Penemuan Sinar Gamma dari Bintang Neutron Mungkin Mengungkap Misteri Materi Gelap dalam 10 Detik

SINAR gamma yang muncul dari bintang neutron di pusat ledakan supernova dapat menyelesaikan misteri materi gelap. Hal ini jika materi gelap terdiri dari axion, partikel hipotetik ringan yang saat ini menjadi kandidat utama untuk materi gelap.

Tim dari Universitas California, Berkeley, yang mengembangkan teori ini, percaya bahwa jika benar, supernova yang meledak cukup dekat dengan Bumi akan memungkinkan kita untuk mendeteksi emisinya berupa cahaya energi tinggi, mengonfirmasi massa axion, dan menyelesaikan teka-teki materi gelap.

Ledakan supernova yang dibutuhkan harus berasal dari bintang masif yang mati dan meledak di dalam Galaksi Bima Sakti atau salah satu galaksi satelitnya, seperti Awan Magellan Besar. Peristiwa ini terjadi setiap beberapa dekade, dengan supernova terdekat terakhir, yang dikenal dengan supernova 1987A, meledak di Awan Magellan Besar pada 1987.

Baca juga : Astronom Menemukan Galaksi Kerdil dengan Pola Rotasi yang Tidak Biasa

Jika para peneliti benar, pencarian materi gelap yang telah membingungkan astronom selama beberapa dekade ini bisa diselesaikan dalam waktu yang sangat dekat dengan sedikit keberuntungan.

Deteksi sinar gamma yang menjadi tanda akan membutuhkan teleskop sinar gamma satu-satunya di ruang angkasa, Fermi Gamma-ray Space Telescope, untuk mengarah ke supernova terdekat saat meledak. Dengan mempertimbangkan bidang pandang Fermi, kemungkinan ini terjadi adalah 1 dari 10.

Tim tersebut berpendapat bahwa hanya satu deteksi sinar gamma dari bintang neutron di pusat puing-puing supernova sudah cukup untuk menentukan massa axion dari berbagai massa teoritis yang saat ini disarankan untuk partikel hipotetik ini. Tim ini khususnya tertarik pada deteksi jenis axion yang disebut axion QCD. Berbeda dengan axion yang diperkirakan lainnya, massa axion QCD bergantung pada suhu.

Baca juga : Astronom Menemukan Galaksi Kerdil dengan Pola Rotasi yang Tidak Biasa

"Jika kita melihat sebuah supernova, seperti supernova 1987A, dengan teleskop sinar gamma modern, kita akan dapat mendeteksi atau mengecualikan axion QCD ini," kata Benjamin Safdi, penulis utama penelitian dan profesor fisika di Universitas California Berkeley, dalam sebuah pernyataan. "Dan semua itu akan terjadi dalam waktu 10 detik."

Mengapa Sinar Gamma?

Materi gelap merupakan masalah besar bagi para ilmuwan karena massa materi gelap lebih besar lima kali lipat dibandingkan dengan materi sehari-hari yang ada di alam semesta. Ini penting karena setiap bintang, awan debu kosmik, bulan, asteroid, planet, manusia, hewan, dan setiap benda mati yang mengisi kehidupan kita terbuat dari materi sehari-hari.

Materi gelap juga rumit karena tidak berinteraksi dengan cahaya atau, jika berinteraksi, interaksinya sangat lemah sehingga kita tidak dapat melihatnya. Hal ini membuat materi gelap secara efektif tak terlihat. Seiring pencarian partikel yang bisa membentuk materi gelap berlanjut, axion muncul sebagai kandidat utama.

Baca juga : Penemuan Bintang Neutron Tercepat dengan Ledakan Termonuklir Setara Bom Atom

Ini berguna karena partikel ini tidak hanya cocok dengan Model Standar fisika partikel, tetapi juga menjelaskan misteri lainnya. Sebagai contoh, mereka bisa menjadi kunci untuk menyatukan teori gravitasi Albert Einstein, relativitas umum, dan fisika kuantum.

"Sepertinya hampir mustahil memiliki teori gravitasi yang konsisten dipadukan dengan mekanika kuantum tanpa partikel seperti axion," jelas Safdi.

Sementara banyak eksperimen berbasis Bumi telah mencari keberadaan axion, banyak ilmuwan kini mengalihkan perhatian mereka ke bintang neutron, bintang ekstrem di alam semesta, yang diyakini dapat menyimpan partikel-partikel hipotetik ini.

Baca juga : Tabrakan Dahsyat Bintang Neutron Lahirkan Lubang Hitam Terkecil

Bintang neutron terbentuk ketika bintang masif kehabisan bahan bakar yang diperlukan untuk fusi nuklir di inti mereka, dan tekanan radiasi keluar yang telah mereka hasilkan selama miliaran tahun berhenti. Ini berarti bintang-bintang ini tidak dapat lagi menahan diri dari dorongan gravitasi internalnya.

