TABRAKAN BINTANG NEUTRON YANG DISIAPKAN SELAMA 12 MILIAR TAHUN

Pada 2017, detektor LIGO dan Virgo menangkap gelombang gravitasi dari dua bintang neutron yang saling berpilin mendekat: GW170817. Teleskop-teleskop kemudian melihat ledakannya sendiri, semburan sinar gama dan sebuah kilonova yang berpendar, di galaksi NGC 4993. Penggabungan bintang neutron kedua, GW190425, telah terdeteksi sejak itu, tetapi lokasinya ditentukan dengan buruk dan tidak ada cahaya yang ditemukan. Karena itu, GW170817 tetap menjadi satu-satunya peristiwa gelombang gravitasi yang pernah dikaitkan dengan sebuah galaksi.

Galaksi itu adalah sebuah petunjuk. Ryan Foley, dari University of California, Santa Cruz, memakainya untuk mempertanyakan berapa lama pasangan semacam itu menunggu sebelum bergabung — dan menemukan jawaban yang tidak sesuai dengan gambaran yang lazim.

Waktu tunggu

Para astronom menyebutnya waktu tunda (delay time): waktu antara lahirnya bintang-bintang dan penggabungan. Begitu dua bintang neutron terbentuk, keduanya perlahan kehilangan energi orbit melalui gelombang gravitasi. Waktu yang diperlukan bertambah sebanding dengan pangkat empat jarak pisah keduanya, sehingga pasangan yang lahir berdekatan bergabung dengan cepat dan pasangan yang lahir berjauhan bergabung terlambat.

Untuk rentang luas jarak pisah awal yang masuk akal, hal ini menghasilkan aturan sederhana: jumlah penggabungan per satuan waktu tunda turun sebanding dengan 1 dibagi waktu tunda. Tambahkan waktu tunda minimum sekitar 10 juta tahun, dan Anda memperoleh distribusi kanonis. Pesannya: sebagian besar pasangan bergabung tidak lama setelah bintang-bintangnya lahir, dan hanya sedikit yang menunggu miliaran tahun.

Menentukan umur NGC 4993

NGC 4993 adalah galaksi “tipe awal”, dari kelas yang oleh para astronom diberi label S0. Tidak ada gugus bintang dan tidak ada wilayah pembentukan bintang di dekat titik tempat kilonova itu bersinar, sehingga pasangan itu kemungkinan besar terbentuk jauh sebelum penggabungan, di bagian lain galaksi. Karena itu, Foley memodelkan bintang-bintang di seluruh galaksi, dengan menggabungkan pengukuran dalam 14 warna dari ultraviolet hingga inframerah dengan sebuah spektrum dari instrumen MUSE pada Very Large Telescope.

Pencocokan itu membagi sejarah galaksi ke dalam 20 selang waktu dan membiarkan masing-masing membentuk bintang secara bebas. Hasilnya mencolok. Umur rata-rata bintang-bintangnya 12,4 miliar tahun (antara 11,7 dan 12,9, pada tingkat keyakinan 90%). Pembentukan bintang mencapai puncaknya antara 12,5 dan 13 miliar tahun lalu, sebanyak 54 massa Matahari bintang baru per tahun, dan tetap di bawah satu massa Matahari per tahun selama 9 miliar tahun terakhir. Sekitar 96% massa galaksi itu sudah terbentuk 10,2 miliar tahun lalu. Cangkang-cangkang di sekitar galaksi menunjukkan adanya penggabungan kecil sekitar satu miliar tahun lalu, tetapi spektrumnya tidak menunjukkan tanda bintang-bintang muda yang mungkin dihasilkannya.

Jadi, GW170817 kemungkinan besar memiliki waktu tunda sekitar 12 miliar tahun.

Peluang 1,8%

Foley kemudian menggabungkan umur ini dengan sejarah kosmik pembentukan bintang, laju penggabungan yang diukur oleh kolaborasi LIGO-Virgo-KAGRA, dan kedua penggabungan yang terdeteksi.

