Gambar 1. Kumpulan katai putih di gugus bola M4 yang ditunjukkan oleh lingkaran biru (Sumber: NASA dan H. Richer)
Kita telah mengetahui bahwa bintang-bintang di alam semesta mengalami masa hidup seperti makhluk hidup di Bumi (Baca artikel: Menyusuri Perjalanan Bintang-Bintang: Lahir, Hidup, dan Mati). Bintang yang dilahirkan akan ‘mati’ ketika telah mencapai akhir hidupnya. Lantas, bagaimana nasib bintang-bintang yang telah mati ini? Apakah mereka menghilang ataukah mereka mengambang dan berkelana menjadi objek baru di ruang angkasa yang dingin?
Kematian bintang
Kematian bintang-bintang ditandai dengan berhentinya proses pembangkitan energi di inti karena bintang telah kehabisan bahan bakarnya. Bayangkan jika kamu mengendarai sebuah motor yang bahan bakarnya habis perlahan-perlahan. Ketika sudah tidak ada lagi bensin untuk dibakar, motor tentu akan berhenti bergerak, bukan? Sama halnya seperti bintang. Untuk bintang bermassa seperti Matahari, ketika hidrogen dan helium yang bertindak sebagai bahan bakar telah habis, bintang akan menjadi tidak stabil dan melepaskan materi-materinya sendiri dalam bentuk planetary nebula. Materi yang dilepaskan tersebut kemudian meninggalkan sebuah objek kecil yang disebut dengan bintang katai putih.
Apa itu katai putih?
Katai putih merupakan tahap akhir dari masa hidup bintang-bintang seperti Matahari (hingga 8-10 kali massa Matahari). Katai putih sebenarnya adalah inti bintang yang materi di selubungnya telah dilepaskan oleh bintang. Inti tersebut memiliki ukuran yang jauh lebih kecil daripada ukuran bintang sebelum akhir masa hidupnya. Namun, karena sebagian besar massa bintang sebelumnya terkumpul pada bagian inti, maka katai putih akan memiliki kerapatan yang sangat tinggi. Hal ini disebabkan karena meskipun katai putih memiliki massa yang besar, tetapi ukurannya kecil, kurang lebih hanya seukuran Bumi. Karena ukuran yang kecil ini pula katai putih akan menjadi redup. Dalam istilah astronomi, katai putih memiliki luminositas (kecerlangan) yang rendah. Meskipun memiliki radius kecil dan luminositas rendah, temperatur katai putih sangatlah tinggi. Temperatur yang sangat tinggi tersebut berasal dari sisa pembangkitan energi bintang sebelumnya.
Gambar 1. Sirius A (tengah) dan Sirius B (kiri). Sirius B merupakan katai putih (Sumber: Michael Teoh, Heng Ee Observatory)
Materi dan proses di dalam katai putih
Katai putih merupakan sebuah inti bintang yang sebelumnya menjadi tempat reaksi-reaksi kimia berlangsung. Setelah tidak lagi mengalami reaksi kimia, katai putih hanya berisi atom terionisasi (atom yang telah kehilangan elektronnya) dan juga elektron. Sebagian besar katai putih terdiri dari karbon terionisasi sempurna dan juga oksigen.
Karena katai putih adalah ‘fosil bintang’ yang tidak lagi mampu melakukan reaksi kimia di dalamnya atau melakukan pembangkitan energi, secara teori katai putih seharusnya akan runtuh akibat ketidaksetimbangan antara gaya gravitasi dan tekanan dari dalam. Akan tetapi, katai putih tetap menjadi objek yang kompak dan tidak kolaps. Hal ini disebabkan karena adanya tekanan degenerasi yang mengimbangi gaya gravitasi. Degenerasi adalah keadaan ketika elektron menempati seluruh tingkat energi. Perlu diingat bahwa katai putih memiliki kerapatan sangat tinggi yang menyebabkan elektronnya akan sangat berdekatan satu sama lain. Tekanan gravitasi mendorong dan memaksa elektron menempati tingkat energi yang sama meskipun sebenarnya dilarang. Ilustrasi sederhananya adalah sebagai berikut. Ketika 10 orang menaiki sebuah bus, tentu masing-masing orang akan dapat menempati tempatnya tanpa berdesakan dengan orang lain, bukan? Bayangkan jika 10 orang yang sama dipaksa untuk menaiki becak yang ukurannya jauh lebih kecil. Sepuluh orang tersebut akan saling berdempetan dan tidak memiliki kebebasan untuk bergerak sehingga kurang lebih masing-masing orang hanya memiliki ruang bebas yang sama dan kecil. Nah, seperti itulah kira-kira keadaan elektron di katai putih. Elektron di keadaan degenerasi kemudian akan melepaskan tekanan yang menopang katai putih untuk melawan gaya gravitasi.
Apakah katai putih akan terus bertahan?
Kesetimbangan antara tekanan dari gaya gravitasi dan tekanan degenerasi telah terpenuhi. Akan tetapi, temperatur dari katai putih perlahan-lahan akan menurun seiring berjalannya waktu. Mengapa hal tersebut terjadi? Tentu saja, lagi dan lagi, akibat tidak adanya reaksi kimia di katai putih. Karena tidak terjadi reaksi kimia dan pembangkitan energi, temperatur katai putih akan perlahan-lahan menurun karena energi sisa sebelumnya dilepaskan menuju ruang antarbintang. Penurunan temperatur ini akan menurunkan kecerlangan (luminositas) katai putih. Namun tenang saja, penurunan temperatur katai putih ini terjadi dalam rentang waktu yang sangat lama.
Lantas bagaimana batas hidup katai putih yang terus mendingin? Diperkirakan bahwa katai putih yang terus mendingin akan menjadi ‘katai hitam’. Meskipun demikian, masih belum ada pengamatan yang membuktikan adanya katai hitam karena alam semesta masih terlalu muda untuk memiliki katai hitam.
Katai putih sebagai pintu gerbang sejarah alam semesta
Sebagai fosil di alam semesta, katai putih menjadi salah satu objek penelitian yang bertujuan untuk mempelajari sejarah alam semesta. Melalui kecerlangannya (luminositas), para astronom dapat memperkirakan usia ketika pembentukan bintang tersebut terjadi atau bahkan mempelajari awal dari alam semesta itu sendiri. Mungkin saja, bintang-bintang yang terbentuk di awal kelahiran alam semesta saat ini telah menjadi katai putih yang perlahan mendingin. Dan suatu saat nanti, Matahari kita juga akan mati dan menjadi sebuah katai putih.
Penulis: Lintang Arian Semesta (10322059)
Penyunting: M. Khawariz Andaristiyan (10321005)
Referensi:
Carroll, B. W., & Ostlie, D. A. (2017). An introduction to modern astrophysics (second edition). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781108380980.
ESA/Hubble. White Dwarf. https://esahubble.org/wordbank/white-dwarf/#:~:text=A%20white%20dwarf%20is%20the,depends%20on%20its%20initial%20mass.
NASA. White Dwarf Stars. https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/dwarfs2.html.