Observatorium HESS Temukan Elektron Kosmik Paling Energetik

SETELAH lebih dari satu dekade para ilmuwan di observatorium High Energy Stereoscopic System (HESS) di Namibia berhasil mendeteksi elektron kosmik paling energik yang pernah diamati, membuka jalan baru dalam pemahaman kita tentang alam semesta.

"Sinar kosmik adalah misteri yang telah ada selama satu abad," ujar Mathieu de Naurois, seorang peneliti di Pusat Penelitian Ilmiah Nasional Prancis (CNRS) sekaligus wakil direktur kolaborasi HESS.

Sinar kosmik pertama kali dilaporkan pada 1912 oleh fisikawan Austria, Victor Hess. Penemuan ini terjadi setelah serangkaian penerbangan balon udara yang bertujuan untuk menyelidiki radiasi pengion yang awalnya terdeteksi menggunakan elektroskop. Namun, setelah mencapai ketinggian 5.300 meter, Hess menemukan adanya sumber alami partikel energi tinggi dari luar angkasa, yang kini kita kenal sebagai sinar kosmik.

Baca juga : Ilmuan Ini Akhirnya Ungkap Inti Bulan, Mirip seperti Bumi

Kini, para ilmuwan HESS bersemangat karena mereka berhasil mendeteksi elektron dan positron paling energik hingga saat ini. Positron adalah "kebalikan" dari elektron karena memiliki massa yang sama, tetapi bermuatan positif seperti proton. Temuan ini menarik karena memberikan bukti nyata tentang proses kosmik ekstrem yang menghasilkan energi dalam jumlah besar.

"Memahami sinar kosmik memungkinkan kita mengungkap akselerator partikel besar di alam semesta yang sering dikaitkan dengan fenomena paling ganas: ledakan bintang; objek sangat padat dengan medan gravitasi dan elektromagnetik besar, seperti bintang neutron dan pulsar; penggabungan kataklismik; serta lubang hitam," jelas de Naurois.

Menariknya, elektron dengan energi setinggi ini kehilangan energinya dengan cepat, tim yakin sumbernya berasal dari tempat yang relatif dekat. "Di sekitar tata surya kita, ada akselerator kosmik yang sangat efisien untuk elektron," kata de Naurois. "Dalam jarak beberapa ratus tahun cahaya, terdapat banyak bintang, dengan bintang-bintang terdekat biasanya berjarak sekitar dua tahun cahaya dari Bumi. Kita juga berharap ada beberapa 'bintang mati' di wilayah ini, seperti pulsar atau sisa-sisa supernova, yang mungkin menjadi sumber elektron ini."

Baca juga : Asteroid 2024 PT5, Mini-Moon Bumi yang akan Segera Meninggalkan Orbitnya

Mendeteksi elektron dan positron dengan energi beberapa teraelektronvolt (TeV) sangat menantang karena beberapa alasan.

Pertama, medan magnet galaksi menyebabkan elektron menyimpang dari jalur lurus, sehingga tiba di Bumi dari arah yang tampaknya acak. Kedua, instrumen berbasis luar angkasa terlalu kecil untuk menangkap partikel-partikel ini dalam jumlah cukup, sebagian karena distribusi energi partikel yang tidak merata di luar angkasa.

Dengan kata lain, sumber sinar kosmik mempercepat partikel secara bertahap, sehingga partikel dengan energi lebih tinggi lebih cenderung keluar dari sistemnya. Karena mencapai energi tertinggi membutuhkan waktu, ini menghasilkan kelimpahan partikel energi rendah dan semakin sedikit partikel pada tingkat energi yang lebih tinggi. "Pada energi tinggi, fluks sinar kosmik turun dengan cepat, sehingga instrumen luar angkasa hanya mengumpulkan sedikit partikel," jelas de Naurois.

Baca juga : Agar Stabil, Atom Dapat Melepaskan atau Menerima Elektron

Di sisi lain, teleskop berbasis darat yang mendeteksi sinar kosmik secara tidak langsung mengalami kesulitan membedakan elektron sinar kosmik dari berbagai jenis sinar kosmik lain yang membombardir atmosfer Bumi.

"HESS, sebaliknya, memiliki area efektif yang besar, menjadikannya sangat cocok untuk mempelajari bagian energi tinggi dari spektrum elektron," tambah de Naurois.

Observatorium HESS, yang terdiri dari lima teleskop besar yang tersebar di area seukuran lapangan sepak bola, dirancang untuk menangkap pancaran atmosfer yang menghasilkan radiasi Cherenkov. Radiasi ini terjadi ketika partikel berenergi tinggi bertabrakan dengan atmosfer Bumi, menciptakan pancaran partikel yang dapat dideteksi dan dianalisis oleh teleskop.

Baca juga : Konfigurasi Elektron Tentukan Cara Atom-Atom Berikatan

Meskipun tujuan utamanya adalah mendeteksi sinar gamma dan menemukan sumbernya, tim memanfaatkan data tersebut untuk mencari elektron sinar kosmik berenergi tinggi. "Algoritma yang digunakan di sini didasarkan pada perbandingan piksel demi piksel, menggunakan pemodelan statistik canggih antara model yang telah dihitung sebelumnya dan gambar yang direkam oleh kamera," ujar de Naurois.

Awalnya, algoritma ini diadaptasi untuk mendeteksi elektron yang sedikit berbeda dari sinar gamma. Mereka juga harus dapat membedakan elektron dari sinyal latar belakang. Karena elektron langka dalam data, algoritma tersebut harus disesuaikan untuk menolak partikel sinar kosmik lain dengan menerapkan kriteria yang lebih ketat, meskipun hal ini juga mengurangi jumlah elektron yang terdeteksi.

Untuk meningkatkan akurasi, "setiap pengamatan teleskop disimulasikan secara menyeluruh, memberikan pemahaman yang lebih mendalam tentang bagaimana instrumen berperilaku," jelas de Naurois.

Hasilnya adalah kumpulan data statistik yang belum pernah ada sebelumnya untuk menganalisis elektron sinar kosmik. Tim mengonfirmasi spektrum energi elektron meluas hingga setidaknya 40 TeV, yang 400 kali lebih tinggi dari kemampuan deteksi energi akselerator berbasis Bumi. 

Sebuah "patah tajam" dalam spektrum sekitar 1 TeV menunjukkan elektron pada energi ini kehilangan energinya dengan cepat di dalam Galaksi Bima Sakti, menunjukkan, seperti yang dinyatakan de Naurois, bahwa mereka berasal dari sumber yang relatif dekat.

"Kejelasan patahan ini menunjukkan bahwa hanya sedikit, atau bahkan hanya satu, sumber kosmik yang bertanggung jawab atas elektron ini," tambahnya. 

"Jika beberapa sumber terlibat, spektrum akan lebih halus, dengan patahan terjadi pada tingkat energi yang berbeda-beda. Kandidat terbaik adalah supernova tua, atau angin bintang kuat dari bintang WR [inti telanjang dari bintang-bintang besar yang awalnya telah kehilangan selubung kaya hidrogen akibat angin bintang], tetapi ada kemungkinan lain yang belum bisa kita abaikan."

Tim mengatakan analisis mereka tidak hanya menyediakan data penting, tetapi juga data yang akan menjadi tolok ukur untuk studi masa depan. (Space/Z-3)