Menurut distribusi kanonis, untuk setiap penggabungan yang teramati saat ini dengan waktu tunda 10 miliar tahun, seharusnya ada sekitar 2 dengan waktu tunda 1 miliar tahun dan 16 dengan waktu tunda 100 juta tahun (untuk rentang waktu tunda yang sama). Peluang bahwa sebuah penggabungan yang terdeteksi setua GW170817 hanya 1,8%. Alasannya sederhana: NGC 4993 membentuk separuh bintangnya lebih dari 12,6 miliar tahun lalu, sedangkan alam semesta secara keseluruhan baru membentuk 1,1% bintangnya pada saat itu.

Rata-rata, para astronom memerlukan 55 deteksi lagi sebelum dapat mengharapkan satu kasus seperti itu. Namun, penggabungan pertama yang pernah ditentukan lokasinya ternyata adalah kasus langka itu.

Apa yang lebih disukai data

Ketika waktu tunda minimum dibiarkan bebas, data lebih menyukai waktu tunda yang sangat panjang. Distribusi yang di dalamnya tidak ada pasangan yang bergabung sebelum 12,6 miliar tahun lebih disukai daripada distribusi kanonis dengan faktor 40 hingga 140, bergantung pada cara laju penggabungan dimasukkan, dan lebih disukai daripada distribusi yang disimpulkan dari semburan sinar gama pendek dan dari bintang neutron ganda di Bima Sakti dengan faktor 80 hingga 280. Dalam salah satu perlakuan, waktu tunda minimum melampaui 7,5 miliar tahun pada tingkat keyakinan 90%.

Tiga jalan keluar

Agar gambaran kanonis bertahan, penggabungan dengan waktu tunda pendek pasti “hilang”. Foley mendaftar tiga penjelasan.

Pasangan-pasangan itu bisa jadi lahir dengan jarak jauh lebih lebar daripada yang diasumsikan. Waktu tunda minimum 10 miliar tahun berarti tidak ada pasangan bintang neutron bermassa 1,5 massa Matahari yang berawal lebih dekat daripada 0,021 satuan astronomi. Foley menilai hal itu tidak mungkin: hal itu akan bertentangan dengan bintang neutron ganda yang sudah dikenal dan dengan bintang ganda bermassa besar.
Detektor-detektor bisa jadi telah melewatkan banyak penggabungan. Foley menyebut hal itu sangat tidak mungkin.
Cara lain pembentukan pasangan, dengan waktu tunda panjang, bisa jadi menyaingi atau mendominasi cara yang lazim.

Foley lebih condong pada yang ketiga. Kandidat yang paling menjanjikan adalah gugus bintang yang padat, tempat pasangan dapat terbentuk melalui perjumpaan gravitasi antarbintang, dengan waktu tunda yang mendekati umur alam semesta. Dari sekitar 24 bintang neutron ganda yang dikenal di Bima Sakti, satu yang sudah dipastikan dan tiga yang belum dipastikan berada di gugus bola, sejenis gugus bintang yang padat. Namun, tidak ada gugus yang terlihat di lokasi GW170817, dan teori terbaru memprediksi terlalu sedikit penggabungan di gugus: lajunya harus lebih tinggi daripada yang diperkirakan.

Riak di luar satu peristiwa

Jika penggabungan menunggu selama ini, penggabungan itu datang terlambat untuk memperkaya Galaksi yang masih muda dengan unsur-unsur “proses-r” yang ditempanya, seperti europium. Dan pencarian yang memburu cahaya penggabungan baru dengan mengutamakan galaksi pembentuk bintang mungkin tidak membidik galaksi-galaksi yang paling menjanjikan. Dengan waktu tunda minimum 10 miliar tahun, tidak ada penggabungan semacam itu yang dapat terjadi sebelum alam semesta berumur 10 miliar tahun, sehingga detektor masa depan akan melihat jauh lebih sedikit penggabungan pada jarak yang sangat jauh.

Semua ini bertumpu pada dua peristiwa, dan hanya satu di antaranya yang lokasinya diketahui. Foley memperkirakan bahwa lebih banyak deteksi akan mempertajam gambaran ini, dan menduga bahwa distribusi yang sebenarnya tidak sesederhana satu hukum pangkat tunggal dengan waktu tunda minimum.