Air di Bintang Karbon

Air, komponen satu ini memang penting sebagai penopang kehidupan seperti yang kita kenal di Bumi. Karena itu berbagai penelitian dan pengamatan dilakukan untuk menemukan keberadaan air di alam semesta terutama pada planet yang serupa Bumi yang berada dalam area laik huni.

Dalam pengamatan yang dilakukannya, Teleskop Herschel milik ESA berhasil mendeteksi keberadaan uap air di sebuah lokasi yang pada awalnya dianggap tidak mungkin ada uap air disana. Uap air tersebut dilihat ESA pada atmosfer bintang karbon raksasa merah.

Bintang Yang Mulai Menua
Dengan mempelajari berbagai fase dalam siklus kehidupan bintang, astronom dapat menyatukan proses yang memegang peranan dalam evolusi bintang serta interaksinya dengan lingkungan sekitar.  Dari hasil mempelajari proses tersebut, bintang bermassa rendah yang tadinya biasa saja ( massa < 8 – 9 kali massa Matahari) ternyata bisa memberi kejutan. Dan itulah yang terjadi dengan CW Leonis atau yang dikenal sebagai IRC +10216, bintang karbon raksasa merah yang sedang mengalami proses penuaan.

Siklus kehidupan bintang bermassa rendah pada umumnya berakhir dengan mengerut dan bukannya sebuah ledakan. Jadi setelah waduk hidrogen dalam inti bintang terkonsumsi, bintang kemudian mulai menggunakan bahan bakar nuklir berikutnya yakni helium untuk diubah menjadi karbon. Setelah helium habis, bintang tidak dapat mencapai temperatur yang sangat tinggi untuk reaksi fusi nuklir elemen yang lebih berat. Bintang kemudian mulai mengembang (dengan pertumbuhan radius bintang sampai beberapa ratus sampai ribuan kali) dan memasuki tahap yang dikenal sebagai raksasa merah.

Pada tahap ini, bintang akan mengalami kehilangan massa yang cukup besar dan kemudian melontarkan lapisan terluarnya dan membentuk kerangka sirkumbintang yang terdiri dari debu dan molekul-molekul. Periode ini juga dikenal sebagai fasa Asymptotic Giant Branch, yang mengacu pada lokasi bintang dalam diagram Hertzsprung-Russell. Pada saat bersamaan, sisa reruntuhan bintang yang kaya dengan karbon dan oksigen akan terus berkontraksi dan berevolusi menjadi bintang yang lebih kecil yaitu bintang katai putih yang sangat panas.

Gas yang dilontarkan ke ruang antar bintang oleh angin bintang yang kuat dari bintang AGB ini justru kaya dengan elemen berat khususnya karbon dan oksigen. Kelimpahan kedua unsur ini berbeda dari bintang ke bintang.

CW Leonis
Bintang yang diamati Herschel, CW Leonis merupakan bintang paling terang (dalam cahaya infra merah) dan sekaligus merupakan bintang raksasa merah terdekat. Selain itu bintang ini juga memiliki selubung yang di dominasi oleh karbon. Lingkungan yang kaya karbon seperti ini jelas diharapkan dapat mengontrol sejumlah reaksi kimia organik. Dalam reaksi tersebut, hampir semua oksigen terikat dengan molekul karbon monoksida (CO) dan silikon monoksida (SiO)

Pada tahun 2001, berita mengejutkan datang dari hasil pengamatan CW Leonis yang dilakukan oleh Submillimetre Wave Astronomy Satellite (SWAS). SWAS mengungkap keberadaan uap air  (H₂O) di selubung bintang.

Air, molekul yang satu ini memang sangat penting dan menjadi elemen utama yang mendukung keberadaan kehidupan di Bumi.  Dari sinilah berbagai penelitian dan pengamatan dilakukan untuk bisa mendeteksi keberadaan molekul yang satu ini.

Tanda yang dilihat SWAS pada garis spektrum yang ia ambil menunjukkan keberadaan molekul air dengan temperatur hanya 61 K, dan dengan demikian menempatkan air tersebut berada di bagian luar atau tepatnya di selubung bintang yang dingin.

Penjelasan yang diberikan astronom mengasumsikan kalau air tersebut muncul dari penguapan awan ataupun benda dingin seperti komet atau planet katai yang ada di sekeliling bintang. Akan tetapi dibutuhkan juga mekanisme lainnya yang bisa menjelaskan keberadaan uap air di selubung CW Leonis. Dan pendeteksian yang berasal dari satu garis tidaklah cukup untuk dijadikan bukti keberadaan uap air tersebut.

Pengamatan Herschel
November 2009, setelah teleskop Herschel bertugas dan mengamati CW Leonis dengan menggunakan spektrometer SPIRE dan PACS pada panjang gelombang 55 – 670 mikron. Hasilnya, Herschel melihat tidak hanya 1 melainkan berhasil mengidentifikasi 60 garis keberadaan air yang terkait langsung dengan sejumlah level energetik molekul.

Pendeteksian dari sebagian besar garis yang dipancarkan oleh molekul yang sama jelas memberikan informasi penting. Hal ini disebabkan karena setiap garis terkait dengan energi tertentu, dengan demikian mengarah pada temperatur tertentu. Banyaknya garis yang dilihat justru membantu untuk melacak sumber air tersebut di selubung antar bintang. Garis-garis yang terkait temperatur tinggi akan membawa informasi kalau molekulnya berada semakin dekat dnegan permukaan bintang.

Spektrum dengan presisi yang tinggi didapat dengan menggunakan spektrometer Herschel mengindikasikan temperatur pada 1000 K. Ini jelas menunjukan kalau air tidak hanya berada pada selubung terluar seperti diindikasikan pada data SWAS, namun juga ada pada selubung tengah dan dalam dari CW Leonis. Akibatnya, butuh mekanisme lain untuk menjelaskan bukti pengamatan baru tersebut.

Air Yang Dilihat Herschel
Untuk bisa memproduksi air pada lingkungan kaya karbon, atom oksigen harus dilepas dari molekul dimana ia terikat, dalam hal ini CO dan SiO untuk kemudian bergabung dengan hidrogen.  Dalam kasus ini, dibutuhkan radiasi energetik dari foton ultra ungu / ultra violet (UV) untuk memisahkan molekul pembawa oksigen tersebut.

Struktur selubung antar bintang yang tidak teratur dan cenderung bergumpal-gumpal inilah yang menyebabkan foton UV dari ruang antar bintang dapat masuk cukup dalam melalui selubung.  Di dalam selubung foton UV akan memicu terjadinya rangkaian reaksi yang memproduksi air yang tampak tersebut serta beberapa molekul lainnya seperti Amonia (NH₃).

Data dari herschel tak pelak menantang pengetahuan yang ada terkait kimiawi bintang yang terjadi di selubung bintang yang sedang menua. Sekaligus membawa para peneliti untuk melihat pentingnya fotokimia yang disebabkan oleh foton UV di lingkungan tersebut.  Proses serupa juga bisa menjelaskan kondisi yang berlawanan, dalam hal ini keberadaan molekul kaya karbon di bintang AGB yang selubungnya didominasi oleh oksigen.

CW Leonis memang contoh pertama keberadaan air di bintang karbon. Namun dengan keberadaan Herschel, di masa depan ia akan meneliti bintang karbon lainnya untuk membuktikan mekanisme tersebut pada sampel yang lebih luas lagi.

Sumber : ESA