BINTANG TERKELUPAS, PASANGAN TERSEMBUNYI, ORBIT 4,2 JAM

Sebuah bintang kecil yang sangat panas di Awan Magellan Kecil, di luar Bima Sakti, menyelesaikan satu putaran setiap 4 jam 10 menit mengelilingi pasangan yang tidak memancarkan cahaya. Namanya DGL-3, dan pasangan tersembunyinya kemungkinan besar adalah bintang neutron, inti runtuh yang luar biasa padat yang tersisa ketika bintang masif meledak.

Bintang yang lapisan luarnya terkelupas

DGL-3 adalah bintang terkelupas (stripped star): ia telah kehilangan selubung luarnya yang kaya hidrogen dalam interaksi dengan sebuah pendamping. Yang tersisa padat, panas, miskin hidrogen, dan membakar helium di pusatnya.

• Massa: sekitar 3,4 kali massa Matahari, diperkirakan dari kecerlangannya, dengan rentang ketidakpastian yang sangat timpang (2,96 hingga 7,72 massa Matahari).
• Jari-jari: sekitar 0,77 kali jari-jari Matahari; suhu permukaan: sekitar 71.000 kelvin; hidrogen: hanya 10% dari permukaannya.

Bintang bermassa “menengah” seperti ini cukup berat agar intinya runtuh menjadi bintang neutron, tetapi tidak cukup berat untuk membentuk lubang hitam. Dalam model-model saat ini, pasangan bintang neutron yang cukup rapat untuk bergabung, berputar spiral saling mendekat sambil memancarkan gelombang gravitasi, terlebih dahulu melewati tahap persis seperti ini: sebuah bintang neutron yang mengorbit bintang terkelupas. Tahap itu belum pernah diamati secara langsung, dan laju penggabungan yang diramalkan berselisih hingga beberapa orde besaran.

Menimbang pasangan yang tidak bersinar

Tim ini mengumpulkan 38 spektrum dengan teleskop Magellan 6,5 meter di Cile antara 2019 dan 2022. Garis-garis spektrum bintang itu — garis gelap pada warna-warna tertentu yang presisi dalam cahayanya — bergeser ke arah biru ketika ia mendekati kita dan ke arah merah ketika ia menjauh (efek Doppler); garis-garis itu menunjukkan ia berayun mendekat dan menjauh dari kita dengan kecepatan hingga 151,4 km/s, pada orbit melingkar yang selesai setiap 4,1693 jam.

Periode dan kecepatan memberikan fungsi massa (mass function), yang mengaitkan massa pasangan dengan massa bintang itu sendiri dan dengan kemiringan orbit dilihat dari Bumi (inklinasi-nya). Orbit yang terlihat tepat dari samping memberikan pasangan teringan yang dimungkinkan oleh orbit itu; dengan memperhitungkan massa bintang yang tidak pasti, nilai khas batas minimum itu adalah 1,38 ± 0,25 massa Matahari, sedikit di bawah 1,4 yang dapat dicapai katai putih (lihat di bawah). Karena itu, orbit saja tidak dapat menyingkirkan kemungkinan katai putih.

• Bukan bintang biasa: bintang semasif itu akan terlalu besar untuk muat di dalam orbit serapat itu.
• Bukan bintang terkelupas kedua: pendamping terkelupas palsu yang disisipkan ke dalam spektrum sungguhan selalu terdeteksi, padahal data sungguhan tidak menunjukkan jejak apa pun.

Yang tersisa adalah sebuah objek kompak: katai putih (sisa inti padat dari bintang yang lebih ringan), bintang neutron, atau lubang hitam.

99,4% dari goyangan 2,5%

Pada 18 Desember 2022, sebuah kamera cepat pada teleskop 3,5 meter di La Silla memotret DGL-3 setiap 20 detik selama sekitar 3,4 jam. Kecerlangannya naik dan turun sekitar 2,5%, dua kali per orbit: gravitasi sang pasangan sedikit meregangkan bintang itu menjadi bentuk telur, yang sisi panjangnya kita lihat dua kali setiap putaran, dengan besar yang bergantung pada massa pasangan dan pada inklinasi.

Tim ini menjalankan 500.000 model kurva cahaya ini dan memberi bobot pada masing-masing menurut seberapa baik ia cocok dengan data. Untuk massa sang pasangan:

• nilai yang paling mungkin adalah 1,58 massa Matahari;
• hanya 0,6% dari peluangnya berada di bawah 1,4 massa Matahari, batas Chandrasekhar yang menyingkirkan katai putih: karenanya ada peluang 99,4% bahwa pasangan itu terlalu masif untuk menjadi katai putih;
• hanya 3,4% berada dalam rentang lubang hitam yang sudah terkonfirmasi; sisa ekor beratnya jatuh di celah antara bintang neutron dan lubang hitam.

Maka bintang neutron adalah pasangan yang paling mungkin: sebuah peluang, bukan bukti. Teleskop sinar-X tidak mendeteksi apa pun; bintang neutron yang menelan gas dari pasangannya akan berpendar dalam sinar-X, tetapi menurut para penulis kesenyapan itu sesuai dengan bintang neutron yang diberi makan oleh angin bintang yang lemah.

Masa depan yang ditulis oleh model komputer

Tim ini lalu mengembangkan sistem itu dengan kode evolusi bintang MESA: bintang terkelupas 3,6 massa Matahari, bintang neutron 1,4, orbit 4,2 jam. Yang berikut ini adalah ramalan, bukan pengamatan.

1. Bintang itu membakar helium di intinya selama 1,4 juta tahun lagi, lalu membengkak. Dalam orbit serapat itu, tumbuh sebesar setengah jari-jari Matahari saja sudah membuatnya meluap dan mencurahkan gas ke pasangannya.
2. Selama 26.000 tahun, 1,2 massa Matahari lolos ke angkasa. Bintang neutron hanya menelan 0,00072 massa Matahari, cukup untuk mempercepat putarannya hingga satu putaran setiap 79 milidetik. Orbitnya menyusut menjadi 1,9 jam.
3. Setelah kehilangan seluruh hidrogennya, bintang itu meledak sebagai supernova dan meninggalkan bintang neutron kedua. Dengan kecepatan orbit hampir 800 km/s, hanya tendangan yang luar biasa besar — sentakan balik yang dapat diberikan ledakan itu kepada bintang neutron yang baru lahir — yang bisa memisahkan pasangan itu.
4. Ledakan itu menghembuskan gas sekitar satu massa Matahari. Tersisa dua bintang neutron, pada orbit lonjong 4,4 jam yang lebih lebar, yang bergabung 220 juta tahun kemudian.

Di mana ramalan ini bisa meleset

Mata rantai terlemah, menurut para penulis, adalah seberapa banyak momentum sudut, “jumlah rotasi” orbit, yang terbawa oleh gas yang lolos. Dalam satu dari tujuh varian model, gas yang hilang membentuk cakram yang mengelilingi kedua bintang, dan pasangan itu bergabung sebelum supernova kedua. Dalam enam varian lainnya, dua bintang neutron terbentuk dan akhirnya bergabung, antara 175 juta dan 7,9 miliar tahun kemudian.

DGL-3 terletak sekitar 60.600 parsec jauhnya — sekitar 200.000 tahun cahaya (satu parsec sekitar 3,26 tahun cahaya). Seandainya 60 hingga 600 kali lebih dekat, dalam jarak 100 hingga 1.000 parsec, observatorium gelombang gravitasi frekuensi rendah seperti LISA akan mendeteksinya, catat para penulis.