Seratus Institute

Halo Sobat100, It's Science Time!!! Kali ini tim100 akan membahas berita besar awal minggu ini. Di tengah ramainya pelantikan Gubernur Daerah Khusus Ibukota Jakarta dan hiruk pikuk kontroversi pidato pertama sang gubernur, para ilmuwan yang tergabung dalam kolaborasi LIGO/VIRGO merilis pengamatan pertama mereka terhadap peleburan 2 bintang neutron pada Senin, 16 Oktober 2017 waktu Amerika Serikat dan juga di Munchen, Jerman. Apakah hubungan dari pengamatan ini dengan alam semesta kita? Dan mengapa disebut-sebut sebagai jawaban atas asal-usul materi di alam semesta kita? Simak penjelasannya berikut ini.

Pengamatan Meleburnya 2 Bintang Neutron

Pengamatan dengan kode GW170817 terjadi pada jam 12:41:04 UTC (Universal Time Coordinate, atau orang awam mengenalnya GMT, meski GMT saat ini dirasa kurang presisi lagi). Gelombang Gravitasi berlangsung selama 100 sekon dimulai dari frekuensi 24 Hz. GW170817 terjadi selama kurang lebih 3000 putaran dan frekuensinya meningkat hingga beberapa ratus Hz. GW170817 pertama kali teramati oleh detektor Virgo di Itali disusul 22 ms observatorium LIGO di Livingston, Louisiana, Amerika Serikat kemudian 3 ms berikutnya teramati oleh observatorium LIGO di Hanford, Negara Bagian Washington, Amerika Serikat.

Sinyal GW170817 yang diukur oleh detektor gelombang gravitasi LIGO dan VIRGO^[1]

Informasi pertama kali dicuit oleh astronomer J. Craig Wheeler dari Universitas Texas di Austin pada 18 Agustus 2017 (namun kemudian dihapus karena melanggar protokol pengumuman resmi). Lokasi GW170817 diyakini terjadi di NGC 4993 galaksi yang berjarak 40 Mpc (130 juta tahun cahaya) yang berada pada konstalasi Hydra. GW170817 adalah pengamatan pertama terhadap peleburan 2 bintang neutron.

NGC 4993 (inset : gambar dari Hubble terkait GRB170817A) Sumber NASA dan ESA

Kejadian ini kemudian dikonfirmasi oleh pengamatan baik Teleskop Luar Angkasa Sinar Gamma, Fermi dan oleh INTEGRAL. Pengamatan dengan kode GRB170817A adalah ledakan sinar gamma pendek yang terdeteksi 1,74 \(\pm\) 0,05 s setelah waktu penggabungan. Cahaya tampak pertama kali teramati 10 jam dan 52 menit kemudian teridentifikasi dengan kode SSS17a oleh teleskop Swope (yang berukuran diameter 1 meter dan beroperasi pada gelombang inframerah dekat) di observatorium Las Campanas, Chile. Dalam waktu kurang lebih 1 jam setelah melokalisasi keberadaan sumber teramati cahaya dari sumber berubah dari biru menjadi merah yang diyakini terjadi akibat mengmbang dan kemudian mendinginnya sumber.

Kajian Astrofisika

Seperti yang dilansir dari Jurnal Physical Review Letters pada 16 Oktober 2017 lalu^[1] peleburan dari dua bintang neutron ini terjadi dengan massa terbesarnya 90% berada pada kisaran 1,36 hingga 2,26 kali massa Matahari kita dan yang kecil 90% berukuran 0,86 hingga 1,36 massa Matahari. Peleburannya menghasilkan total Massa 2,82 kali Massa Matahari dan chirp mass 1,188 kali massa Matahari saat terukur pada spin (putaran) yang tinggi. Peleburan ini dikategorikan sebagai kilonova karena berkekuatan 1000 kali dari ledakan nova (ledakan inti bintang menjadi katai putih). Kilonova ini lah yang diyakini sebagai kandidat penghasil unsur-unsur kimia yang lebih berat dari besi di alam semesta kita. Totalnya 16 000 kali massa Bumi berbentuk unsur berat termasuk emas dan platinum yang bermassa 10 kali massa Bumi.

