Di seluruh langit yang sudah dipetakan manusia, sejauh 100 parsec dari Matahari (sekitar 326 tahun cahaya), astronom baru berhasil menemukan segelintir sistem bintang ganda yang memasangkan sebuah katai putih dengan sebuah katai coklat. Padahal, kedua jenis objek langit ini masing-masing tidak jarang ditemukan sendirian. Pertanyaannya, apakah pasangan semacam ini memang benar-benar langka secara alami, atau selama ini kita hanya belum cukup jeli mencarinya?
Sebuah tim astronom dari Universitat Politècnica de Catalunya (Spanyol), University of Leicester (Inggris), dan beberapa institusi di Tiongkok, dipimpin oleh A. Santos-García, mencoba menjawab pertanyaan ini bukan dengan teleskop, melainkan dengan simulasi komputer berskala populasi seluruh galaksi. Mereka ingin tahu, apakah kelangkaan yang diamati ini bisa dijelaskan murni oleh fisika pembentukan dan evolusi bintang biner, tanpa perlu embel-embel penjelasan eksotis lainnya.
Katai Coklat, "Bintang Gagal" yang Terjebak di Tengah
Sebelum masuk lebih jauh, ada baiknya berkenalan dulu dengan katai coklat itu sendiri. Katai coklat (brown dwarf) adalah objek langit yang massanya terlalu kecil untuk menyalakan fusi hidrogen secara stabil di intinya, biasanya di bawah sekitar 0,075–0,08 kali massa Matahari, tapi terlalu besar untuk disebut planet raksasa biasa. Karena tidak bisa mempertahankan fusi nuklir, katai coklat tidak pernah benar-benar "menyala" seperti bintang sungguhan. Ia hanya bisa terus mendingin dan meredup seiring waktu, membuatnya sangat sulit dideteksi, apalagi jika ia sedang mengorbit dekat dengan bintang lain yang jauh lebih terang.
Karena redup dan sulit dideteksi inilah, salah satu dugaan awal soal kelangkaan pasangan katai putih–katai coklat adalah semata-mata karena keterbatasan pengamatan, bukan karena mereka memang jarang terbentuk. Untuk menguji dugaan ini, tim peneliti butuh cara untuk memprediksi, secara teoretis, seberapa banyak seharusnya pasangan semacam ini ada di sekitar kita jika fisika pembentukan bintang biner berjalan seperti yang selama ini dipahami.
Selain katai coklat, kita juga perlu memahami tentang katai putih. Penjelasan mengenai katai putih dapat dilihat di artikel ini https://antariksa.web.id/artikel/astronom-membuat-katalog-raksasa-berisi-44-000-lebih-katai-putih-dan-sebagian-besar-belum-pernah-diketahui-sebelumnya/.
Membangun Simulasi Astrofisika dengan Kode MRBIN
Untuk menjawab itu, tim menggunakan dan mengembangkan lebih lanjut sebuah kode simulasi bernama MRBIN, sebuah program sintesis populasi biner yang sudah lama dipakai kelompok riset ini untuk mempelajari katai putih dan sistem bintang gandanya.
Sintesis populasi biner (binary population synthesis) adalah teknik simulasi di mana astronom "menciptakan" jutaan bintang dan sistem bintang ganda secara virtual di dalam komputer, lengkap dengan massa awal, jarak orbit, dan sifat-sifat lainnya yang diambil secara acak namun mengikuti aturan statistik yang realistis. Populasi virtual ini kemudian dibiarkan "berevolusi" mengikuti hukum-hukum fisika bintang selama miliaran tahun simulasi, sehingga astronom bisa melihat seperti apa populasi bintang yang dihasilkan pada masa kini, dan membandingkannya dengan apa yang benar-benar diamati di langit.
Yang membuat studi ini istimewa, kode MRBIN sebelumnya hanya dirancang untuk menangani bintang dengan massa serendah 0,09 kali massa Matahari saja, belum menjangkau wilayah katai coklat sama sekali. Tim harus memperluas kode ini hingga mampu menangani objek bermassa serendah 0,01 kali massa Matahari, lengkap dengan model pendinginan khusus untuk katai coklat serta fungsi massa awal yang diperluas ke wilayah bermassa sangat rendah.
