Mengenal Superfluiditas BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) Inti Bintang Neutron

Bintang neutron adalah sisa dari ledakan supernova masif. Di dalamnya, materi dipadatkan melebihi kepadatan inti atom. Satu sendok teh materi bintang neutron beratnya bisa mencapai miliaran ton. Tapi yang lebih menarik dari sekadar kepadatannya adalah perilaku kuantum yang muncul di kedalamannya. Pada suhu triliunan Kelvin setelah kelahiran bintang neutron, neutron bergerak liar seperti gas panas. Namun saat bintang mendingin, sekitar sepuluh hingga seratus tahun setelah ledakan, suhu intinya turun melewati batas kritis. Saat itulah terjadi transisi fase. Neutron yang sebelumnya saling tolak karena prinsip Pauli mulai membentuk pasangan. Fenomena ini disebut superfluiditas BCS, diambil dari nama fisikawan Bardeen, Cooper, dan Schrieffer. Mekanismenya mirip dengan superkonduktor, tapi tanpa elektron dan tanpa fonon. Yang bekerja adalah gaya nuklir kuat residu. Artikel ini akan mengupas mekanisme tersebut. Langsung saja kita masuk ke pembahasannya. Mengapa Bintang Neutron Bukan Sekadar Tumpukan Neutron Raksasa Orang awam membayangkan bintang neutron sebagai bola neutron raksasa yang diam dan padat. Padahal, jauh lebih rumit. Bintang neutron memiliki struktur berlapis. Ada kerak luar yang berupa kisi besi dan elektron, kerak dalam yang didominasi neutron yang mulai bocor dari inti atom, lalu inti luar bintang yang terdiri dari neutron, sedikit proton, dan elektron. Di inti paling dalam, kita belum tahu pasti apakah ada materi eksotis seperti kuark bebas. Yang pasti, wilayah di kerak dalam dan inti luar neutron membentuk fase superfluid. Sejak tahun 1959, fisikawan A. Bohr, B. Mottelson, dan D. Pines sudah memprediksi bahwa gaya tarik antar neutron di dalam nukleus dapat menghasilkan pasangan Cooper. Pada tahun 1960-an, V. L. Ginzburg dan D. A. Kirzhnits memperluas gagasan ini ke materi bintang neutron. Prediksi ini kemudian didukung oleh perhitungan berbasis potensial nuklir realistis seperti potensial Argonne V18 atau Reid soft-core. Perhitungan ini konsisten dimana pada kerapatan sekitar 0.5 kali kerapatan saturasi nuklir atau sekitar 1.35 kali 10^14 gram per sentimeter kubik, neutron di gelombang-s dengan spin antiparalel dapat membentuk pasangan. Ini merupakah hasil turunan persamaan Schrodinger banyak-partikel yang diverifikasi secara numerik. Karena pasangan Cooper ini terbentuk, sifat-sifat makroskopis bintang neutron berubah total. Yang paling dramatis adalah hilangnya gesekan internal yang biasa ada di dalam fluida normal. Definisi Superfluiditas BCS pada Neutron Mari kita luruskan definisinya. Superfluiditas BCS adalah keadaan kuantum makroskopis di mana fermion identik, dalam hal ini neutron, membentuk pasangan terikat yang disebut pasangan Cooper. Pasangan ini terjadi karena adanya gaya tarik yang sangat lemah namun cukup kuat untuk mengalahkan energi kinetik di dekat permukaan Fermi. Dalam fisika benda terkondensasi, pasangan Cooper elektron disebabkan oleh interaksi dengan fonon kisi. Tapi di bintang neutron, tidak ada kisi di dalam inti. Yang ada adalah interaksi langsung antar neutron melalui pertukaran meson skalar sigma dan meson vektor rho. Gaya ini bersifat menarik pada jarak 0.8 hingga 1.5 femtometer. Ketika dua neutron memiliki momentum sama besar namun berlawanan arah, dan spin mereka berlawanan, gelombang probabilitas mereka saling tumpang tindih. Jika suhu cukup rendah, energi