Data empiris hasil pengamatan GW170817

Kejadian GW170817 ini dapat menentukan batasan perbedaan antara kecepatan cahaya dan gravitasi. Dari foton yang dipancarkan pertama kali antara 0 hingga 10 detik setelah puncak emisi gelombang gravitasi terdapat perbedaan (selisih) antara gelombang gravitasi dan gelombang gravitasi sekitar - 3 x 10^-15 hingga +7 x 10^-16 kali kecepatan cahaya (c = 300 000 km/s, hasil pembulatan). Selanjutnya sinyal dari GW170817 ini diharapkan bisa menjadi standar sirine untuk pengukuran terpisah bagi konstanta Hubble.

Penjelasan tentang GW170817 bisa dilihat di video berikut ini.

Asal-usul Materi di Alam Semesta

GW170817 dikategorikan sebagai Multi-messenger astronomy (MMA). Dalam astronomi, MMA adalah pengamatan koordinat dan interpretasi dari beberapa pesan yang disampaikan oleh beberapa sinyal. Radiasi gelombang elektromagnetik, gelombang gravitasi, radiasi neutrino dan sinar kosmik tercipta oleh beberapa proses astrofisika yang berbeda dan memberikan (mengungkapkan) informasi yang berbeda terhadap sumbernya.

Formasi terjadinya supernova dari tipe Ia

GW170817 diyakini 1000 kali lebih kuat dari ledakan supernova. Supernova adalah kejadian astronomika yang terjadi selama tahap akhir evolusi bintang dari bintang hidup yang masif yang mana kehancurannya ditandai dengan satu ledakan besar. Supernova sendiri lebih berenergi dari pada nova (bintang baru). Kata nova diambil dari bahasa Latin yang berarti baru. Kata supernova diciptakan oleh Walter Baade dan Fritz Zwicky pada tahun 1931.^[2]

Lapisan dari evolusi bintang yang masif (ukuran tidak menggunakan skala)

Bintang yang sangat masif bisa meluruh akibat reaksi fusi yang menjadi tidak stabil menjaga intinya dari gravitasinya sendiri. Setelah melewati batas ini menyebabkan supernova. Kemungkinan pelepasan energi potensial gravitasi yang tidak mencukupi membuat bintang meluruh bisa menjadi lubang hitam bisa juga menjadi bintang neutron dengan sedikit energi yang terpancar.

Supernova Tipe Ia memperoleh energinya dari peleburan fusi nuklir karbon-oksigen katai putih. Rincian energetika masih belum sepenuhnya dipahami, namun hasil akhirnya adalah pengusiran seluruh massa bintang asli pada energi kinetik tinggi. Sekitar setengah massa matahari dari massa tersebut adalah ⁵⁶Ni (Nikel dengan nomor massa 56) yang dihasilkan dari pembakaran silikon. Nikel-56 bersifat radioaktif dan meluruh menjadi ⁵⁶Co (Kobalt-56) memancarkan partikel ⁺ (dengan waktu paruh ena hari) dan sinar gamma. Kobalt-56 sendiri meluruh melalui jalur ⁺ (positron) dengan waktu paruh 77 hari ke inti ⁵⁶Fe (Besi-56) stabil. Kedua proses ini bertanggung jawab atas radiasi elektromagnetik dari supernova Tipe Ia. Dalam kombinasi dengan perubahan transparansi material yang dikeluarkan, mereka menghasilkan kurva cahaya yang cepat menurun.^[3]

Penjelasan Terkait Supernova bisa dilihat di video berikut ini

Sintesis Nuklir

Tabel Periodik berdasarkan asal kosmogenik tiap unsur. Unsur lebih berat dari besi berawal dari supernova yang terbentuk dari proses r yang mana diperkuat oleh ledakan supernova neutron.

