Ruang-Waktu yang Terseret Rotasi Katai Putih

Efek dari prediksi teori relativitas umum Einstein berhasil teramati dan digunakan untuk mengukur rotasi bintang katai putih dalam sistem bintang ganda!

Efek yang dimaksud adalah “frame-dragging” atau “kerangka terseret“. Ini adalah efek yang terjadi ketika sebuah objek masif berputar sangat cepat dan menarik atau menyeret ruang-waktu di sekelilingnya. Hasilnya, ruang-waktu yang ditarik ini seperti dililitkan pada poros. Mirip seperti kita sedang memutar bola dengan cepat di atas kain dan menyebabkan kain terseret oleh putaran bola tersebut.

Efek kerangka terseret inilah yang berhasil diamati pada dua buah bintang yang sudah mati selama 20 tahun!

Kedua bintang yang diamati ini merupakan sistem bintang ganda yang mengitari satu sama lainnya. Sistem ini ditemukan pada tahun 1999 dan terdiri dari pulsar dan bintang katai putih.

Pasangan Bintang Mati Yang Unik

Pulsar yang dinamai PSR J1141-6545 ini berada pada rasi Musca (Lalat) yang berada di bagian selatan rasi Crux. Pulsar merupakan inti bintang tersisa setelah bintang masif meledak sebagai supernova. Ledakan ini melontarkan lapisan terluar bintang dengan sangat cepat, sementara inti bintang menjadi bintang neutron yang sangat masif dengan ukuran sangat kecil sekitar 20 km.

Bintang neutron ini memancarkan gelombang radio dari kutub-kutubnya dan ketika berputar, pancaran radiasinya ini tampak seperti lampu mercusuar yang muncul dan menghilang. Bagi pengamat di Bumi kita seperti sedang melihat denyutan pada bintang. Bintang seperti ini kita kenal sebagai pulsar.

Bintang pasangan dari pulsar PSR J1141-6545 adalah sebuah bintang katai putih. ini juga inti yang tersisa setelah bintang seperti Matahari mati dengan melontarkan lapisan terluarnya. Yang tersisa adalah bola sebesar Bumi dengan massa setara bintang.

Kalau dibandingkan, bola pulsar dan bola katai putih, bintang neutron itu jauh lebih kecil dan lebih padat dibanding bintang katai putih. Kalau kerapatan bintang katai putih “hanya” satu juta kali lebih padat dari air, maka bintang neutron itu ratusan triliun kali lebih padat.

Yang menarik dari pasangan bintang ini, PSR J1141-6545 dan bintang katai putih pasangannya ini menyelesaikan putaran satu sama lainnya hanya dalam waktu kurang dari 5 hari! Bayangkan sebuah dunia di mana kamu bisa merayakan tahun baru setiap 5 hari (skala harian di Bumi). Selain itu, orbit pulsar ini juga sangat spesial. Kecepatan PSR J1141-6545 saat beredar megitari katai putih hampir satu juta km/jam, sementara jarak antara pulsar dan bintang katai putih tak lebih besar dari ukuran Matahari.

Hal menarik lainnya, dalam sistem ini bintang katai putih terbentuk lebih dahulu sebelum pulsar. Jadi, bintang serupa Matahari itu justru mati lebih dahulu baru kemudian si bintang yang lebih masif yang meledak dan jadi bintang neutron. Fenomena ini menarik, karena bintang serupa Matahari itu massanya lebih kecil dan kala hidupnya lebih panjang dibanding bintang massa besar yang berakhir sebagai supernova. Jadi seharusnya, bintang neutron atau PSR J1141-6545 lebih tua dan lebih dulu melontarkan selubung luarnya dalam ledakan supernova.

Ternyata tidak demikian.

Pasangan bintang cikal bakal pulsar dan katai putih ini merupakan bintang normal yang mengitari satu sama lainnya. Salah satu bintang memang lebih masif dari bintang pasangannya. Tapi massa keduanya masih di bawah batas massa untuk bisa meledak sebagai supernova dan jadi bintang neutron.

Dalam sistem ini, yang terlebih dahulu mengakhiri hidupnya adalah bintang yang massanya lebih besar. Saat bintang tersebut berevolusi ke tahap raksasa merah, melontarkan selubung terluarnya, dan berakhir sebagai katai putih, materi itu justru ditransfer ke bintang yang massanya lebih kecil. Akibatnya, terjadi penambahan massa menjadi bintang masif yang pada akhirnya meledak sebagai supernova dan menyisakan inti neutron.

Tapi ada hal lain yang menarik perhatian para astronom. Rotasi bintang katai putih yang sangat cepat. Dalam pemodelan untuk sistem ini, diprediksi ada transfer massa yang terjadi sebelum bintang kedua meledak sebagai Supernova tipe II. Jadi, saat bintang kedua memeroleh tambahan massa dari bintang primer, ia kemudian berevolusi dengan cepat menjadi bintang maharaksasa merah dan kemudian meledak sebagai Supernova tipe II.

Saat meledak, materi yang terlontar ini yang kemudian dilimpahkan ke bintang primer yang sudah bertransformasi sebagai katai putih. Akibatnya, rotasi bintang katai putih mengalami percepatan!

Misteri Rotasi Bintang Katai Putih

Dari hasil pengamatan yang dilakukan selama dua dekade, para astronom menemukan bahwa pulsar ini berotasi 2,5 kali per detik atau sekitar 24 detik untuk satu putaran. Cepat, tapi masih lambat untuk ukuran pulsar (umumnya pulsar berotasi beberapa kali sampai ratusan kali per detik). Sementara itu, bintang katai putih pasangannya ternyata berotasi hanya dalam 100 detik! – (untuk katai putih rotasinya sangat cepat).

Informasi ini sangat penting untuk memahami dan menguji model evolusi sistem bintang ganda ini. Tapi, untuk mengetahui kecepatan rotasi bintang katai putih dalam sistem ini tidaklah mudah.

Cara umum untuk mengetahui rotasi bintang itu dengan memelajari informasi pada spektrum cahaya yang datang dari bintang tersebut. Tapi, bintang katai putih ini terlalu redup untuk bisa diamati. Jadi, harus digunakan cara lain untuk mengetahui kecepatan rotasinya. Untuk itu yang diamati adalah rotasi pulsar yang masif ini. Kecepatan rotasi pulsar bisa diketahui dari denyutan atau pulsasi yang berasal dari gelombang radio yang dipancarkan oleh kutub magnetik bintang secara berkala. Denyutan PSR J1141-6545 selalu tiba di Bumi pada periode yang sama dengan tingkat akurasi sampai nanodetik. Untuk mengetahui dengan tepat kapan sinyal radio diterima oleh teleskop radio Parkes dan UTMOST, para astronom menggunakan jam atom yang tingkat akurasinya tinggi.

Hasil pengamatan selama 20 tahun memperlihatkan kalau orientasi orbit pulsar ini berubah dan terjadi pergeseran!

Pergeseran ini mirip gasing yang berputar dan bergeser. Efek ini dikenal sebagai presesi dan bisa disebebakan oleh interaksi dua benda yang tidak bulat sempurna. Dalam hal ini, kedua bintang mati dianggap tidak bulat sempurna karena ada tonjolan yang terbentuk di ekuator akibat rotasi yang sangat cepat. Interaksi keduanya diduga menghasilkan gangguan pada kedua bintang. Tapi, hasil perhitungan memperlihatkan ketidaksesuaian pada pergeseran dan orientasi.

Tersangka pergeseran ini adalah efek relativitas yang dikenal dengan nama efek Lense-Thirring dimana rotasi benda masif bisa menyebabkan ruang-waktu terdistorsi. Perhitungan efek ini pada Tata Surya dilakukan pada tahun 1918 oleh Josef Lense dan Hans Thirring. Perhitungan dilakukan untuk mengetahui efek kerangka terseret yang dihasilkan oleh Matahari pada gerak planet. Kesimpulannya, efeknya terlalu kecil untuk dihitung.

Efek ini emang sudah diuji coba untuk mengetahui efek rotasi Bumi pada satelit. Hasilnya memang ada presesi yang sangat kecil yakni 0,0000086º tiap tahun. Tapi, pada kasus bintang katai putih yang berotasi cepat, jika satelit yang sama mengorbit bintang ini, efek kerangka terseret yang disarakan satelit bisa mencapai jutaan kali lebih kuat.

Dari pengamatan selama 20 tahun, diketahui terjadi pergeseran sejauh 150 km!

Efek kerangka terseret inilah yang mengubah orientasi maupun periode pulsar. Periode rotasi bintang katai putih pun bisa diketahui yakni 100 detik. Informasi kecepatan rotasi ini penting karena sekaligus mengonfirmasi prediksi terjadinya transfer massa dari bintang cikal bakal pulsar sebelum bintang tersebut meledak, 1,5 juta tahun lalu. Penambahan massa inilah yang mempercepat rotasi katai putih.

Rotasi katai putih yang cepat juga mengonfirmasi bahwa katai putih terbentuk lebih dahulu baru kemudian pulsar. Karena jika pulsar terbentuk lebih dahulu, bintang neutron akan menerima materi dari bintang yang berevolusi menjadi katai putih. Jika itu terjadi, rotasi pulsar akan jadi lebih cepat. Tapi, yang ditemukan justru rotasi bintang neutron justru lambat, sedangkan katai putih justru mengalami percepatan rotasi.

Sekali lagi relativitas umum membuktikan dirinya sendiri dan menjadi jawaban untuk menjelaskan hasil pengamatan. Untuk memahami dan menemukan lebih banyak sistem unik seperti ini, kehadiran teleskop radio Meerkat dan Square Kilometer Array (SKA) bisa menjadi jawaban untuk menyediakan informasi yang bisa mengungkap lebih banyak cerita di masa depan.