Riak dari Bintang Neutron Mengawali Era Astronomi Multikurir

Era baru astronomi benar-benar telah dimulai lewat kolaborasi gelombang gravitasi dan gelombang elektromagnetik sebagai astronomi multikurir untuk melacak sumber gelombang gravitasi dan kisah dibaliknya.

Kolaborasi dari berbagai fasilitas astronomi di seluruh dunia termasuk dari luar angkasa berhasil mendeteksi gelombang gravitasi yang paling ditunggu sejak peristiwa ini pertama kali ditemukan.

Ilustrasi tabrakan bintang neutron yang berhasil diamati dalam berbagai panjang gelombang dan dideteksi gelombang gravitasinya. Kredit: NSF, LIGO, Sonoma State University & A. Simonnet
Ilustrasi tabrakan bintang neutron yang berhasil diamati dalam berbagai panjang gelombang dan dideteksi gelombang gravitasinya. Kredit: NSF, LIGO, Sonoma State University & A. Simonnet

Tumbukan atau tabrakan yang menghasilkan merger dua bintang neutron!

Yang berhasil dideteksi bukan cuma riak yang datang dari peristiwa bersejarah ini saja. Peristiwa yang terjadi sesudahnya juga berhasil diamati oleh berbagai teleskop. Mulai dari teleskop luar angkasa maupun teleskop-teleskop yang tersebar di berbagai negara.  Setidaknya ada 70 Observatorium yang berhasil mendeteksi peristiwa tersebut.

Bukan hanya kolaborasi antar fasilitas pengamatan. Alam semesta juga memperlihatkan pada kita kolaborasi astronomi multikurir untuk memaparkan cerita sebuah kejadian dasyat lainnya. Untuk pertama kalinya kita bisa melihat sebuah peristiwa lewat paparan gelombang elektromagnetik (cahaya) dan gelombang gravitasi.

Hasil ini sekaligus memperkuat bukti keberadaan gelombang gravitasi yang sudah ditemukan oleh LIGO dan VIRGO sebelumnya dari penggabungan sepasang lubang hitam. Penemuan gelombang gravitasi inilah yang membawa penggagas LIGO memperoleh Hadiah Nobel Fisika.

Kalau sebelumnya hanya riak dari hasil merger yang bisa kita dengar, kali ini para astronom bisa melihat sendiri cahaya yang datang dari peristiwa tersebut. Efeknya juga luar biasa. Informasi yang diterima jadi lebih lengkap dan bisa menjawab 3 teka teki yang selama ini hanya ada pada tataran teori.

Menjejak lokasi tabrakan dari data astronomi multikurir

Rupanya ketika Indonesia sedang merayakan hari kemerdekaannya, LIGO dan VIRGO, 3 detektor interferometer berhasil mendeteksi peristiwa bersejarah di alam semesta. Riak ke-5 yang melintasi Bumi berhasil didengar oleh ketiga interferemoter hanya selang 3 hari dari riak ke-4 yang dideteksi sebelumnya. Sinyal gelombang gravitasi terbaru ini hanya bisa dideteksi selama 100 detik!

Peristiwa ini diberi nama GW170817.

Dua detik setelah riak itu didengar LIGO dan VIRGO, teleskop sinar gamma Fermi milik NASA dan Teleskop sinar gamma INTEGRAL milik ESA melihat sebuah peristiwa baru di antariksa dalam panjang gelombang sinar gamma. Yang dilihat itu ledakan sinar gamma yang rupanya datang dari area yang sama dengan peristiwa GW170817.

Jadi, ketika LIGO dan VIRGO mendeteksi riak yang datang dari alam semesta, para astronom juga bisa mengetahui lokasi datangnya sinyal tersebut. Tapi rentang areanya cukup luas, tidak tepat di satu lokasi.

Untuk GW170817, sinyal yang datang itu dari area langit bagian selatan dengan luas 35 derajat persegi. Area seluas itu bisa diisi beberapa ratus Bulan Purnama dan jutaan bintang!

Kalau peristiwa itu datang dari lubang hitam yang merger, maka kita tidak bisa melihatnya dengan teleskop optik. Ketika dua lubang hitam masif berinteraksi, tidak ada lagi benda lain di sekitarnya yang bisa mengindikasikan kehadiran mereka. Bisa jadi materi tersebut terlontar atau malah sudah dilahap lubang hitam yang gravitasinya luar biasa besar.