Fungsi massa awal (initial mass function, IMF) adalah semacam "resep statistik" yang menggambarkan seberapa banyak bintang terbentuk pada tiap rentang massa tertentu, setiap kali sekumpulan gas dan debu runtuh membentuk bintang-bintang baru. Pada umumnya, bintang bermassa rendah jauh lebih banyak terbentuk dibanding bintang bermassa tinggi. Untuk memodelkan katai coklat dengan benar, tim harus memperluas resep ini hingga ke wilayah bermassa sangat kecil, dan bahkan menemukan bahwa katai coklat tampaknya mengikuti pola pembentukan yang sedikit berbeda dibanding bintang bermassa rendah biasa.
Dengan kode yang sudah diperluas ini, tim mensimulasikan populasi bintang di lingkungan sekitar Matahari hingga jarak 100 parsec, lalu membandingkan hasilnya dengan sampel katai putih–katai coklat yang benar-benar sudah teramati di wilayah yang sama, yang berjumlah 13 sistem.
Simulasi Memprediksi Angka yang Nyaris Identik dengan Pengamatan
Hasil utama dari penelitian ini cukup memuaskan. Simulasi memprediksi seharusnya ada 13 ± 5 sistem katai putih–katai coklat dalam radius 100 parsec dari Matahari, angka yang cocok betul dengan 13 sistem yang memang sudah ditemukan di jarak yang sama. Dengan kata lain, pasangan semacam ini hanya mewakili sekitar 0,1% dari seluruh populasi katai putih di lingkungan sekitar kita, sebuah kelangkaan yang kini bisa dijelaskan secara alami tanpa perlu mekanisme tambahan yang aneh-aneh.
Yang menarik, angka ini didapat menggunakan resep simulasi yang sama persis dengan yang sebelumnya sudah terbukti berhasil mereproduksi populasi katai putih secara umum dan berbagai jenis biner katai putih lainnya, tanpa perlu "disetel ulang" khusus untuk kasus katai putih–katai coklat. Ini artinya, kelangkaan pasangan ini kemungkinan besar memang murni konsekuensi alami dari cara bintang biner terbentuk dan berevolusi, bukan sekadar karena manusia belum cukup jeli mencarinya, meskipun bias pengamatan tetap berperan besar dalam menyulitkan pendeteksian sistem-sistem yang ada.
Tentang Fase Common Envelope
Fase common envelope terjadi ketika salah satu bintang dalam sistem biner membengkak menjadi raksasa merah di akhir hidupnya, sampai-sampai lapisan luarnya menyelimuti kedua bintang sekaligus, termasuk bintang pendampingnya yang jauh lebih kecil, misalnya sebuah katai coklat. Di dalam selubung gas raksasa ini, kedua objek saling bergesekan dan kehilangan energi orbit, membuat mereka berputar semakin mendekat satu sama lain dalam waktu yang sangat singkat. Jika prosesnya berhasil melontarkan seluruh selubung gas sebelum kedua objek sempat bertabrakan dan menyatu, hasil akhirnya adalah sistem biner yang jauh lebih rapat dari sebelumnya, seperti katai putih dan katai coklat yang mengorbit satu sama lain hanya dalam hitungan jam.
Ketika tim memeriksa lebih detail sistem-sistem berjarak orbit dekat, mereka menemukan sesuatu yang perlu penjelasan tambahan. Simulasi standar mereka ternyata menghasilkan terlalu sedikit pasangan katai putih–katai coklat berperiode pendek, dibanding yang benar-benar diamati.
Untuk mereproduksi jumlah sistem berperiode pendek yang benar-benar teramati, tim mendapati bahwa mereka perlu menaikkan nilai "efisiensi" fase common envelope ini jauh lebih tinggi dibanding nilai standar yang biasa dipakai untuk biner katai putih pada umumnya. Ini masuk akal, karena pada pasangan katai putih–katai coklat, perbedaan massa antara kedua komponennya jauh lebih ekstrem dibanding biner katai putih biasa, sehingga dibutuhkan mekanisme yang lebih efisien agar katai coklat yang jauh lebih ringan bisa selamat melontarkan selubung gas bintang pendampingnya tanpa ikut tertelan di dalamnya.
