Penelitian NASA Ungkap Peran Microquasar dalam Mempercepat Partikel Kosmik

Para astronom menemukan microquasar memiliki peran besar dalam mempercepat partikel berenergi tinggi yang dikenal sebagai sinar kosmik.(Science Communication Lab for MPIK/H.E.S.S.)

MENGGUNAKAN data selama 16 tahun dari wahana antariksa Fermi milik NASA yang mendeteksi sinar gamma, para astronom telah menemukan "mikrokuasar" mungkin kecil, tetapi memiliki dampak yang luar biasa.

Meskipun ukurannya kecil, penelitian ini menunjukkan bahkan mikrokuasar yang mengonsumsi bintang kecil dapat memberikan pengaruh kosmik yang mengesankan, berfungsi sebagai akselerator partikel alami yang sangat kuat.

Ini berarti lubang hitam yang mengonsumsi bintang, baik besar maupun kecil, mungkin bertanggung jawab atas jumlah partikel bermuatan berenergi tinggi yang lebih besar dari yang diperkirakan sebelumnya. Partikel ini disebut "sinar kosmik" dan terus-menerus membombardir Bumi. Mekanisme akselerasi partikel ini berasal dari jet berkecepatan mendekati cahaya yang dipancarkan oleh mikrokuasar.

Mikrokuasar dan Peranannya dalam Produksi Sinar Kosmik

"Bumi terus-menerus dibombardir oleh partikel yang dipercepat di berbagai tempat di galaksi kita. Partikel ini sebagian besar berupa proton dan elektron, yang umumnya dikenal sebagai sinar kosmik," ujar Guillem Martí-Devesa dari Università di Trieste, salah satu pemimpin tim penelitian, kepada Space.com. "Namun, asal-usulnya telah diperdebatkan selama beberapa dekade."

Martí-Devesa dan rekannya, Laura Olivera-Nieto dari Institut Fisika Nuklir Max Planck, menemukan sumber baru sinar gamma yang konsisten dengan posisi GRS 1915+105, sebuah mikrokuasar terkenal di mana lubang hitam perlahan melahap bintang bermassa rendah.

"Menemukan sumber yang dapat mempercepat partikel dan memahami apa yang membuatnya istimewa adalah langkah pertama untuk mengungkap mengapa dan bagaimana alam semesta kadang-kadang menghasilkan sejumlah kecil partikel dengan energi yang sangat besar," kata Olivera-Nieto. 

"Untuk mempercepat partikel, biasanya diperlukan beberapa faktor: medan magnet yang kuat, daya besar, serta keberadaan partikel untuk dipercepat. Jet mikrokuasar memiliki semua faktor tersebut!"

Kuarsar vs. Mikrokuasar

Kuarsar standar digerakkan lubang hitam supermasif yang melahap materi dan gas di pusat beberapa galaksi, yang dikenal sebagai inti galaksi aktif (AGN). Kuarsar adalah salah satu sumber cahaya paling terang di alam semesta, sering kali lebih terang daripada gabungan miliaran bintang di galaksi tempat mereka berada.

Sementara itu, lubang hitam supermasif memiliki massa antara jutaan hingga miliaran kali massa Matahari, sedangkan lubang hitam dalam mikrokuasar yang mengonsumsi bintang hanya memiliki massa beberapa ratus kali massa Matahari.

"Kebanyakan bintang di galaksi ini tidak sendirian, tetapi mengorbit bintang lain. Mikrokuasar adalah jenis pasangan bintang khusus di mana salah satu bintangnya sudah 'mati'—kehabisan bahan bakar dan meledak," kata Olivera-Nieto. 

"Yang tersisa adalah lubang hitam. Jika bintang normal cukup dekat dengan lubang hitam, maka lubang hitam akan mulai menarik materi dari bintang tersebut dan melahapnya sedikit demi sedikit.

"Kami menyebut objek ini 'mikrokuasar' karena menyerupai kuasar, tetapi terjadi pada skala yang lebih kecil, dengan lubang hitam berukuran lebih kecil dibandingkan yang ada di pusat galaksi."

Fenomena lubang hitam yang melahap bintang cukup umum terjadi. Ketika sebuah bintang terlalu dekat dengan lubang hitam supermasif, gravitasi yang sangat besar dari lubang hitam tersebut menciptakan gaya pasang surut yang meratakan bintang secara horizontal dan meregangkannya secara vertikal.

Proses ini, yang disebut "spaghettifikasi," mengubah bintang menjadi pita materi bintang yang membungkus lubang hitam supermasif dan perlahan-lahan dikonsumsi olehnya. Kejadian dahsyat ini dikenal sebagai "peristiwa gangguan pasang surut" atau tidal disruption events (TDEs).

