Model Big Bang pernah mengalami masalah besar terkait nukleosintesis, yaitu bagaimana unsur atom terbentuk, khususnya atom yang berat. George Gamow pernah berkata: “Unsur-unsur dimasak dalam waktu kurang dari waktu memasak bebek dan kentang goreng.” Singkatnya, ia percaya kalau semua inti atom diciptakan dalam satu jam segera setelah Big Bang.
Walau begitu, Gamow, Alpher, dan Herman tidak mampu menemukan mekanisme yang dapat menciptakan atom ini, hanya atom yang paling ringan, seperti hidrogen dan helium, padahal satu jam pasca Big Bang panas luar biasa tingginya. Bila unsur berat tidak terbentuk segera setelah Big Bang, lalu masalahnya jelas: dimana dan kapan mereka terbentuk?
Arthur Eddington sudah mengajukan satu teori mengenai nukleosintesis: “Saya rasa bintang adalah penting dimana atom ringan bersenyawa menjadi unsur yang lebih kompleks.” Walau begitu, suhu bintang diperkirakan hanya beberapa ribu derajat di permukaan dan hanya beberapa juta derajat di intinya. Suhu ini jelas cukup untuk mengubah hidrogen menjadi helium dengan perlahan, namun seluruhnya tidak cukup untuk menggabungkan inti helium menjadi inti berat sesungguhnya, yang memerlukan suhu beberapa miliar derajat.
Solusi dari misteri ini akhirnya dipecahkan oleh Fred Hoyle. Ketika bintang mulai sekarat, seluruh tubuh bintang tertarik ke intinya, tekanan menjadi besar sehingga intinya menjadi panas, menekan keluar dan menahan keruntuhan gravitasi. Walaupun panas ini membangun kembali kestabilan bintang, ia hanya sementara; kematian bintang hanya tercegah sebentar. Bintang terus mengkonsumsi bahan bakar lebih banyak, dan akhirnya pasokan bahan bakar menipis dan menjadi kritis. Tidak adanya bahan bakar berarti tidak ada produksi energi, jadi inti kembali mendingin, yang membuat bintang kembali runtuh. Kembali, keruntuhan ini memanaskan inti dan membawa pada fase keruntuhan selanjutnya. Sekali lagi, keruntuhan ini memanaskan inti, dan mencegah lagi keruntuhan sampai bahan bakar selanjutnya habis. Keruntuhan stop-start ini berarti kalau banyak bintang mati secara perlahan dan bertahap. Selama proses keruntuhan bertahap inilah unsur-unsur berat terbentuk. Hoyle kemudian menyusun tabel pembentukan unsur berdasarkan teorinya ini.
Tahap Suhu (Celsius) Kepadatan (g/cm3) Durasi tahapan
Hidrogen > Helium 40 juta 5 10 juta tahun
Helium > Karbon 200 juta 700 1 juta tahun
Karbon > Neon + Magnesium 600 juta 200 ribu 600 tahun
Neon > Oksigen + Magnesium 1.2 miliar 500 ribu 1 tahun
Silikon > Besi 2.7 miliar 10 juta 6 bulan
Keruntuhan inti 5.4 miliar 300 miliar 0.25 detik
Pemantulan inti 23 miliar 400 triliun 0.001 detik
Ledakan Sekitar 1 miliar Beragam 10 detik
Hoyle telah mengatasi salah satu teka-teki terbesar dalam kosmologi, dan menemukan solusi yang hampir lengkap, kecuali satu. Tabelnya menunjukkan rantai nukleosintesis dalam satu tipe bintang khusus: hidrogen diubah menjadi helium, lalu helium menjadi karbon, lalu karbon menjadi semua unsur lebih berat lainnya.
Walaupun tabelnya jelas menunjukkan helium ke fase karbon, Hoyle tidak dapat benar-benar menjelaskan bagaimana ini bisa terjadi. Sejauh yang ia bisa lihat, tidak ada jalur nuklir untuk mengubah helium menjadi karbon. Ini masalah besar, karena kecuali ia dapat menjelaskan pembentukan karbon, ia tidak dapat menjelaskan bagaimana reaksi nuklir lainnya terjadi karena semua memerlukan karbon pada suatu saat dalam rantainya yang membawa pada pembentukannya. Dan masalah ini terjadi pada semua tipe bintang – tidak ada cara mudah mengubah helium menjadi karbon.