ikatan negatif ini melampaui energi termal kT. Akibatnya, pasangan terbentuk dan semua pasangan mengalami kondensasi Bose ke keadaan dasar yang sama. Parameter paling penting dalam teori ini adalah celah energi, simbol delta nol pada suhu nol. Nilainya untuk materi neutron murni hasil perhitungan berbagai grup riset (seperti grup J. Carlson, S. Reddy, dan C. J. Pethick) berkisar antara 0.5 hingga 3 MeV, tergantung kerapatan. Celah ini adalah energi minimum yang diperlukan untuk memecah satu pasangan menjadi dua neutron bebas. Celah ini tidak konstan. Di kerak dalam bintang, celah bisa mencapai puncak 3 MeV lalu turun menjadi nol pada kerapatan di atas 0.7 kali kerapatan saturasi karena munculnya interaksi tolak dalam gelombang-p. Fenomena ini disebut penekanan superfluiditas oleh kerapatan tinggi. Adanya celah energi ini bukan sekadar detail mikroskopis. Ia langsung memengaruhi sifat termal bintang, terutama kapasitas panasnya, yang berubah drastis dari perilaku logam biasa menjadi perilaku yang sangat aneh. Hilangnya Viskositas Termal – Bintang yang Mengalir Tanpa Rasa Sakit Dalam fluida normal, viskositas termal berasal dari tumbukan antar partikel yang membawa panas dan momentum. Semakin panas, semakin sering tumbukan, semakin besar resistensi terhadap aliran. Di dalam bintang neutron normal jika tidak ada superfluiditas, neutron saling bertabrakan triliunan kali per detik. Tapi begitu superfluiditas terbentuk, mekanismenya berubah drastis. Pasangan Cooper yang bergerak bersama sebagai satu kesatuan bosonik tidak dapat bertumbukan secara individual. Mereka dipaksa oleh mekanika kuantum untuk memiliki fungsi gelombang kolektif yang sama. Jika satu pasangan bergerak, semua pasangan lain harus bergerak dengan cara yang sama karena mereka semua adalah kondensat. Akibatnya, aliran pasangan Cooper tidak menghasilkan disipasi energi. Tidak ada panas yang terbuang menjadi gesekan. Ini bukan spekulasi. Pengukuran rotasi bintang neutron memberikan bukti tidak langsung. Bintang neutron berotasi cepat, mencapai ratusan kali per detik. Jika inti bintang masih berupa fluida normal, rotasi akan melambat dalam hitungan tahun karena gesekan antara inti dan kerak padat. Namun pengamatan terhadap pulsar muda seperti Pulsar Kepiting menunjukkan laju perlambatan yang sangat kecil, bahkan lebih kecil dari prediksi model fluida normal. Satu-satunya penjelasan yang diterima secara luas adalah bahwa inti luar bintang neutron bersifat superfluid, sehingga aliran neutron di dalamnya tidak menghasilkan torsi gesek terhadap kerak. Perhitungan oleh fisikawan seperti G. Baym, C. Pethick, dan D. Pines pada 1969 menunjukkan bahwa viskositas geser materi neutron turun secara eksponensial di bawah suhu transisi, sebanding dengan fungsi eksponensial delta dibagi kT. Hilangnya viskositas ini bukan satu-satunya perubahan. Perubahan lain yang sama pentingnya terjadi pada kemampuan bintang menyimpan panas. Inilah yang kita bahas di kapasitas panas. Perubahan Drastis Kapasitas Panas dan Dampak pada Pendinginan Kapasitas panas adalah ukuran seberapa banyak energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu materi sebesar satu derajat. Dalam gas Fermi normal neutron, kapasitas panasnya linier terhadap suhu, rumusnya gamma kali T, dengan gamma sebanding dengan massa efektif neutron. Ini mirip dengan logam biasa. Namun begitu bintang neutron memasuki fase superfluid di bawah suhu kritis Tc, kapasitas panasnya berubah total. Pada suhu yang jauh di bawah Tc, kapasitas panas tidak lagi linier. Ia berperilaku seperti fungsi eksponensial yang sangat kecil, proporsional dengan ekspansi minus delta nol dibagi kT. Artinya, pada suhu 0.1 Tc, kapasitas panas bisa jutaan kali lebih kecil daripada nilai normalnya. Sebaliknya, tepat di bawah Tc, terjadi lonjakan kapasitas panas yang tajam. Menurut teori BCS untuk materi netral seperti neutron, lonjakan ini memiliki rasio diskontinuitas sebesar 1.43 dibandingkan nilai normalnya di atas suhu kritis. Fenomena ini pernah dihitung oleh R. D. Parks dalam superkonduktor dan oleh M. Hoffberg serta kawan-kawan untuk materi nuklir. Data pengamatan suhu permukaan bintang neutron memberikan konfirmasi tidak langsung. Bintang neutron muda seperti Cassiopeia A menunjukkan suhu permukaan yang mendingin lebih cepat dari prediksi model tanpa superfluiditas, namun dengan model yang menyertakan celah superfluid yang bergantung kerapatan dan suhu, laju pendinginan dapat dijelaskan dengan sangat baik. Tim peneliti seperti D. Page, J. M. Lattimer, M. Prakash, dan A. W. Steiner pada 2004-2011 menunjukkan bahwa kehadiran superfluiditas di kerak dalam dan inti luar memperlambat pendinginan pada suhu menengah namun mempercepat pendinginan pada suhu sangat rendah karena pelepasan neutrino dari pemutusan dan pembentukan pasangan Cooper (proses neutrino PBF). Proses ini didukung oleh data observasi Chandra dan XMM-Newton terhadap bintang neutron di pusat sisa supernova. Setelah memahami perubahan termal, kita harus bertanya, bisakah semua teori ini dibuktikan dengan pengamatan langsung? Jawabannya iya, dan bukti terkuat datang dari fenomena glitch pada pulsar. Bukti Observasi – Glitch dan Rotasi Pulsar sebagai Laboratorium Langit Superfluiditas BCS di bintang neutron memiliki bukti observasional cukup kuat dari fenomena yang disebut glitch. Glitch adalah lompatan mendadak kecepatan rotasi pulsar. Biasanya, pulsar melambat secara teratur karena radiasi magnetik. Namun sekitar 5 hingga 10 persen pulsar menunjukkan sesekali peningkatan kecepatan rotasi secara tiba-tiba. Contoh paling terkenal adalah Pulsar Vela yang mengalami glitch sekitar setiap tiga tahun dengan lompatan frekuensi sekitar 1 bagian dalam 10^6. Penjelasan yang diterima secara luas adalah bahwa inti superfluid bintang neutron berotasi lebih cepat dari kerak padatnya. Lambat laun, vorteks kuantum dalam superfluid (setiap vorteks membawa sirkulasi sebesar h dibagi 2m_n, dengan h konstanta Planck dan m_n massa neutron) terjerat pada kerak. Saat tegangan kritis tercapai, vorteks terlepas secara kolektif, memindahkan momentum sudut dari inti superfluid ke kerak. Ini menyebabkan lompatan kecepatan. Model ini pertama kali diajukan oleh P. W. Anderson dan N. Itoh pada 1975. Sejak itu, pengamatan lebih dari 500 glitch pada puluhan pulsar mendukung mekanisme ini. Selain glitch, pendinginan bintang neutron yang terlalu cepat dari yang diperkirakan model biasa juga menjadi bukti tak langsung. Misalnya, bintang neutron di pusat sisa supernova Cassiopeia A menunjukkan suhu turun dari 2.12 juta Kelvin menjadi 2.04 juta Kelvin dalam 10 tahun pengamatan dari 2000 hingga 2010. Perubahan ini tepat diprediksi oleh model yang menyertakan superfluiditas dengan celah sekitar 0.6 MeV di kerak dalam. Tanpa superfluiditas, pendinginan akan jauh lebih lambat. Jadi, superfluiditas BCS sudah menjadi realitas fisika di langit. Semoga Bermanfaat dan Terima Kasih.