Studi Menjelaskan Ledakan Sinar Gamma Berkedip Menggunakan Debu Bintang Jatuh, Jet Tidak Stabil | Siger Lampung Teknologi

Ahli astrofisika telah mengembangkan simulasi 3D pertama dari seluruh evolusi jet dari kelahirannya oleh lubang hitam yang berputar hingga emisinya jauh dari bintang yang runtuh.

Simulasi menunjukkan bahwa saat bintang runtuh, materialnya jatuh pada piringan yang berputar di sekitar lubang hitam. Bahan jatuh ini memiringkan piringan, dan, pada gilirannya, memiringkan jet, yang bergoyang saat berjuang untuk kembali ke lintasan aslinya.

Pancaran goyangan tersebut menjelaskan misteri lama mengapa semburan sinar gamma berkedip dan menunjukkan bahwa semburan ini bahkan lebih jarang daripada yang diperkirakan sebelumnya.

Bacaan Lainnya

Karena pancaran sinar gamma ini menghasilkan ledakan sinar gamma (GRBs) — peristiwa paling energik dan bercahaya di alam semesta sejak Big Bang — simulasi telah menjelaskan ledakan cahaya yang aneh dan intens ini. Temuan baru mereka termasuk penjelasan untuk pertanyaan lama mengapa GRB secara misterius diselingi oleh saat-saat tenang – berkedip antara emisi kuat dan keheningan yang menakutkan. Simulasi baru juga menunjukkan bahwa GRB bahkan lebih jarang dari yang diperkirakan sebelumnya.

Studi baru ini diterbitkan pada 29 Juni di Surat Jurnal Astrofisika. Ini menandai simulasi 3D penuh pertama dari seluruh evolusi jet — dari kelahirannya di dekat lubang hitam hingga emisinya setelah melarikan diri dari bintang yang runtuh. Model baru ini juga merupakan simulasi resolusi tertinggi dari jet skala besar.

“Jet-jet ini adalah peristiwa paling kuat di alam semesta,” kata Ore Gottlieb dari Northwestern University, yang memimpin penelitian tersebut. “Penelitian sebelumnya telah mencoba memahami cara kerjanya, tetapi penelitian tersebut dibatasi oleh kekuatan komputasi dan harus menyertakan banyak asumsi. Kami dapat memodelkan seluruh evolusi jet sejak awal — sejak kelahirannya oleh lubang hitam — tanpa berasumsi apapun tentang struktur jet. Kami mengikuti jet dari lubang hitam sampai ke lokasi emisi dan menemukan proses yang telah diabaikan dalam penelitian sebelumnya.”

Gottlieb adalah Rothschild Fellow di Pusat Eksplorasi dan Penelitian Interdisipliner Northwestern di Astrofisika (CIERA). Dia ikut menulis makalah dengan anggota CIERA Sasha Tchekhovskoy, asisten profesor fisika dan astronomi di Sekolah Tinggi Seni dan Sains Weinberg Northwestern.

Goyangan yang aneh

Fenomena paling bercahaya di alam semesta, GRB muncul ketika inti bintang masif runtuh di bawah gravitasinya sendiri untuk membentuk lubang hitam. Saat gas jatuh ke dalam lubang hitam yang berputar, ia memberi energi — meluncurkan jet ke bintang yang runtuh. Jet itu meninju bintang sampai akhirnya keluar darinya, berakselerasi dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Setelah melepaskan diri dari bintang, jet menghasilkan GRB yang cerah.

“Jet itu menghasilkan GRB ketika mencapai sekitar 30 kali ukuran bintang – atau sejuta kali ukuran lubang hitam,” kata Gottlieb. “Dengan kata lain, jika lubang hitam seukuran bola pantai, jet itu perlu meluas ke seluruh ukuran Prancis sebelum bisa menghasilkan GRB.”

Karena besarnya skala ini, simulasi sebelumnya tidak dapat memodelkan evolusi penuh dari kelahiran jet dan perjalanan selanjutnya. Dengan menggunakan asumsi, semua penelitian sebelumnya menemukan bahwa jet merambat sepanjang satu sumbu dan tidak pernah menyimpang dari sumbu itu.

Tapi simulasi Gottlieb menunjukkan sesuatu yang sangat berbeda. Saat bintang runtuh ke dalam lubang hitam, materi dari bintang itu jatuh ke piringan gas magnet yang berputar di sekitar lubang hitam. Bahan yang jatuh menyebabkan piringan miring, yang, pada gilirannya, memiringkan jet. Saat jet berjuang untuk menyelaraskan kembali dengan lintasan aslinya, ia bergoyang di dalam kolapsar.