Period Gap Antara Periode Pendek dan Panjang
Ketika tim memetakan distribusi periode orbit dari seluruh sistem simulasi mereka, muncul sebuah pola menarik, wilayah dengan kepadatan sistem yang jauh lebih rendah di antara sistem berperiode sangat pendek dan sistem berperiode sangat panjang. Ini adalah sebuah fenomena yang secara alami cocok dengan apa yang disebut period gap yang sebelumnya sudah dilaporkan pada biner katai putih–katai coklat.
Pola ini ternyata muncul secara alami dari evolusi biner itu sendiri. Sistem yang sempat mengalami fase common envelope akan terdorong menjadi berperiode sangat pendek, sementara sistem yang berhasil menghindari fase ini justru melebar orbitnya akibat kehilangan massa dari bintang yang berevolusi, dan berakhir di wilayah periode yang sangat panjang. Akibatnya, wilayah periode menengah menjadi kurang diminati secara alami, bukan karena benar-benar kosong sama sekali, melainkan karena secara statistik jauh lebih jarang terbentuk dibanding kedua ekstremnya.
"Gurun" Katai Coklat yang Ternyata Tidak Benar-Benar Gersang
Selain sistem katai putih–katai coklat, tim juga memanfaatkan simulasi mereka untuk menyelidiki fenomena lain yang sudah lama menjadi teka-teki, yaitu apa yang disebut sebagai brown dwarf desert di sekitar bintang deret utama biasa seperti Matahari.
Brown dwarf desert adalah istilah untuk pengamatan bahwa katai coklat sangat jarang ditemukan mengorbit dekat dengan bintang bermassa mirip Matahari, jauh lebih jarang dibanding planet maupun bintang pendamping lainnya pada jarak orbit yang sama. Fenomena ini pertama kali diamati lewat survei kecepatan radial dan transit, namun penyebab pastinya masih menjadi perdebatan hingga kini.
Tanpa sengaja mengasumsikan keberadaan brown dwarf desert ini sejak awal, simulasi tim justru secara alami menghasilkan versi "gurun" yang lebih lemah, bukan kekosongan total, melainkan hanya penurunan jumlah sistem di sekitar massa 0,04 kali massa Matahari (sekitar 40 kali massa Jupiter), sesuatu yang juga tercermin pada katalog pengamatan terbaru. Ini menunjukkan bahwa brown dwarf desert mungkin bukanlah ketiadaan total pasangan pada rentang massa tersebut, melainkan sekadar kelangkaan statistik yang bisa dijelaskan oleh jalur pembentukan dan evolusi biner yang sudah dikenal, tanpa perlu mekanisme tambahan yang khusus.
Menyisakan Beberapa Ketidaksesuaian yang Menarik untuk Ditelusuri
Meski secara umum simulasi ini cukup berhasil mereproduksi populasi yang teramati, tidak semua hal cocok sempurna. Salah satu yang mencolok, suhu katai coklat hasil simulasi ternyata secara sistematis lebih panas dibanding suhu yang diperkirakan untuk katai coklat yang benar-benar teramati, dengan selisih sekitar 550–700 Kelvin. Tim menduga hal ini bisa disebabkan oleh ketidakpastian pada model evolusi katai coklat itu sendiri, atau ketidakpastian dalam menentukan suhu efektif katai coklat lewat pengamatan, mengingat objek ini memang terkenal sulit dikarakterisasi secara akurat.
Perbedaan semacam ini justru menjadi pengingat berharga, bahwa meski simulasi berhasil menjelaskan gambaran besar soal kelangkaan pasangan katai putih–katai coklat, masih ada detail-detail halus dalam model bintang bermassa sangat rendah yang perlu terus disempurnakan.
Ke depannya, tim berharap survei-survei baru yang menggabungkan data astrometri presisi tinggi dari Gaia dengan pengamatan inframerah akan membantu menemukan lebih banyak lagi pasangan langka semacam ini, sekaligus menguji lebih jauh apakah simulasi mereka benar-benar sudah menangkap seluruh cerita di balik kelangkaannya, atau masih ada babak lain yang belum terungkap.
Ditulis berdasarkan: Santos-García, A., Torres, S., Rebassa-Mansergas, A., Casewell, S. L., Chen, Z., & Ge, H. (2026). The scarcity of white dwarf-brown dwarf binaries in the solar neighbourhood: A population synthesis study. Astronomy & Astrophysics, arXiv:2609.03017v1