Ketika James Webb Space Telescope (JWST) menemukan sesuatu yang mengejutkan saat memindai langit dalam beberapa tahun terakhir. Teleskop ini menemukan gumpalan-gumpalan bintang yang sangat masif dan padat, bertengger di sekitar galaksi-galaksi purba yang usianya baru sekitar 500 juta tahun sejak Big Bang. Gumpalan-gumpalan ini begitu terang dan padat sehingga banyak astronom menaruh curiga, jangan-jangan inilah asal usul dari gugus bola (globular cluster) yang hari ini kita lihat mengelilingi Bima Sakti dan galaksi lain.
Tapi ada rentang waktu yang sangat panjang antara dugaan itu dan bukti nyata. Untuk sampai ke usia gugus bola yang kita kenal sekarang, gumpalan purba itu harus bertahan hidup selama 12 miliar tahun. Ia akan melewati medan gravitasi ganas galaksi yang masih dalam proses terbentuk. Pertanyaannya, apakah mereka benar-benar bisa selamat sejauh itu, atau hanya sebagian kecil yang berhasil, dan seperti apa kondisi yang membuat mereka dapat bertahan sampai saat ini?
Sebuah tim peneliti dari Indiana University, INAF (Italia), dan Nicolaus Copernicus Astronomical Center (Polandia), dipimpin oleh A. Della Croce, mencoba menjawabnya lewat simulasi komputer skala besar. Hasilnya memberi petunjuk penting tentang bagaimana gumpalan-gumpalan purba itu mampu bertahan dan berevolusi menjadi gugus bola modern.
Simulasi Monte Carlo dengan Medan Pasang Surut yang Berubah Seiring Waktu
Karena manusia jelas tidak bisa menunggu 12 miliar tahun untuk melihat hasilnya secara langsung, tim ini menggunakan kode simulasi bernama MOCCA. Ini adalah sebuah program yang mampu melacak evolusi ratusan ribu hingga jutaan bintang individual, termasuk interaksi gravitasi antar-bintang, evolusi bintang, dan pengaruh medan pasang surut (tidal field) dari galaksi induk.
Medan pasang surut (tidal field) adalah gaya tarik gravitasi galaksi yang cenderung "meregangkan" dan mencabik gugus bintang yang mengorbit di dalamnya, mirip seperti gravitasi Bulan yang menarik air laut menjadi pasang surut, tapi dalam skala jauh lebih besar dan jauh lebih merusak bagi gugus bintang yang lebih kecil dan longgar.
Yang membuat simulasi ini istimewa adalah medan pasang surutnya tidak dibuat konstan. Pada masa awal alam semesta, galaksi yang masih terbentuk memiliki medan gravitasi yang jauh lebih kacau dan kuat dibanding galaksi dewasa seperti Bima Sakti sekarang. Tim peneliti memodelkan medan ini agar mengikuti pola realistis, yaitu sangat kuat dan bergejolak di awal, lalu perlahan melemah seiring waktu, dan kira-kira selesai bertepatan dengan peristiwa merger besar yang pernah dialami Bima Sakti, yang dikenal sebagai Gaia-Enceladus, sekitar 10 miliar tahun lalu.
Ratusan simulasi dijalankan dengan variasi jumlah bintang (500 ribu hingga 2 juta partikel) dan ukuran awal (radius setengah-massa 3 hingga 30 parsec), untuk mencakup rentang sifat gumpalan yang benar-benar diamati JWST.
Radius setengah-massa (half-mass radius) adalah jarak dari pusat gugus bintang di mana separuh dari total massa gugus tersebut terkandung di dalamnya. Semakin kecil radius ini, semakin padat gugus tersebut. Bintang-bintangnya terkumpul rapat di area yang sempit. Ukuran ini dipakai astronom sebagai patokan standar untuk membandingkan kepadatan antar gugus bintang, tanpa harus menghitung bentuk detailnya satu per satu.
Gugus Populasi Tunggal Umumnya Gagal Bertahan dari Medan Pasang Surut Awal
Langkah pertama tim adalah menguji gugus bintang paling sederhana, yaitu gugus bintang yang hanya berisi satu populasi bintang homogen, tanpa struktur internal khusus (disebut sistem SP, single population). Hasilnya cukup keras: hanya gugus yang sudah sangat padat dan sangat masif sejak awal (radius kurang dari 5 parsec dan lebih dari satu juta bintang) yang berhasil bertahan dari fase awal medan pasang surut yang ganas.
Masalahnya, gugus sepadat dan semasif itu tidak mewakili kebanyakan gumpalan yang benar-benar diamati JWST. Justru lebih banyak yang ukurannya jauh lebih besar, bisa mencapai lebih dari 10 parsec. Dengan kata lain, jika gumpalan-gumpalan yang diamati JWST punya struktur sesederhana ini, sebagian besar dari mereka semestinya sudah tercerai-berai jauh sebelum sempat menjadi gugus bola.
Struktur Populasi Ganda Meningkatkan Peluang Kelangsungan Hidup Gugus
Di sinilah bagian paling menarik dari penelitian ini. Hampir semua gugus bola yang kita amati hari ini di Bima Sakti ternyata bukan populasi bintang tunggal. Mereka menyimpan dua populasi bintang (populasi ganda) dengan komposisi kimia sedikit berbeda, yang dikenal sebagai populasi pertama (1P) dan populasi kedua (2P).