Goyangan ini memberikan penjelasan baru mengapa GRB berkedip. Selama saat-saat tenang, jet tidak berhenti — pancaran pancarannya menjauh dari Bumi, sehingga teleskop tidak dapat mengamatinya.

“Emisi dari GRB selalu tidak teratur,” kata Gottlieb. “Kami melihat lonjakan emisi dan kemudian waktu diam yang berlangsung selama beberapa detik atau lebih. Seluruh durasi GRB adalah sekitar satu menit, jadi waktu diam ini adalah bagian yang tidak dapat diabaikan dari total durasi. Model sebelumnya tidak mampu menjelaskan dari mana datangnya waktu diam ini. Getaran ini secara alami memberikan penjelasan untuk fenomena itu. Kita mengamati pancaran ketika ia menunjuk ke arah kita. Tetapi ketika pancaran bergoyang untuk menjauhi kita, kita tidak dapat melihat pancarannya. Ini adalah bagian dari teori relativitas Einstein.”

Langka menjadi langka

Jet goyah ini juga memberikan wawasan baru tentang tingkat dan sifat GRB. Meskipun penelitian sebelumnya memperkirakan bahwa sekitar 1 persen kolapsar menghasilkan GRB, Gottlieb percaya bahwa GRB sebenarnya jauh lebih jarang.

Jika jet dibatasi untuk bergerak sepanjang satu sumbu, maka itu hanya akan menutupi sepotong tipis langit — membatasi kemungkinan untuk mengamatinya. Tetapi sifat jet yang goyah berarti bahwa astrofisikawan dapat mengamati GRB pada orientasi yang berbeda, meningkatkan kemungkinan untuk menemukannya. Menurut perhitungan Gottlieb, GRB 10 kali lebih dapat diamati daripada yang diperkirakan sebelumnya, yang berarti bahwa ahli astrofisika kehilangan GRB 10 kali lebih sedikit daripada yang diperkirakan sebelumnya.

“Idenya adalah kami mengamati GRB di langit dalam tingkat tertentu, dan kami ingin belajar tentang tingkat sebenarnya dari GRB di alam semesta,” Gottlieb menjelaskan. “Tingkat yang diamati dan yang sebenarnya berbeda karena kita hanya dapat melihat GRB yang menunjuk ke kita. Itu berarti kita perlu mengasumsikan sesuatu tentang sudut yang dicakup oleh jet ini di langit, untuk menyimpulkan tingkat GRB yang sebenarnya. Itu adalah, berapa fraksi GRB yang kita lewatkan. Goyangan meningkatkan jumlah GRB yang dapat dideteksi, sehingga koreksi dari tingkat yang diamati ke tingkat sebenarnya lebih kecil. Jika kita melewatkan lebih sedikit GRB, maka secara keseluruhan ada lebih sedikit GRB di langit.”

Jika ini benar, Gottlieb berpendapat, maka sebagian besar jet gagal diluncurkan sama sekali atau tidak pernah berhasil melarikan diri dari kolapsar untuk menghasilkan GRB. Sebaliknya, mereka tetap terkubur di dalam.

Energi campuran

Simulasi baru juga mengungkapkan bahwa beberapa energi magnetik di jet sebagian berubah menjadi energi panas. Hal ini menunjukkan bahwa jet memiliki komposisi hibrida energi magnetik dan termal, yang menghasilkan GRB. Dalam langkah maju yang besar dalam memahami mekanisme yang menggerakkan GRB, ini adalah pertama kalinya para peneliti menyimpulkan komposisi jet GRB pada saat emisi.

“Mempelajari jet memungkinkan kita untuk ‘melihat’ apa yang terjadi jauh di dalam bintang saat ia runtuh,” kata Gottlieb. “Jika tidak, sulit untuk mempelajari apa yang terjadi pada bintang yang runtuh karena cahaya tidak dapat lepas dari interior bintang. Tetapi kita dapat belajar dari emisi jet – sejarah jet dan informasi yang dibawanya dari sistem yang meluncurkannya.”

Kemajuan utama dari simulasi baru sebagian terletak pada kekuatan komputasinya. Menggunakan kode “H-AMR” pada superkomputer di Oak Ridge Leadership Computing Facility di Oak Ridge, Tennessee, para peneliti mengembangkan simulasi baru, yang menggunakan unit pemrosesan grafis (GPU) alih-alih unit pemrosesan pusat (CPU). Sangat efisien dalam memanipulasi grafik komputer dan pemrosesan gambar, GPU mempercepat pembuatan gambar pada layar.


Pos terkait

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan.