Kilonova, Gelombang Gravitasi, dan Astronomi Multikurir

Pada tahun 2016 dunia ilmu pengetahuan terhentak dengan penemuan gelombang gravitasi (gravitational wave/GW). Penemuan tersebut membuka jendela pengamatan baru yang sejauh ini belum dijelajahi oleh manusia. 

Sampai ketika penemuan gelombang gravitasi dianugerahi Hadiah Nobel Fisika tahun 2017, detektor GW yakni LIGO dan belakangan ada VIRGO yang bergabung, sudah berhasil mendeteksi empat GW yang tepercaya. Gelombang gravitasi yang terakhir terjadi pada bulan Agustus lalu (GW170814).

Tiga hari setelah GW170814 terdeteksi, tepat pada tanggal 17 Agustus 2017 (Indonesia Raya, merdeka, merdeka!), LIGO/VIRGO mendeteksi sebuah sinyal baru sepanjang sekitar 100 detik.

Sesuai dengan tanggal deteksinya, sinyal ini dinamakan GW170817.

Hasil analisis menunjukkan bahwa GW170817 dihasilkan oleh sepasang objek bermassa sekitar massa Matahari pada jarak 130 juta tahun cahaya (40 Mpc). Dan ini berbeda dari deteksi empat GW sebelumnya yang semuanya merupakan penggabungan (merger) dua lubang hitam bermassa sekitar 7 hingga 35 massa Matahari.

Karakteristik sinyal yang terdeteksi menunjukkan bahwa peristiwa ini kemungkinan adalah merger bintang neutron, sesuai dengan estimasi massanya. Jelas ini merupakan penemuan baru yang menunjukkan bahwa teknologi kita sudah cukup peka untuk menangkap gelombang gravitasi dari penggabungan objek dengan massa seperti bintang neutron yakni sekitar 1,4 massa Matahari. Namun, deteksi gelombang gravitasi saja tidak dapat membedakan dengan pasti apakah objek yang mengalami penggabungan adalah bintang neutron atau justru lubang hitam.

Kolaborasi Pengamatan

Setelah penemuan GW170817 diumumkan di kalangan astronom, peneliti di berbagai lokasi di dunia sigap melakukan pengamatan untuk menangkap informasi lebih lanjut dari peristiwa ini. Ketepatan posisi sumber GW170817 adalah sekitar 30 derajat persegi, atau sekitar setengah luas rasi Crux.

Ukuran daerah pencarian yang luas ini membuat pengamatan tidak mudah dilakukan.

Satelit Fermi adalah yang pertama kali melaporkan deteksi pancaran sinar gamma dari arah GW170817. Deteksi ini kemudian segera diikuti oleh banyak instrumen lain di seluruh dunia, dalam seluruh rentang panjang gelombang elektromagnetik dari sinar-X hingga radio. Sebuah sinergi yang luarbiasa untuk membuka tabir fenomena baru.

Mengikuti petunjuk arah dari LIGO/VIRGO dan Fermi, sejumlah tim survey segera mengarahkan teleskop-teleskop ke arah perkiraan dari GW170817.

Ketepatan posisi LIGO/VIRGO dan Fermi masih terlalu kasar, beberapa puluh derajat persegi dibandingkan dengan kebanyakan medan pandang teleskop optik yang sekitar sepersepuluh derajat persegi. Letak GW170817 juga jauh di selatan, tidak terjangkau oleh teleskop-teleskop di belahan bumi utara, apalagi posisinya di langit dekat dengan Matahari sehingga sulit dijangkau.

Ketika kedua objek ini baru saja merger, tidak ada teleskop yang berada pada posisi yang tepat untuk menangkap sinyal imbangan (“counterpart“) dari GW170817. Baru beberapa jam kemudian, setelah menunggu Matahari terbenam, teleskop-teleskop di Afrika Selatan dan Chile mulai dapat diarahkan untuk mencari sinyal dari posisi kasar GW170817.

Lebih dari 11 jam sejak saat merger, barulah ditemukan sebuah objek transien baru di arah tersebut. Objek ini ditemukan terletak di dekat galaksi NGC 4993, dan dinamakan SSS17a atau DLT17ck (penamaan IAU: AT 2017gfo).