Hoyle tidak mau menyerah. Semua reaksi nuklir kompleks yang ia ramalkan terjadi di dalam bintang yang sekarat bertopang pada adanya karbon, jadi ia memutuskan memecahkan masalah bagaimana karbon terbentuk. Bentuk umum karbon adalah karbon-12. Bentuk umum helium adalah helium-4. Karenanya, masalahnya menjadi: adakah mekanisme mengubah tiga inti helium menjadi satu inti karbon?
Salah satu kemungkinan adalah tiga inti helium serentak bertabrakan membentuk inti karbon. Ini mustahil terjadi karena kemungkinannya luar biasa kecil. Cara lain adalah dua inti helium bergabung membentuk inti berilium-8 lalu inti baru ini bergabung dengan helium baru untuk membentuk inti karbon. Sayangnya, berilium-8 sangat tidak stabil. Ia kembali terurai dalam seper sejuta miliar detik, luar biasa cepatnya. Akibatnya kemungkinannya kecil untuk membentuk atom karbon. Masalah lainnya juga ada. Bahkan bila memang reaksi ini terjadi, gabungan berilium-8 dengan helium-4 adalah karbon-12 yang massanya sedikit lebih besar dari karbon-12 sesungguhnya. Bagaimana massa ini hilang? Jadi bagaimana?
Walaupun inti atom memiliki struktur standar, Hoyle tahu kalau ada susunan alternatif proton dan neutron yang mungkin. Kita bisa membayangkan 12 partikel yang menyusun inti karbon sebagai 12 bola; ada dua susunan bola yang bisa dibentuk. Pertama memiliki dua lapisan terdiri masing-masing dari 6 partikel secara persegi panjang; kedua memiliki empat lapisan dengan masing-masing 3 partikel dalam susunan segitiga (ini penyederhanaan, karena benda-benda dalam tingkat nuklir tidak serapi itu). Mari kita anggap kalau susunan pertama adalah ynag berasosiasi dengan bentuk umum karbon, dan kedua berasosiasi dengan bentuk tereksitasi karbon. Adalah mungkin untuk mengubah inti karbon biasa menjadi bentuk tereksitasi dengan memasukkan energi. Karena energi dan massa ekuivalen (E=mc2) inti karbon yang tereksitasi memiliki massa sedikit lebih besar daripada inti karbon umumnya. Hoyle menyimpulkan kalau pasti ada bentuk karbon-12 tereksitasi dengan massa yang tepat, yang sesuai dengan massa kombinasi berilium-8 dan helium-4. Bila ada inti karbon demikian, maka helium-4 dapat bereaksi lebih cepat dengan berilium-8 untuk membentuk karbon-12. Walaupun usia berilium-8 yang sangat singkat, menjadi mungkin untuk menciptakan kuantitas karbon-12 yang signifikan.
Secara teknis, Hoyle meramalkan karbon tereksitasi ini akan memiliki energi 7.65 megaelektronvolt lebih besar daripada inti karbon biasa. Megaelektronvolt (MeV) adalah satuan energi sangat kecil yang sesuai untuk mengukur jumlah energi benda sangat kecil seperti inti atom. Hoyle sekarang ingin tahu apakah kondisi tereksitasi ini benar-benar ada.
Tahun 1953, prediksinya terbukti. Willy Fowler dkk meneliti kelimpahan karbon-12 selama sepuluh hari dan menemukan kondisi tereksitasi baru. Energinya tepat 7.65 MeV seperti yang dikatakan Hoyle. Ini pertama kalinya dan satu-satunya saat dimana seorang ilmuan menggunakan prinsip antropik dan terbukti benar. Hoyle adalah contoh orang yang sangat jenius.
Akhirnya, Hoyle membuktikan dan menemukan mekanisme dimana helium dapat berubah menjadi karbon. Ia mengkonfirmasi kalau karbon di sintesis pada suhu sekitar 200 juta derajat Celsius lewat reaksi yang ia buat. Ini proses yang lambat, namun miliaran bintang selama miliaran tahun dapat menciptakan jumlah karbon yang cukup signifikan.
Sumber
Singh, S. 2004. Big Bang: The Origin of the Universe.
Referensi lanjut
Woosley, S. E. Hoyle & Fowler’s Nucleosynthesis in Supernovae. Astrophysical Journal, Centennial Issue, Vol. 525C, p. 924
referensi dari faktakimia.com
Senin, 04 Juli 2011
