Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA membedah struktur Nebula Kepiting, membantu para astronom saat mereka terus mengevaluasi teori-teori utama tentang asal-usul sisa supernova. Dengan data yang dikumpulkan oleh NIRCam (Kamera Inframerah Dekat) dan MIRI (Instrumen Inframerah Menengah) milik Webb, sekelompok ilmuwan dapat memeriksa secara dekat beberapa komponen utama Nebula Kepiting. Kredit: NASA
Data baru merevisi pandangan kita tentang ledakan supernova yang tidak biasa ini.
Nebula Kepiting merupakan contoh terdekat dari puing-puing yang tertinggal saat sebuah bintang mengalami kematian yang dahsyat dalam ledakan supernova. Akan tetapi, meskipun telah diteliti selama puluhan tahun, sisa-sisa supernova ini masih menyimpan misteri: Jenis bintang apa yang bertanggung jawab atas terbentuknya Nebula Kepiting, dan apa sifat ledakannya?
NASA'S Teleskop Luar Angkasa James Webb telah memberikan pandangan baru tentang Kepiting, termasuk data inframerah berkualitas tertinggi yang pernah ada untuk membantu para ilmuwan saat mereka menjelajahi struktur terperinci dan komposisi kimia dari sisa-sisa tersebut. Petunjuk ini membantu mengungkap cara yang tidak biasa yang menyebabkan bintang tersebut meledak sekitar 1.000 tahun yang lalu.
Untuk pertama kalinya, para astronom memetakan emisi debu hangat di seluruh sisa supernova ini. Diwakili sebagai material magenta yang halus, butiran debu membentuk struktur seperti sangkar yang paling jelas terlihat di bagian kiri bawah dan kanan atas sisa tersebut. Filamen debu juga tersebar di seluruh bagian dalam Kepiting dan terkadang bertepatan dengan wilayah belerang terionisasi ganda (sulfur III) yang berwarna hijau. Filamen berbintik kuning-putih, yang membentuk struktur seperti lingkaran besar di sekitar pusat sisa supernova, mewakili area tempat debu dan belerang terionisasi ganda saling tumpang tindih.
Struktur debu yang menyerupai sangkar membantu membatasi sebagian, tetapi tidak semua emisi sinkrotron yang samar yang direpresentasikan dalam warna biru. Emisi tersebut menyerupai gumpalan asap, yang paling menonjol di bagian tengah Kepiting. Pita biru tipis mengikuti garis medan magnet yang diciptakan oleh jantung pulsar Kepiting — bintang neutron yang berputar cepat.
Kredit: NASA, ESA, CSA, STScI, Tea Temim (Universitas Princeton)
Menyelidiki Asal Usul Nebula Kepiting dengan Teleskop Luar Angkasa Webb
Dengan menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA, sekelompok ilmuwan menganalisis komposisi Nebula Kepiting, sisa supernova yang terletak sekitar 6.500 tahun cahaya jauhnya di konstelasi Taurus. Dengan teleskop tersebut, MIRI (Instrumen Inframerah Tengah) dan Kamera NIRC (Kamera Inframerah Dekat), tim mengumpulkan data yang membantu memperjelas sejarah Nebula Kepiting.
Nebula Kepiting merupakan hasil dari supernova yang runtuhnya inti akibat kematian sebuah bintang masif. Ledakan supernova itu sendiri terlihat di Bumi pada tahun 1054 M dan cukup terang untuk dilihat pada siang hari. Sisa yang jauh lebih redup yang diamati saat ini adalah cangkang gas dan debu yang mengembang, dan angin yang keluar yang ditenagai oleh pulsar, bintang neutron yang berputar cepat dan sangat termagnetisasi.
Nebula Kepiting juga sangat tidak biasa. Komposisinya yang tidak biasa dan energi ledakannya yang sangat rendah sebelumnya telah dijelaskan oleh supernova penangkap elektron — jenis ledakan langka yang muncul dari bintang dengan inti yang kurang berevolusi yang terbuat dari oksigen, neon, dan magnesium, bukan inti besi yang lebih umum.
