About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
Sekitar sekali dalam seratus tahun, sebuah bintang raksasa di suatu tempat pada galaksi kita kehabisan bahan bakar. Hal ini terjadi setelah jutaan tahun menerima panas dan tekanan menyatukan komponen hidrogen bintang menjadi elemen yang lebih berat sepeti helium, karbon, dan nitrogen—sampai besi. Tidak mampu lagi menghasilkan energi cukup untuk mempertahankan strukturnya, bintang itu hancur karena tekanan gravitasinya dan meledak dalam supernova. Bintang itu melepaskan sebagian besar unsurnya ke ruang angkasa, memenuhi galaksi dengan elemen-elemen berat. Tetapi, mungkin apa yang tersisa dari letusan dahsyat ini lebih luar biasa: sebuah bola materi yang sangat padat sehingga elektron atom jatuh dari orbit kuantum mereka ke dalam inti atom. Kematian bintang tersebut adalah kelahiran bintang neutron: salah satu benda terpadat di alam semesta, dan laboratorium untuk fisika aneh tentang materi superkondensasi.
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
Tetapi, apa itu bintang neutron? Bayangkan bola padat yang proton dan elektronnya bersatu menjadi neutron dan membentuk cairan bebas gesekan yang dinamakan superfluida— yang dikelilingi kerak bumi. Materi ini sangat padat – setara dengan massa kapal kontainer yang terisi penuh dalam sehelai rambut manusia, atau massa Gunung Everest dalam ruang sebesar gula batu. Lebih dalam pada kerak bumi, neutron superfluida membentuk berbagai fase yang disebut “pasta nuklir” oleh fisikawan, karena bentuknya berubah dari lasagna menjadi spaghetti.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
Prekursor raksasa bintang neutron sering kali berputar. Ketika hancur, bintang yang lebarnya jutaan kilometer ditekan menjadi bintang neutron dengan lebar 25 kilometer. Tetapi, momentum sudut bintang asli tetap dipertahankan. Jadi, sama halnya dengan putaran figur skater yang semakin cepat ketika mereka menggunakan lengan, bintang neutron berputar jauh lebih cepat daripada pendahulunya. Bintang neutron tercepat yang diketahui berputar lebih dari 700 kali setiap detik, yang berarti bahwa suatu titik pada permukaannya berputar melalui ruang dengan kecepatan lebih dari seperlima kecepatan cahaya. Bintang neutron juga memiliki medan magnet terkuat dari seluruh obyek yang diketahui. Konsentrasi magnetik ini membentuk pusaran yang memancarkan sinar dari kutub magnet. Karena kutub tidak selalu selaras dengan sumbu rotasi bintang, sinarnya berputar seperti lampu mercusuar, yang terlihat berkedip jika dilihat dari Bumi. Hal itu disebut pulsar. Penemuan salah satu sinyal berkedip ini oleh ahli astrofisika Jocelyn Bell pada tahun 1967 sebenarnya adalah penemuan bintang neutron yang tidak disengaja pada mulanya. Rotasi hebat bintang neutron melambat selama miliaran tahun karena memancarkan energinya dalam bentuk gelombang elektromagnetik dan gravitasi.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
Tetapi, tidak semua bintang neutron menghilang begitu saja. Contohnya, kita telah mengamati sistem biner ketika sebuah bintang neutron mengorbit bintang lain. Bintang neutron dapat memakan unsur yang lebih ringan, menelan keadaan atmosfer yang lebih longgar sebelum akhirnya runtuh serempak ke dalam lubang hitam.
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
Meskipun ada banyak bintang sebagai sistem biner, hanya sebagian kecil yang berakhir menjadi binari bintang neutron, di mana dua bintang neutron saling mengelilingi dan berakhir jadi gabungan. Ketika bertubrukan, mereka melepaskan arus gravitasi melewati ruang-waktu seperti riak dari batu yang dilempar ke danau yang tenang.
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
Teori Relativitas Umum Einstein memprediksi kejadian ini lebih dari 100 tahun yang lalu, tetapi tidak diverifikasi sampai tahun 2017, ketika observatorium arus gravitasi LIGO dan VIRGO mengamati tumbukan sebuah bintang neutron. Teleskop lain menangkap semburan sinar gamma dan kilatan cahaya tampas, dan kemudian, sinar-x dan sinyal radio, semua dari gelombang yang sama. Hal itu menjadi peristiwa yang paling banyak dipelajari dalam sejarah astronomi. Itu menghasilkan harta karun berupa data yang membantu menjabarkan kecepatan gravitasi, mendukung teori-teori penting dalam astrofisika, dan memberikan bukti tentang asal muasal muatan berat seperti emas dan platina.
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
Bintang neutron belum memberikan semua rahasia mereka. LIGO dan VIRGO sedang ditingkatkan untuk mendeteksi lebih banyak tumbukan. Hal itu membantu kita mempelajari kehancuran spektakuler magnet yang padat, berdenyut, dan berputar ini dapat memberi tahu kita tentang alam semesta.