Saat inti mereka runtuh dengan cepat, gelombang kejut meluncur ke lapisan luar bintang-bintang masif ini, memicu supernova yang meledakkan sebagian besar massa bintang. Hasilnya adalah bintang neutron dengan massa antara satu hingga dua kali massa Matahari dan lebar sekitar 12 mil (20 kilometer).

Para ilmuwan telah mengusulkan untuk mencari axion yang terbentuk di dalam bintang neutron segera setelah supernova yang menghasilkan mereka terjadi. Usaha ini sebagian besar difokuskan pada axion yang perlahan menghasilkan foton (partikel dasar cahaya) berupa sinar gamma ketika partikel ini berinteraksi dengan medan magnet di sekitar galaksi.

Safdi dan rekan-rekannya berteori proses ini tidak akan sangat efisien dalam menghasilkan sinar gamma, setidaknya tidak dalam volume yang cukup besar untuk dideteksi dari Bumi. Mereka kemudian beralih fokus pada proses kosmik serupa, tetapi kali ini yang terjadi di medan magnet kuat yang mengelilingi bintang neutron itu sendiri. 

Mereka menemukan wilayah ini dapat secara efisien memicu lonjakan sinar gamma yang sesuai dengan massa axion dan bertepatan dengan lonjakan "partikel hantu," atau neutrino, dari inti bintang neutron terkait.

Lonjakan axion ini hanya akan berlangsung selama 10 detik setelah pembentukan bintang neutron, dengan laju produksi partikel hipotetik ini menurun secara dramatis beberapa jam sebelum lapisan luar bintang meledak.

"Ini benar-benar membuat kami berpikir tentang bintang neutron sebagai target optimal untuk mencari axion sebagai laboratorium axion," kata Safdi. 

"Bintang neutron memiliki banyak keuntungan. Mereka adalah objek yang sangat panas. Mereka juga memiliki medan magnet yang sangat kuat. Medan magnet terkuat di alam semesta ditemukan di sekitar bintang neutron, seperti magnetar, yang memiliki medan magnet yang miliaran kali lebih kuat daripada yang bisa kita bangun di laboratorium. Itu membantu mengonversi axion ini menjadi sinyal yang dapat diamati."

Mengikuti jalur penyelidikan ini, dan mempertimbangkan laju pendinginan bintang neutron saat mereka menghasilkan axion dan neutrino, Safdi dan rekan-rekannya menentukan bahwa massa maksimum dari axion QCD kemungkinan akan 32 kali lebih kecil dari massa elektron.

Dalam penelitian baru ini, tim menggambarkan produksi sinar gamma setelah supernova yang menyebabkan pembentukan bintang neutron dan mempertimbangkan signifikansi fakta Fermi tidak mendeteksi sinar gamma ketika supernova 1987A meledak. 

Ini membuat para peneliti menyimpulkan deteksi sinar gamma dari peristiwa ledakan seperti itu akan memungkinkan mereka untuk menemukan axion QCD jika memiliki massa lebih besar dari 10 miliar kali massa elektron. Deteksi tunggal, menurut mereka, sudah cukup untuk mengalihkan pencarian axion dan membantu mengonfirmasi massanya.

"Skenario terbaik untuk axion adalah Fermi menangkap supernova. Hanya saja kemungkinan itu kecil," kata Safdi. "Tapi jika Fermi melihatnya, kami akan dapat mengukur massanya. Kami akan dapat mengukur kekuatan interaksinya. Kami akan dapat menentukan segala hal yang perlu kami ketahui tentang axion, dan kami akan sangat yakin dengan sinyalnya karena tidak ada materi biasa yang bisa menciptakan peristiwa seperti itu."

Tim ini sadar bahwa ada bahaya kehilangan deteksi sinar gamma yang dihasilkan oleh axion dari supernova yang lama ditunggu-tunggu yang meledak di dekat Galaksi Bima Sakti.

Untuk menghindari hasil tersebut, tim ini bekerja sama dengan ilmuwan pembuat teleskop sinar gamma untuk menentukan seberapa layak untuk mengamati 100% langit 24/7. Ini akan memastikan bahwa setiap sinar gamma yang keluar dari supernova akan terdeteksi. Para peneliti mengusulkan agar konstelasi satelit sinar gamma langit penuh ini dinamai Instrumen Axion Galaksi untuk Supernova (GALAXIS).

"Saya rasa kami semua di sini cemas jika supernova berikutnya terjadi sebelum kami memiliki instrumen yang tepat," kata Safdi. "Akan sangat disayangkan jika supernova meledak besok dan kami kehilangan kesempatan untuk mendeteksi axion — mungkin tidak akan terjadi lagi dalam 50 tahun." (Space/Z-3)