Tanyakan Ethan: Bisakah Non Bintang Masih Menjadi Bintang?

Sistem kerdil coklat terdekat dengan Bumi, Luman 16 , secara keseluruhan mengandung massa yang cukup untuk membentuk bintang katai merah jika Anda menyatukan semuanya. Pertanyaannya adalah, apakah ini akan pernah terjadi di alam semesta kita, cukup menarik

Di langit malam, bintang-bintang terlihat jelas ke segala arah dari kita, di mana pun kita melihat. Tetapi untuk setiap bintang yang telah mengumpulkan cukup massa untuk memulai fusi nuklir di pusatnya, membakar hidrogen, mengubahnya menjadi helium, dan mengubah materi menjadi energi melalui E = mc ² , ada banyak objek lain yang belum mencapai ini. Sebagian besar gumpalan massa mulai terbentuk di nebula tidak pernah tumbuh hingga cukup besar untuk menjadi bintang - sebaliknya, mereka menjadi awan gas terfragmentasi, asteroid, dunia berbatu, raksasa gas, atau kurcaci coklat. Brown dwarf adalah "unstars" dari Semesta yang telah mengumpulkan cukup banyak massa untuk memicu sintesis isotop langka, tetapi tidak cukup untuk menjadi bintang sejati. Tetapi banyak katai coklat ada berpasangan, itulah sebabnya pembaca kami menanyakan pertanyaan berikut:

Akankah orbit kurcaci cokelat ini menjadi lebih kecil seiring berjalannya waktu karena hilangnya energi pada gelombang gravitasi? Akankah mereka bergabung pada akhirnya? Jika demikian, apa yang terjadi setelah itu? Apakah mereka akan menjadi bintang sintesis nyata? Atau sesuatu yang sama sekali berbeda?

Dalam astronomi, seperti dalam hidup, hanya karena Anda tidak berhasil pertama kali tidak berarti Anda tidak akan pernah berhasil. Mari kita mulai dengan bintang-bintang itu.


Ilustrasi planet raksasa yang mengorbit bintang katai merah. Perbedaan antara planet, non-bintang, dan bintang sejati hanya dalam massa

Untuk menyalakan fusi nuklir di pusat bintang, dan untuk membuat inti hidrogen masuk ke dalam reaksi fusi, perlu untuk mencapai suhu urutan 4.000.000 K. Gas di ruang antarbintang tempat bintang terbentuk cukup dingin - hanya beberapa puluh derajat di atas nol mutlak. Tetapi kemudian gravitasi menghubungkan dan menyebabkan awan gas runtuh. Pada saat ini, atom-atom di dalam mendapatkan kecepatan, saling bertabrakan dan pemanasan. Jika ada beberapa atom, mereka akan memancarkan panas ini ke ruang antarbintang, mengirimkan aliran cahaya untuk melakukan perjalanan melalui seluruh galaksi. Tetapi jika Anda mengumpulkan banyak atom, mereka tidak melepaskan cahaya ini, karena itu bagian dalam awan gas mulai memanas.


Rasi bintang Orion, bersama dengan kompleks besar molekul awan dan bintang-bintang paling terang. Banyak bintang baru terbentuk karena jatuhnya gas, yang tidak memungkinkan panas keluar dari tempat pembentukan bintang

Jika sesuatu yang kecil, dengan berat asteroid, membentuk Bumi, atau bahkan Yupiter, ia dapat menghangat hingga ribuan atau bahkan puluhan ribu derajat dalam inti - tetapi masih akan sangat jauh dari suhu sintesis. Tetapi ketika Anda mencapai massa kritis tertentu - sekitar tiga belas massa Jupiter - Anda mendapatkan suhu urutan 1.000.000 K. Ini tidak cukup untuk sintesis helium dari hidrogen, tetapi itu adalah suhu kritis untuk reaksi tertentu: sintesis deuterium. Dalam urutan 0,002% hidrogen di Semesta, nukleus tidak hanya mengandung proton, tetapi proton yang terkait dengan neutron, yaitu deuteron. Pada suhu sejuta derajat, deuteron dan proton mampu mensintesis helium-3 (isotop helium yang tidak umum), dan reaksi ini terjadi dengan pelepasan energi.

g
Reaksi rantai proton-proton yang bertanggung jawab atas sebagian besar energi matahari adalah contoh dari fusi nuklir. Dalam sintesis deuterium, hanya reaksi ² H (deuterium) + ¹ H (proton) -> ³ He (helium-3) dapat terjadi

Ini penting! Output energi ini, terutama dalam fase protobintang, menghasilkan radiasi berenergi tinggi yang tahan terhadap keruntuhan gravitasi internal dan mencegah pusat memanas terlalu banyak, yang dapat meningkatkan suhu hingga 4.000.000 K. Ini memberikan waktu tambahan - puluhan ribu tahun atau lebih - untuk itu untuk mengumpulkan lebih banyak massa. Setelah semua, segera setelah sebuah bintang memulai sintesis dari hidrogen murni (proton), output energi menjadi begitu besar sehingga bintang tidak lagi tumbuh - oleh karena itu, tahap awal pengembangan sangat penting. Jika bukan karena partisipasi deuterium dalam sintesis, bintang-bintang terbesar akan melebihi massa Matahari maksimal tiga kali, dan bukan ratusan kali, seperti yang kita miliki di dekatnya.