Lima tim pengamatan berhasil mendeteksi objek ini dalam survey pencitraan: Swope Survey, Survei DLT40, VISTA, MASTER, dan Las Cumbres. Objek ini terdeteksi dalam panjang gelombang ultraviolet, kasat mata, dan inframerah, dan kecerlangannya hanya sekitar seperseratus ribu kali dari bintang paling redup yang kasat mata dengan kecerlangan 17.5 magnitudo.

Sebenarnya, terdapat puluhan kandidat galaksi induk yang disasar untuk pencarian counterpart ini. Tetapi karena medan pencarian yang luas, pengamatan akhirnya difokuskan kepada AT 2017gfo daripada mengamati seluruh galaksi kandidat satu per satu. Karena itu, pengamatan spektroskopi yang sangat berguna untuk menggali karakteristik fisik dari sebuah benda langit harus dilakukan, meskipun membutuhkan lebih banyak waktu pengamatan dengan medan pandang yang jauh lebih terbatas.

Spektrum AT 2017gfo yang pertama kali diambil 30 menit setelah deteksi, memperlihatkan spektrum kontinum biru tanpa garis-garis spektral yang umum tampak pada spektrum bintang atau supernova.

Pengamatan-pengamatan selanjutnya dilakukan dalam rentang waktu dua minggu sejak deteksi dengan menggunakan teleskop-teleskop seperti VLT, Gemini, Subaru, Magellan, Hubble, dan juga survey spektroskopi ePESSTO (Extended Public ESO Spectroscopic Survey of Transient Objects).

Kilonova pun Terdeteksi

Hasil survei menunjukkan bahwa AT 2017gfo menjadi redup dengan cepat pada panjang gelombang biru, dan puncak distribusi energinya justru jadi bergeser ke inframerah. Selain itu, garis-garis serapan pada spektrum berangsur-angsur menjadi kuat. Evolusi spektrum AT 2017gfo dan perubahan kecerlangannya yang cepat menunjukkan bahwa objek ini bukanlah sebuah supernova, tetapi lebih menyerupai kilonova/macronova.

Hasil pemodelan Kilonova AT 2017gfo memperlihatkan terjadinya lontaran materi radioaktif sejumlah 4% massa Matahari dengan kecepatan 20% kecepatan cahaya.

Ledakan kilonova telah diprediksi sebelumnya sebagai peristiwa yang membarengi merger bintang neutron. Kemunculan ledakan kilonova AT 2017gfo menjadi bukti keterkaitannya dengan GW170817 yang merupakan penggabungan dua bintang neutron. Artinya, apa yang ada di tataran teori telah berhasil dibuktikan lewat peristiwa ini.

Model kilonova juga memprediksi pembentukan elemen-elemen berat hasil nukleosintesis reaksi cepat penangkapan neutron (nomor massa atom 100 < A < 140). Elemen-elemen berat seperti cesium dan telurium teramati pada spektrum AT 2017gfo sebagai garis-garis absorpsi, dan hal ini memberikan dukungan tambahan terhadap AT 2017gfo sebagai kilonova.

Disamping panjang gelombang ultraviolet, kasat mata, dan inframerah, pengamatan juga terus dilakukan sejak waktu penemuan GW170817 pada ranah sinar gamma, sinar X, hingga gelombang mikro dan radio.

Hasilnya, AT 2017gfo terdeteksi pada seluruh rentang panjang gelombang elektromagnetik. Keberhasilan ini tak lepas dari kerja sama dan usaha pengamatan dari banyak ilmuwan dengan menggunakan fasilitas-fasilitas terbaik dunia, sehingga menghasilkan pencapaian luar biasa yang menandai dimulainya lembaran baru dalam astronomi dan ilmu pengetahuan.

GW170817 menandai dimulainya era baru di mana pengamatan sistematis terhadap alam semesta dilakukan tidak hanya dalam rentang gelombang elektromagnetik. Berbeda dengan deteksi 4 gelombang gravitasi sebelumnya, GW170817 adalah gelombang gravitasi pertama yang penemuannya dibarengi dengan deteksi pancaran gelombang elektromagnetik. GW dan foton-foton gelombang elektromagnetik yang datang dari objek yang sama berperan sebagai kurir yang membawa informasi dari fenomena langit ini kepada pengamat.

Era astronomi multikurir (multi-messenger astronomy) telah dimulai.