Proses pengambilan neutron cepat atau proses r adalah satu set reaksi dalam astrofisika nuklir yang bertanggung jawab atas penciptaan (nukleosintesis) sekitar setengah inti atom lebih berat dari pada besi.

Proses ini memerlukan suksesi tangkapan neutron cepat (oleh karena itu namanya rapid neutron capture process) oleh inti awal yang berat, biasanya dimulai dengan ⁵⁶Fe. Penangkapan harus cepat dalam arti bahwa nukleus tidak sempat mengalami peluruhan radioaktif sebelum neutron lain tiba untuk ditangkap. Oleh karena itu, proses r terjadi di lokasi di mana ada fluks neutron bebas yang tinggi. Ini termasuk materi yang dikeluarkan dari supernova inti-runtuh (sebagai bagian dari nukleosintesis supernova) dan materi kaya neutron dilempar dari penggabungan bintang neutron. Kontribusi relatif dari sumber-sumber ini, dan lainnya, terhadap kelimpahan unsur r-astrofisika adalah masalah penelitian yang sedang berlangsung.

Proses r juga terjadi pada tingkat ringan dalam ledakan senjata termonuklir. Hal ini menyebabkan penemuan elemen Einsteinium (elemen 99) dan Fermium (elemen 100) dalam kejatuhan senjata nuklir.

Proses r dibedakan dari proses s, mekanisme dominan lainnya untuk produksi elemen berat, yaitu nukleosintesis dengan cara menangkap neutron yang lambat. Proses s terutama terjadi di dalam bintang, terutama bintang AGB, dimana fluks neutron cukup untuk menyebabkan reaksi namun terlalu rendah untuk proses r. Proses s adalah sekunder, yang berarti memerlukan isotop berat yang sudah ada sebagai inti benih untuk diubah menjadi inti berat lainnya. Secara keseluruhan, proses r dan s memproses sebagian besar evolusi kelimpahan elemen lebih berat dari pada besi.

Demikian sains hari ini.
Kalau Sobat100 perhatikan secara seksama kenapa pengamatan ini diberi kode GW170817?
Ya Karena sinyal pertama terdeteksi pada tanggal 17 Agustus 2017. Tentunya Sobat100 tidak asing dengan tanggal itu. Ya Pada tanggal tersebut kita di Indonesia sedang merayakan Dirgahayu Kemerdekaan ke-72 RI. Mungkin ini adalah pesan langsung dari alam Semesta. Mungkin Yang Maha Kuasa ingin menunjukkan Tanda-Tanda Kebesaran-Nya secara langsung kepada kita di Indonesia, bahwanya gelombang gravitasi itu benar adanya. Dan dari ledakan kilonova ini diharapkan kita bisa memahami bagaimana alam semesta bekerja. Dari mana materi di tabel periodik yang kita kenal berasal

Kesimpulannya Fisika Menjelaskan, Astronomi Mengamati, Instrumen Mendeteksi, Komputasi Mensimulasikan dan Asal-Usul Unsur Kimia pun Terjawab

Daftar Pustaka

[1] Abbot, B. P. et al. 2017. GW170817 : Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral. Physical Review Letters 119, 161101.

[2] Osterbrock, Donald E. 2001. Who Really Coined the Word Supernova? Who First Predicted Neutron Stars?. Bulletin of the American Astronomical Society. 33: 1330.

[3] Mazzali, P. A.; Nomoto, K. I.; Cappellaro, E.; Nakamura, T.; Umeda, H.; Iwamoto, K. 2001. Can Differences in the Nickel Abundance in Chandrasekharâ€Mass Models Explain the Relation between the Brightness and Decline Rate of Normal Type Ia Supernovae?. The Astrophysical Journal. 547 (2): 988.