Akibatnya, kita tidak bisa melihat keberadaan lubang hitam di area langit tersebut apalagi mengetahui tabrakan yang terjadi di antara keduanya. Tapi, riak yang ditimbulkan akibat tabrakan bisa kita dengar.

Tapi, tidak demikian dengan peristiwa kali ini.

Ada ledakan sinar gamma yang berhasil dilihat oleh dua teleskop berbeda di luar angkasa dari lokasi datangnya riak. Artinya, peristiwa ini bukan dari penggabungan dua lubang hitam, tapi dari ledakan besar berenergi tinggi lainnya.  Indikasi paling kuat, ledakan sinar gamma itu dihasilkan dari tumbukan sepasang bintang neutron yang merger yang tentu saja bisa diamati cahayanya.

Area sumber gelombang gravitasi dari LIGO dan VIRGO digabungkan dengan area hasil deteksi Teleskop Fermi dan INTEGRAL, menghasilkan irisan area datangnya sumber gelombang gravitasi dan ledakan sinar gamma.

Tak pelak berbagai teleskop di Bumi diarahkan ke area langit selatan yang jadi arah datang riak dan ledakan sinar gamma. Pengamatan dilakukan oleh setidaknya 70 Observatorium di berbagai negara, dalam panjang gelombang ultraungu, kasatmata, inframerah, radio dan sinar gamma. Kolaborasi masif untuk melihat sebuah peristiwa langka!

Teleskop diarahkan ke langit untuk mencari peristiwa transien pada galaksi-galaksi yang jadi kandidat lokasi peristiwa tumbukan dua bintang neutron tersebut. Hasilnya ditemukan peristiwa transien yang kemudian dilanjutkan dengan pengamatan spektroskopi di arah yang sama.

Hasilnya, lokasi GW170817 bisa diketahui dengan akurat, yakni sangat dekat dengan NGC 4993 yang merupakan galaksi lentikular di rasi Hydra si ular. Hasil pengamatan maupun deteksi gelombang gravitasi memperlihatkan konsistensi jarak ke sumber peristiwa yakni 130 juta tahun cahaya. Kedua bintang neutron ini diketahui memiliki massa merentang antara 1,1 – 1,6 massa Matahari dengan kehilangan massa yang menjadi energi hanya sebesar 0,025 massa Matahari.  Artinya deteksi pada LIGO dan VIRGO juga cukup lemah. Penggabungan sepasang bintang neutron pada akhirnya bisa menghasilkan bintang neutron masif yang baru atau justru membentuk lubang hitam baru.

Penemuan ini menjadikan GW170817 sebagai gelombang gravitasi terdekat yang bisa dideteksi sekaligus juga salah satu ledakan sinar gamma terdekat yang sudah teramati sekaligus tonggak sejarah dimulainya babak baru astronomi multikurir yang informasinya saling melengkapi dan menjawab teori yang selama ini sudah ada dalam menuturkan cerita dari alam semesta.

Kilonova & Elemen Berat

Ketika sebuah bintang berakhir dalam ledakan dasyat, ada inti bintang yang selamat tapi termampatkan menjadi bola yang sangat kecil yang kita kenal sebagai bintang neutron. Ukurannya sangat kecil hanya sekitar 20 km tapi massanya bisa sama dengan massa Matahari. Bahkan, satu sendok teh materi bintang neutron beratnya bisa mencapai 6 miliar ton. Luar biasa berat!

Citra galaksi NGC 4993 yang dipotret dari berbagai teleskop ESO. Tampak sumber cahaya redup di tengan dan diindikasi sebagai kilonova. Kredit: VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM
Citra galaksi NGC 4993 yang dipotret dari berbagai teleskop ESO. Tampak sumber cahaya redup di tengan dan diindikasi sebagai kilonova. Kredit: VLT/VIMOS. VLT/MUSE, MPG/ESO 2.2-metre telescope/GROND, VISTA/VIRCAM, VST/OmegaCAM

Jika ada dua bintang neutron yang saling berinteraksi dan akhirnya bergabung, maka akan terjadi ledakan sinar gamma sesaat dengan kecerlangan 1000 kali lebih terang dari nova. Peristiwa ini secara teori dikenal sebagai kilonova dan belum pernah dikonfirmasi keberadaannya lewat pengamatan. Saat GW170817 ditemukan, untuk pertama kalinya para astronom bisa mengamati ledakan transien atau ledakan yang berlangsung hanya sesaat tersebut.