Gambar komposit exoplanet pertama dari yang pernah diamati secara langsung (merah) dan katai coklat keibuan. Bintang sejati akan secara fisik lebih besar dan massanya akan lebih besar daripada bintang katai coklat ini.

Untuk mencapai suhu inti 4.000.000 K dan menjadi bintang sejati, Anda harus mendapatkan setidaknya 7,5% dari massa matahari: sekitar 1,5 × 10 ²⁹ kg. Untuk menjadi kerdil coklat dan memulai sintesis menggunakan deuterium, perlu dari 2,5 × 10 ²⁸ kg menjadi 1,5 × 10 ²⁹ kg. Dan sesering bintang biner, katai coklat ganda ditemukan di ruang angkasa.


Dua katai coklat yang membentuk sistem Luman 16, dan mereka akhirnya bisa bergabung bersama untuk membuat bintang

Sebenarnya, katai coklat yang paling dekat dengan kita, sistem Luman 16, adalah sistem ganda. Juga diketahui bahwa di sekitar planet kerdil coklat lainnya bergerak dalam orbit. Dalam kasus Luman 16, massa dua kurcaci coklat berikut ini ditentukan:

1. Utama - dari 8,0 × 10 ²⁸ hingga 1,0 × 10 ²⁹ kg.
2. Sekunder - dari 6,0 × 10 ²⁸ hingga 1,0 × 10 ²⁹ kg.

Dengan kata lain, ada kemungkinan besar bahwa jika kedua non-bintang ini, berputar satu sama lain pada jarak sekitar tiga kali jarak dari Matahari ke Bumi, bergabung, mereka akan membentuk bintang nyata. Penambahan massa yang mentransfer non-bintang melintasi garis massa yang diperlukan untuk mulai membakar hidrogen akan mengubahnya menjadi bintang.


Dua katai coklat yang membentuk Luman 16 difoto 12 kali oleh teleskop Hubble, dan kami menentukan gerakan dan orbit relatif mereka selama beberapa tahun.

Intuisi tidak mengecewakan pembaca kita: ya, massa yang berputar di sekitar satu sama lain memancarkan gelombang gravitasi, dan radiasi ini akan menyebabkan orbitnya berkurang. Tetapi untuk massa dan jarak seperti itu, penurunan ini akan memakan waktu sekitar ^10.200 tahun, yang jauh, lebih lama dari umur Semesta. Ini bahkan lebih lama dari waktu kehidupan bintang mana pun, atau bahkan galaksi, atau bahkan lubang hitam pusat di galaksi. Jika Anda akan menunggu sampai gelombang gravitasi mengubah sepasang bintang katai cokelat ini menjadi bintang, Anda harus menunggu untuk waktu yang lama dan mengecewakan.


Skenario jatuh satu sama lain dalam spiral karena gelombang gravitasi untuk dua kurcaci coklat yang terpisah begitu baik seperti ini akan memakan waktu yang sangat lama. Tetapi tabrakan sangat mungkin terjadi. Seperti halnya bintang merah menghasilkan bintang biru individual dalam suatu benturan, tabrakan dari katai coklat dapat menimbulkan bintang katai merah.

Secara berkala, benda-benda di ruang bertabrakan. Fakta bahwa bintang-bintang, non-bintang, planet-planet yang tersesat dan segala sesuatu yang lain bergerak di galaksi, terutama di bawah pengaruh gravitasi, berarti ada kemungkinan terbatas bahwa dua benda secara tidak sengaja bertabrakan. Ini jauh lebih baik daripada mengharapkan penurunan orbit karena gelombang gravitasi, kecuali dalam kasus-kasus ekstrim. Pada garis waktu urutan 10 ¹⁸ tahun, "hanya" 100 juta kali lebih banyak dari usia Alam Semesta saat ini, katai coklat akan secara tidak sengaja bertabrakan dengan kurcaci coklat lain atau mayat bintang, dan memunculkan kehidupan baru bagi non-bintang. Menurut perkiraan kami, nasib ini menunggu sekitar 1% dari semua katai coklat.