Mikrokuasar berbeda dari TDE karena bintang yang terlibat tidak langsung hancur total. Lubang hitam dalam mikrokuasar lebih suka "mengunyah" bintangnya perlahan-lahan.

"Mikrokuasar berada dalam orbit yang stabil, dengan lubang hitam hanya mengambil materi dari bintang secara perlahan," jelas Olivera-Nieto. "Artinya, bintang tersebut tidak langsung hancur akibat gaya pasang surut dan masih bisa bertahan dalam waktu yang lama."

Mikrokuasar sebagai Akselerator Partikel Kosmik

Penelitian ini menunjukkan bahwa meskipun ukuran lubang hitam dalam mikrokuasar lebih kecil dibandingkan lubang hitam supermasif, serta proses "melahap" bintangnya berjalan lambat, mereka tetap dapat memiliki pengaruh kosmik yang signifikan, menjadi akselerator partikel alami yang sangat kuat.

"Dalam kasus mikrokuasar, kita memiliki bintang yang perlahan-lahan ditelan oleh lubang hitam," kata Martí-Devesa. "Sebagai akibatnya, lubang hitam dapat menghasilkan jet relativistik yang kuat, yang merupakan ciri khas utama dari mikrokuasar."

Jet ini menjadi salah satu aliran materi paling kuat di galaksi kita dan berperan sebagai akselerator partikel kosmik yang luar biasa. Pertanyaan yang muncul adalah seberapa besar kontribusi mikrokuasar terhadap sinar kosmik di Bima Sakti, terutama mikrokuasar yang memiliki lubang hitam bermassa sangat rendah.

Untuk menjawab pertanyaan ini, Olivera-Nieto dan Martí-Devesa menganalisis data selama 16 tahun yang dikumpulkan oleh wahana antariksa Fermi NASA menggunakan detektor Large Area Telescope (LAT).

Mereka menemukan sinyal sinar gamma yang terkait dengan mikrokuasar GRS 1915+105, juga dikenal sebagai V1487 Aquilae, yang menjadi temuan mengejutkan.

Hal ini mengejutkan karena GRS 1915+105 merupakan sistem bintang biner bermassa rendah, dengan lubang hitam bermassa 14 kali massa Matahari yang secara perlahan melahap bintang yang massanya hanya setengah massa Matahari.

Temuan ini bertolak belakang dengan mikrokuasar yang sebelumnya diketahui dapat mempercepat partikel, yang umumnya memiliki bintang pendamping bermassa besar. Misalnya, mikrokuasar SS 433 memiliki lubang hitam yang mengonsumsi bintang dengan massa 10 kali massa Matahari.

"Yang membuat sistem ini istimewa adalah kemungkinannya cukup umum," kata Olivera-Nieto. "Jumlah bintang di galaksi menurun drastis seiring dengan bertambahnya massa mereka. Bintang bermassa rendah jauh lebih umum dibandingkan bintang bermassa besar. Konsekuensinya, hal yang sama juga berlaku untuk sistem mikrokuasar."

Ini berarti jika bahkan sistem dengan lubang hitam kecil yang melahap bintang kecil dapat mempercepat partikel hingga menghasilkan sinar gamma, maka kontribusi mikrokuasar terhadap sinar kosmik di galaksi kita mungkin jauh lebih besar dari yang diperkirakan sebelumnya.

"Ada banyak mikrokuasar lain yang tidak menunjukkan bukti emisi sinar gamma, yang berarti tidak ada bukti percepatan partikel hingga energi tinggi," ujar Olivera-Nieto. "Sebagian karena kita belum mengamatinya dengan teleskop yang cukup sensitif, tetapi ada juga yang memang tidak efisien sebagai akselerator partikel.

"Kami ingin memahami perbedaan antara sistem-sistem ini, karena di situlah petunjuk utama untuk mengetahui seberapa banyak sinar kosmik yang dihasilkan dalam jet mikrokuasar."

Dengan bukti baru bahwa mikrokuasar dengan bintang bermassa rendah juga dapat berperan sebagai akselerator partikel dan berkontribusi terhadap sinar kosmik yang mencapai Bumi, Martí-Devesa menyarankan untuk meninjau kembali sistem mikrokuasar yang telah ditemukan sebelumnya.

"Kami berharap penelitian ini menjadi langkah maju yang penting dalam memahami kontribusi mikrokuasar terhadap kelimpahan sinar kosmik di galaksi kita," ujar Martí-Devesa. "Dengan demikian, kita dapat mengevaluasi kembali seluruh populasi mikrokuasar dan peran sebenarnya mereka sebagai penghasil sinar kosmik di Bima Sakti." (Space/Z-2)