan riak dalam ruang-waktu yang disebut gelombang gravitasi, yang membawa pergi momentum sudut. Hal ini menyebabkan biner bintang neutron semakin rapat. Dengan kata lain, sisa-sisa bintang bergerak lebih dekat, menyebabkan mereka memancarkan gelombang gravitasi dengan frekuensi yang lebih tinggi, kehilangan momentum sudut lebih cepat, dan semakin cepat saling mendekat.
Proses ini berakhir ketika bintang neutron cukup dekat satu sama lain sehingga gravitasi mereka mengambil alih, yang menyebabkan tabrakan dan penggabungan yang tak terhindarkan. Hal ini menyebabkan ledakan radiasi berenergi tinggi yang disebut semburan sinar gamma (GRB), deru gelombang gravitasi terakhir, dan mengirimkan semburan materi kaya neutron, yang memungkinkan terjadinya proses yang menghasilkan unsur-unsur yang sangat berat tetapi tidak stabil. Unsur-unsur ini akhirnya meluruh untuk menciptakan emas, perak, dan logam lain yang lebih berat daripada besi. Peluruhan ini juga menciptakan cahaya yang oleh para astronom disebut kilonova.
Fakta bahwa peristiwa-peristiwa ini bertanggung jawab atas terciptanya beberapa unsur kita yang paling berharga dan penting, serta fenomena kosmik yang cemerlang seperti GRB dan kilonova, berarti ada bias yang kuat terhadap studi tentang dampak setelah penggabungan bintang neutron.
Skiathas dan rekan-rekannya mengambil pendekatan yang berbeda, dengan meneliti lebih dalam apa yang terjadi sebelum pertemuan bintang neutron tersebut.
Magnetisme yang berantakan
Untuk mempertimbangkan 7,7 milidetik sebelum bintang neutron bergabung, tim tersebut menggunakan superkomputer Pleiades milik NASA di Pusat Penelitian Ames NASA, membuat lebih dari 100 simulasi sistem dua bintang neutron, masing-masing dengan massa sekitar 1,4 kali massa matahari.
“Dalam simulasi kami, magnetosfer berperilaku seperti sirkuit magnetik yang terus-menerus menyusun ulang dirinya sendiri saat bintang-bintang mengorbit. Garis medan terhubung, putus, dan terhubung kembali sementara arus mengalir melalui plasma yang bergerak hampir dengan kecepatan cahaya, dan medan yang berubah dengan cepat dapat mempercepat partikel,” kata anggota tim Constantinos Kalapotharakos dari NASA Goddard dalam pernyataan tersebut. “Mengikuti evolusi nonlinier tersebut dengan resolusi tinggi adalah alasan mengapa kita membutuhkan superkomputer!”
Tujuan utama tim ini adalah untuk menyelidiki bagaimana medan magnet dari sisa-sisa bintang ini memengaruhi cahaya, atau radiasi elektromagnetik dalam istilah teknis, selama orbit terakhir bintang neutron mengelilingi satu sama lain.
“Penelitian kami menunjukkan bahwa cahaya yang dipancarkan oleh sistem-sistem ini sangat bervariasi dalam kecerahan dan tidak terdistribusi secara merata, sehingga perspektif pengamat yang berada jauh terhadap penggabungan tersebut sangat penting,” tambah anggota tim Zorawar Wadiasingh dari Universitas Maryland, College Park, dan NASA Goddard, dalam pernyataan tersebut. “Sinyal juga menjadi jauh lebih kuat saat bintang-bintang semakin dekat, dengan cara yang bergantung pada orientasi magnetik relatif dari bintang neutron.”
Simulasi tersebut mengungkapkan bahwa medan magnet masing-masing bintang neutron menyapu ke belakang mereka saat mereka mengorbit satu sama lain, menghubungkan sisa-sisa bintang, kemudian terputus, lalu terhubung kembali sekali lagi.
Para peneliti juga mampu menggunakan Pleiades untuk mensimulasikan bagaimana gaya elektromagnetik memengaruhi permukaan bintang neutron. Tujuan dari hal ini adalah untuk menentukan bagaimana tekanan magnetik terakumulasi dalam sistem tersebut, tetapi pemodelan di masa mendatang akan diperlukan untuk menentukan bagaimana interaksi magnetik berperan dalam momen-momen terakhir penggabungan bintang neutron.
“Perilaku seperti itu dapat tercetak pada sinyal gelombang gravitasi yang dapat dideteksi di fasilitas generasi berikutnya,” kata anggota tim dan peneliti NASA Goddard, Demosthenes Kazanas, dalam pernyataan tersebut. “Salah satu nilai dari studi seperti ini adalah untuk membantu kita mengetahui apa yang mungkin dapat dilihat dan dicari oleh observatorium masa depan, baik dalam gelombang gravitasi maupun cahaya.”
Para peneliti mampu menggunakan medan magnet simulasi untuk mengidentifikasi titik-titik di mana emisi energi tertinggi dihasilkan dan bagaimana emisi ini akan menyebar melalui lingkungan penggabungan bintang neutron.
Para peneliti menemukan bahwa wilayah di sekitar penggabungan bintang neutron menghasilkan sinar gamma dengan energi tinggi, tetapi radiasi ini tidak dapat lolos. Hal itu karena foton sinar gamma, partikel cahaya individual, dengan cepat berubah menjadi pasangan elektron dan positron. Namun, sinar gamma berenergi lebih rendah mampu lolos dari penggabungan bintang neutron bersamaan dengan radiasi berenergi lebih rendah lagi seperti sinar-X.
Ini berarti teleskop ruang angkasa sinar gamma di masa depan , khususnya yang memiliki bidang pandang luas, dapat digunakan untuk mendeteksi sinyal dari bintang neutron yang berada di ambang penggabungan. Cara lain sistem ini dapat dipelajari sebelum penggabungan di masa depan adalah melalui deteksi gelombang gravitasi.
Proyek NASA/Badan Antariksa Eropa, Laser Interferometer Space Antenna (LISA), dapat sangat berguna dalam hal ini. Dijadwalkan diluncurkan pada pertengahan tahun 2030-an, LISA akan menjadi detektor gelombang gravitasi berbasis ruang angkasa pertama, yang memiliki sensitivitas jauh lebih besar daripada generasi detektor berbasis Bumi saat ini, termasuk Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Hasil penelitian tim tersebut dipublikasikan pada 20 November 2025 di The Astrophysical Journal.