Atmosfer Matahari tidak terbatas pada photosphere atau bahkan korona, tetapi meluas hingga jutaan kilometer di angkasa, bahkan tanpa adanya suar dan emisi

Tetapi bahkan jika Anda tidak bisa menunggu radiasi gravitasi bekerja, dan Anda tidak cukup beruntung untuk bertemu lagi dengan katai coklat di ruang antarbintang, Anda masih akan memiliki kesempatan untuk bersatu. Biasanya kita membayangkan bahwa bintang memiliki ruang tertentu yang mereka tempati dalam ruang, volume tertentu. Kita membayangkan dengan cara yang sama, misalnya, atmosfer Bumi: seolah-olah memiliki akhir yang jelas, batas antara apa yang kita anggap atmosfer dan ruang. Ini bodoh! Faktanya, atom dan partikel memperpanjang jutaan kilometer, dan kilatan dari bintang lebih besar dari jari-jari orbit Bumi. Baru-baru ini ditemukan bahwa katai coklat juga mengeluarkan suar - seperti satelit di orbit rendah pada akhirnya akan jatuh kembali ke Bumi, sehingga gesekan yang diberikan oleh katai coklat satu sama lain pada akhirnya akan menarik mereka bersama-sama. Untuk Luman 16, ini tidak akan berhasil, tetapi jika jarak antara dua non-bintang sebanding dengan jarak dari Matahari ke Merkurius, dan tidak dengan jarak dari Matahari ke Ceres, efek ini bisa bekerja.


Studi jangka panjang Luigi Bedin tentang pengamatan 16 bintang non-Luman menunjukkan kepada kita bagaimana lokasi dan gerakan mereka berubah seiring waktu, dengan urutan siklus karena gerakan tahunan Bumi

Jadi apa yang terjadi setelah merger atau tabrakan? Peristiwa semacam itu jarang terjadi, dan membutuhkan waktu lebih lama daripada usia alam semesta saat ini. Pada saat itu, bahkan kurcaci coklat akan memakan semua deuteriumnya, dan mayatnya akan mendingin hingga suhu hanya beberapa derajat di atas nol mutlak di permukaan. Tetapi energi tabrakan atau fusi harus cukup untuk menciptakan tekanan dan panas sedemikian dalam inti sehingga mereka masih bisa - jika garis massa kritis dilintasi - mulai fusi nuklir. Bintang itu akan memiliki massa kecil, warna merah dan hidup sangat lama, lebih dari 10 triliun tahun. Ketika bintang non-akhirnya menyala, itu cenderung menjadi satu-satunya bintang yang bersinar di galaksi selama masa hidupnya; Peristiwa seperti itu akan langka dan jauh dalam waktu. Namun, tipe bintang ini akan terbukti menarik dalam dirinya sendiri.


Namun, ketika dua bintang katai coklat bergabung di masa depan yang jauh, mereka cenderung menjadi satu-satunya cahaya di langit malam, karena semua bintang lainnya sudah terbakar habis. Kurcaci merah yang dihasilkan akan menjadi sumber utama cahaya yang tersisa pada saat itu di Semesta.

Ini akan membakar bahan bakarnya dengan sangat lambat sehingga helium-4, yang diperoleh pada saat yang sama - hasil dari reaksi sintesis dengan partisipasi hidrogen dalam nukleus - akan meninggalkan nukleus sebagai hasil dari konveksi, yang akan memungkinkan hidrogen tambahan untuk berpartisipasi dalam sintesis. Konveksi akan sangat efektif sehingga 100% hidrogen dalam bintang dapat terbakar hingga akhir, menghasilkan massa atom helium yang terus menerus. Untuk pembakaran helium ini, massa tidak akan cukup, oleh karena itu, bintang tetap menyusut menjadi jenis bintang yang belum ada di Alam Semesta kita: kurcaci putih helium. Agar kurcaci putih ini menjadi dingin dan berhenti bersinar, itu akan memakan waktu sekitar empat miliar tahun, dan pada saat ini kurcaci coklat lain dari galaksi akan bertabrakan dan menyala. Pada saat non-bintang akhirnya berhasil dan melewati seluruh siklus hidupnya, menjadi kurcaci hitam, non-bintang lain akan menunggu kesempatannya.


Perbandingan warna dan ukuran katai putih (kiri), Bumi, memantulkan sinar matahari (di tengah) dan katai hitam (kanan). Ketika white dwarf akhirnya memancarkan sisa-sisa energi mereka, mereka semua akhirnya akan menjadi dwarf hitam

Jika Anda bisa menjadi abadi, Anda, pada prinsipnya, dapat melakukan perjalanan dari satu unstell ke yang lain, menerima energi dari keberhasilan langka terakhir Alam Semesta. Sebagian besar non-bintang akan tetap berada di negara ini selamanya, tetapi beberapa, yang dengannya nasib baik tersenyum, akan terbakar lebih lambat daripada semua sumber cahaya lainnya padam. Seperti yang dinyatakan oleh frasa terkenal Winston Churchill: "Sukses itu tidak final, kegagalan itu tidak fatal, hanya keberanian untuk melanjutkan masalah." Mungkin ini berlaku bahkan untuk bintang, dan bahkan lebih dari untuk Anda dan saya.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika Semesta berkembang, mengapa kita tidak berkembang ; mengapa usia Alam Semesta tidak bertepatan dengan jari-jari bagian yang diamati .