“Sekarang data Webb memperluas kemungkinan interpretasi,” kata Tea Temim, penulis utama studi di Universitas Princeton di New Jersey. “Komposisi gas tidak lagi memerlukan ledakan penangkapan elektron, tetapi juga dapat dijelaskan oleh supernova keruntuhan inti besi yang lemah.”
Gambar Nebula Kepiting yang ditangkap oleh NIRCam dan MIRI Webb, dilengkapi tanda panah kompas, batang skala, dan kunci warna sebagai referensi.
Panah kompas utara dan timur menunjukkan orientasi gambar di langit. Perhatikan bahwa hubungan antara utara dan timur di langit (seperti yang terlihat dari bawah) terbalik relatif terhadap panah arah pada peta tanah (seperti yang terlihat dari atas).
Skala batang diberi label dalam tahun cahaya, yang merupakan jarak yang ditempuh cahaya dalam satu tahun Bumi. (Diperlukan waktu 2 tahun bagi cahaya untuk menempuh jarak yang sama dengan panjang batang.) Satu tahun cahaya sama dengan sekitar 5,88 triliun mil atau 9,46 triliun kilometer. Bidang pandang yang ditunjukkan dalam gambar ini kira-kira seluas 10 tahun cahaya.
Gambar ini menunjukkan panjang gelombang cahaya inframerah dekat dan inframerah menengah yang tidak terlihat yang telah diubah menjadi warna cahaya tampak. Kunci warna menunjukkan komponen mana yang diamati oleh NIRCam dan MIRI, dan warna cahaya tampak mana yang ditetapkan untuk setiap fitur.
Kredit: NASA, ESA, CSA, STScI, Tea Temim (Universitas Princeton)
Mempelajari Masa Kini untuk Memahami Masa Lalu
Upaya penelitian terdahulu telah menghitung total energi kinetik ledakan berdasarkan kuantitas dan kecepatan ejekta saat ini. Para astronom menyimpulkan bahwa sifat ledakan tersebut adalah energi yang relatif rendah (kurang dari sepersepuluh dari supernova normal), dan massa bintang induknya berada dalam kisaran delapan hingga 10 massa matahari — berada di garis tipis antara bintang yang mengalami kematian supernova yang dahsyat dan bintang yang tidak.
Namun, terdapat ketidakkonsistenan antara teori supernova penangkapan elektron dan pengamatan Kepiting, khususnya gerakan cepat yang diamati pulsarDalam beberapa tahun terakhir, para astronom juga telah meningkatkan pemahaman mereka tentang supernova keruntuhan inti besi dan sekarang berpikir bahwa jenis ini juga dapat menghasilkan ledakan berenergi rendah, asalkan massa bintangnya cukup rendah.
Pengukuran Webb Merekonsiliasi Hasil Historis
Untuk menurunkan tingkat ketidakpastian seputar bintang nenek moyang Kepiting dan sifat ledakannya, tim yang dipimpin Temim menggunakan kemampuan spektroskopi Webb untuk mengasah dua area yang terletak di dalam filamen bagian dalam Kepiting.
Teori memprediksi bahwa karena perbedaan komposisi kimia inti dalam supernova penangkapan elektron, rasio kelimpahan nikel terhadap besi (Ni/Fe) seharusnya jauh lebih tinggi daripada rasio yang diukur di Matahari kita (yang mengandung unsur-unsur ini dari generasi bintang sebelumnya). Studi pada akhir tahun 1980-an dan awal tahun 1990-an mengukur rasio Ni/Fe dalam Kepiting menggunakan data optik dan inframerah dekat dan mencatat rasio kelimpahan Ni/Fe yang tinggi yang tampaknya mendukung skenario supernova penangkapan elektron.
Teleskop Webb, dengan kemampuan inframerahnya yang sensitif, kini tengah mengembangkan penelitian Nebula Kepiting. Tim tersebut menggunakan kemampuan spektroskopi MIRI untuk mengukur garis emisi nikel dan besi, sehingga menghasilkan estimasi rasio kelimpahan Ni/Fe yang lebih andal. Mereka menemukan bahwa rasio tersebut masih lebih tinggi dibandingkan dengan Matahari, tetapi hanya sedikit dan jauh lebih rendah dibandingkan dengan estimasi sebelumnya.