Populasi ganda (multiple populations) dalam gugus bola merujuk pada dua kelompok bintang yang lahir dalam episode pembentukan bintang berbeda di dalam gugus yang sama. Populasi kedua umumnya lebih kaya akan unsur-unsur kimia tertentu (seperti natrium dan nitrogen) dibanding populasi pertama. Populasi kedua mengandung materi yang telah didaur ulang oleh generasi bintang populasi pertama.
Berdasarkan simulasi hidrodinamika sebelumnya, populasi kedua diperkirakan terbentuk lebih terkonsentrasi di bagian inti gugus, sementara populasi pertama tersebar lebih luas di sekelilingnya, struktur gugus bintang seperti ini bagaikan biji kecil dan padat yang terbungkus lapisan yang lebih longgar.
Ketika tim mencoba menerapkan struktur ini pada gugus dengan massa dan ukuran total yang persis sama seperti gugus satu populasi homogen, hasilnya berubah drastis. Jauh lebih banyak sistem yang berhasil selamat, termasuk yang berukuran besar (lebih dari 10 parsec), yang tumpang tindih dengan populasi gumpalan sesungguhnya yang diamati JWST. Setelah 12 miliar tahun berlalu dalam simulasi, gugus-gugus yang selamat ini juga berakhir dengan kombinasi massa dan kepadatan yang sangat mirip dengan gugus bola Bima Sakti yang sesungguhnya.
Semakin terkonsentrasi populasi kedua terhadap populasi pertama, semakin besar peluang gugus itu untuk bertahan hidup. Menariknya, yang paling banyak lolos dari fase awal bukanlah populasi kedua, melainkan bintang-bintang populasi pertama di lapisan luar yang justru banyak terlepas dan hilang. Proses seleksi alam ini justru menjelaskan mengapa rasio bintang populasi kedua terhadap populasi pertama di gugus bola modern cenderung lebih tinggi dari perkiraan awal pembentukannya. Hal ini karena banyak bintang populasi pertama sudah terlempar keluar sejak fase awal yang ganas itu.
Pengaruh Populasi Lubang Hitam terhadap Stabilitas dan Kelangsungan Hidup Gugus
Selain struktur populasi ganda, tim juga menyelidiki peran lubang hitam bermassa bintang (stellar-mass black holes) yang tertinggal dari ledakan supernova bintang-bintang masif di dalam gugus.
Lubang hitam bermassa bintang terbentuk ketika bintang yang sangat masif (puluhan kali massa Matahari) kehabisan bahan bakar nuklirnya dan runtuh di akhir hidupnya. Berapa banyak lubang hitam yang tertinggal di dalam gugus bergantung pada seberapa kuat dorongan (natal kick) yang diterimanya saat terbentuk. Dorongan kuat membuat lubang hitam terlontar keluar gugus, dorongan lemah membuatnya tetap terikat.
Tim menguji dua skenario. Pertama, di mana lubang hitam mendapat dorongan kuat sehingga banyak yang terlontar keluar gugus (disebut fbOFF). Yang kedua di mana sebagian material ledakan jatuh kembali ke lubang hitam sehingga dorongannya melemah dan lebih banyak lubang hitam yang tertinggal (disebut fbON).
Hasilnya cukup jelas. Semakin banyak lubang hitam yang tertahan di dalam gugus, semakin besar pula risiko gugus itu hancur. Sebabnya, lubang hitam yang berinteraksi secara gravitasi dengan bintang-bintang di sekitarnya justru memanaskan bagian dalam gugus, mencegahnya memadat, dan membuatnya lebih rentan tercabik oleh medan pasang surut galaksi.
Meski begitu, kabar baiknya adalah gugus-gugus yang berhasil selamat hingga 12 miliar tahun ternyata bisa tetap menyimpan populasi lubang hitam dalam jumlah cukup besar hingga hari ini. Ini adalah sebuah temuan yang relevan bagi para peneliti gelombang gravitasi, karena gugus bola padat dianggap sebagai salah satu pabrik utama tabrakan pasangan lubang hitam di alam semesta.
Mungkinkah Gumpalan Bintang yang diamati JWST adalah Gugus Bola Modern?
Hasil keseluruhan penelitian ini memberi gambaran yang cukup meyakinkan, di mana gumpalan bintang masif yang dilihat JWST di alam semesta awal memang bisa menjadi cikal bakal gugus bola yang kita amati di Bima Sakti hari ini. Akan tetapi, dengan satu syarat penting, mereka harus memiliki struktur internal berlapis sejak awal, dengan inti populasi kedua yang padat terbenam di dalam selubung populasi pertama yang lebih longgar, persis seperti struktur yang selama ini ditemukan pada gugus bola tua di galaksi kita.
Gugus tanpa struktur semacam ini, betapapun besar dan terang mereka terlihat oleh JWST, kemungkinan besar sudah tercerai-berai jauh sebelum sempat merayakan ulang tahun ke-12 miliarnya.
Penelitian ini adalah bagian pertama dari rangkaian studi yang direncanakan tim, dengan fokus selanjutnya pada properti dinamika internal gugus dan kandungan bintangnya secara lebih rinci. Ini adalah sebuah upaya berkelanjutan untuk merangkai jembatan antara apa yang JWST lihat di masa lalu alam semesta, dan apa yang kita amati hari ini di halaman belakang galaksi kita sendiri.
Ditulis berdasarkan: Della Croce, A., Vesperini, E., Pascale, R., Askar, A., Calura, F., Dalessandro, E., & Giersz, M. (2026). The evolution of high-z proto-star clusters into local globular clusters. Astronomy & Astrophysics, arXiv:2607.00206v1