Kilonova berhasil diamati dari GW170817 dan tampak jelas pada spektrum yang dilihat oleh ePESSTO (extended Public ESO Spectroscopic Survey for Transient Objects) dan instrumen X-shooter di VLT. Spektra tersebut memperlihatkan perubahan dari warna yang sangat biru ke sangat merah. Atau dengan kata lain dari kondisi yang sangat panas jadi sangat dingin hanya dalam beberapa hari (± 12 hari).

Saat kedua bintang neutron bergabung, ledakan elemen berat radioaktif diketahui bergerak meninggalkan kilonova dengan kecepatan 1/5 kecepatan cahaya!

Selain itu, spektrum GW170817 memperlihatkan kehadiran sesium dan telurium dalam puing materi yang terlontar akibat tumbukan. Bisa disimpulkan juga bahwa Sesium dan Telurium yang ada di Bumi dan digunakan pada jam atom, alat elektronik dan panel surya, berasal dari tumbukan bintang neutron di galaksi kita.

Peristiwa tabrakan bintang neutron memang memicu pembentukan unsur-unsur berat (di atas Besi) yang berlangsung cepat, karena banyak neutron yang tersedia setelah tumbukan. Unsur berat yang terbentuk itu termasuk juga emas dan platinum. Unsur-unsur berat di alam semesta biasanya terbentuk saat bintang meledak atau yang kita kenal sebagai supernova. Tapi untuk unsur-unsur berat seperti emas dan platinum, diperkirakan justru terbentuk lewat reaksi nuklir yang dikenal sebagai nukleosintesis reaksi cepat penangkapan neutron (nukleosintesis proses-r). Unsur berat yang terbentuk saat tabrakan inilah yang dilontarkan ke angkasa oleh peristiwa kilonova.

Dari pengamatan, para astronom bisa mengonfirmasi terbentuknya elemen-elemen yang lebih berat dari besi, yang selama ini hanya ada dalam teori. Pada tabrakan bintang neutron yang ditemukan sebelumnya, pembentukan elemen berat sudah berhasil diamati juga lewat pengamatan sisa cahaya ledakan sinar gamma.

Menurut Hanindyo Kuncarayakti, salah satu anggota kolaborasi ePESSTO dalam penelitian ini, “selain mengonfirmasi pembentukan unsur berat, kita juga bisa melakukan estimasi jumlah unsur berat yang ada di alam semesta dengan melihat jumlah unsur berat yang terbentuk saat tumbukan bintang neutron dan memperhitungkan laju merger bintang neutron”.

Penemuan GW170817 bukan hanya tentang deteksi gelombang gravitasi yang baru lagi. Penemuan ini penting karena untuk pertama kalinya, kita juga menangkap imbangan gelombang elektromagnetiknya. Apalagi penemuan gelombang gravitasi masih sangat baru dan sebelum itu kita hanya peka terhadap gelombang EM. Karena itu penemuan ini jadi penghubung antara yang sebelumnya tidak bisa ditangkap oleh teknologi kita dengan sesuatu yang sudah akrab bagi kita para pengamat. – Hanindyo Kuncarayakti, Universitas Turku, Finlandia. 

Ditulis oleh

Avivah Yamani

Avivah Yamani

Tukang cerita astronomi keliling a.k.a komunikator astronomi yang dulu pernah sibuk menguji kestabilan planet-planet di bintang lain. Sehari-hari menuangkan kisah alam semesta lewat tulisan dan audio sambil bermain game dan sesekali menulis makalah ilmiah terkait astronomi & komunikasi sains.

Avivah juga bekerja sebagai Project Director 365 Days Of Astronomy di Planetary Science Institute dan dipercaya IAU sebagai IAU OAO National Outreach Coordinator untuk Indonesia.