Nilai yang direvisi konsisten dengan penangkapan elektron, tetapi tidak mengesampingkan kemungkinan ledakan keruntuhan inti besi dari bintang bermassa rendah yang serupa. (Ledakan berenergi lebih tinggi dari bintang bermassa lebih tinggi diperkirakan akan menghasilkan rasio yang mendekati kelimpahan matahari.) Pekerjaan observasi dan teoritis lebih lanjut akan diperlukan untuk membedakan antara kedua kemungkinan ini.
“Saat ini, data spektral dari Webb mencakup dua wilayah kecil di Crab, jadi penting untuk mempelajari lebih banyak lagi sisa-sisanya dan mengidentifikasi variasi spasial apa pun,” kata Martin Laming dari Laboratorium Penelitian Angkatan Laut di Washington dan salah satu penulis makalah tersebut. “Akan menarik untuk melihat apakah kita dapat mengidentifikasi garis emisi dari unsur-unsur lain, seperti kobalt atau germanium.”
Memetakan Kondisi Kepiting Saat Ini
Selain menarik data spektral dari dua wilayah kecil di bagian dalam Nebula Kepiting untuk mengukur rasio kelimpahan, teleskop juga mengamati lingkungan sisa yang lebih luas untuk memahami detail emisi sinkrotron dan distribusi debu.
Citra dan data yang dikumpulkan oleh MIRI memungkinkan tim untuk mengisolasi emisi debu di dalam Crab dan memetakannya dalam resolusi tinggi untuk pertama kalinya. Dengan memetakan emisi debu hangat dengan Webb, dan bahkan menggabungkannya dengan data Herschel Space Observatory pada butiran debu yang lebih dingin, tim tersebut menciptakan gambaran yang menyeluruh tentang distribusi debu: Filamen terluar mengandung debu yang relatif lebih hangat, sementara butiran yang lebih dingin tersebar luas di dekat bagian tengah.
“Tempat debu terlihat di Nebula Kepiting menarik karena berbeda dari sisa-sisa supernova lainnya, seperti Cassiopeia A dan Supernova 1987A,” kata Nathan Smith dari Steward Observatory di Universitas Arizona dan salah satu penulis makalah tersebut. “Pada objek-objek tersebut, debu berada di bagian tengah. Pada Nebula Kepiting, debu ditemukan di filamen padat kulit terluar. Nebula Kepiting sesuai dengan tradisi dalam astronomi: Objek yang paling dekat, paling terang, dan paling banyak dipelajari cenderung aneh.”
Temuan ini telah dipublikasikan di Itu Surat Jurnal Astrofisika.
Referensi: “Membedah Nebula Kepiting dengan JWST: Angin Pulsar, Filamen Berdebu, dan Kendala Kelimpahan Ni/Fe pada Mekanisme Ledakan” oleh Tea Temim, J. Martin Laming, PJ Kavanagh, Nathan Smith, Patrick Slane, William P. Blair, Ilse De Looze, Niccolò Bucciantini, Anders Jerkstrand, Nicole Marcelina Gountanis, Ravi Sankrit, Dan Milisavljevic, Armin Rest, Maxim Lyutikov, Joseph DePasquale, Thomas Martin, Laurent Drissen, John Raymond, Ori D. Fox, Maryam Modjaz, Anatoly Spitkovsky dan Louis-Gregory Strolger, 13 Juni 2024, Surat Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad50d1
Pengamatan dilakukan sebagai bagian dari program Pengamat Umum 1714.
Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) adalah observatorium luar angkasa canggih yang diluncurkan pada 25 Desember 2021. Teleskop ini berfungsi sebagai penerus ilmiah teleskop Teleskop Luar Angkasa HubbleDilengkapi dengan cermin primer berukuran 6,5 meter dan instrumen khusus, JWST beroperasi terutama dalam spektrum inframerah, yang memungkinkannya untuk melihat lebih jauh ke masa lalu dan mengamati galaksi pertama yang terbentuk setelah Dentuman BesarTerletak di titik Lagrange kedua (L2), sekitar 1,5 juta kilometer dari Bumi, ia memberikan resolusi dan sensitivitas yang belum pernah ada sebelumnya, yang memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari setiap fase sejarah kosmik.
