Pulsar

Citra sebuah pulsar (warna merah muda) di pusat galaksi Messier 82 yang diambil dalam beberapa panjang gelombang. Pulsar ditemukan oleh NuSTAR NASA yang mendeteksi emisi sinar-X darinya.
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Memiliki bentuk menyerupai bola, pulsar adalah objek super padat yang menempati ruang hanya seukuran sebuah kota kecil, namun mengandung massa yang lebih besar daripada Matahari. Para ilmuwan kerap menggunakan pulsar untuk mempelajari keadaan materi yang ekstrem, seperti mencari planet di luar tata surya dan mengukur jarak kosmik. Pulsar juga membantu para ilmuwan untuk menemukan gelombang gravitasi, yang mengarah ke fenomena kosmik yang sangat energik, seperti tabrakan antara lubang hitam supermasif. Ditemukan pada tahun 1967, pulsar adalah salah satu anggota kosmos yang menakjubkan.

Apa Itu Pulsar

Dari Bumi, pulsar sering terlihat seperti bintang yang berkerlap-kerlip dengan ritme teratur. Tapi, cahaya pulsar sebenarnya tidak berkerlip atau berdenyut, dan objek ini sebenarnya bukanlah bintang.

Pulsar memancarkan dua berkas cahaya sempit yang stabil ke arah yang berlawanan. Meskipun berkas cahayanya stabil, pulsar tampak berkerlip karena juga berotasi, seperti seorang pelaut di tengah lautan yang melihat kerlip lampu mercusuar. Saat berputar, berkas cahaya pulsar bisa menyapu ke seluruh Bumi, menghilang sebentar dari pandangan dan kembali muncul ke arah pengamat. Bagi para astronom yang memandangnya, berkas cahaya ini memberikan kesan kerlap-kerlip cahaya pulsar. Faktor utama mengapa berkas cahaya pulsar berputar seperti mercusuar adalah karena cahaya pulsar tidak sejajar dengan sumbu rotasi pulsar.

Diagram pulsar ini menunjukkan kerucut kuning cahaya yang bisa diamati oleh para astronom di Bumi. Kerucut cahaya tidak sejajar dengan sumbu rotasi, itulah sebabnya pancaran sinar menyapu seluruh langit dan tidak menunjuk ke satu arah saja.
Kredit: NASA

Karena "kerlip" cahaya pulsar disebabkan oleh rotasinya, maka tingkat denyut pulsar juga menunjukkan laju rotasi. Hingga saat ini sudah lebih dari 2.000 pulsar yang telah terdeteksi. Sebagian besar dari mereka berputar satu kali setiap detik, dan kerap disebut “pulsar lambat”, sementara ada lebih dari 200 pulsar yang berputar ratusan kali per detik dan disebut “pulsar milidetik”. Pulsar milidetik tercepat yang telah diketahui, bisa berputar lebih dari 700 kali per detik.

Sebenarnya, pulsar bukanlah bintang, atau setidaknya bukan bintang yang masih “hidup”. Pulsar tergolong ke dalam objek yang disebut bintang neutron, yang terbentuk ketika bintang yang lebih masif daripada Matahari kehabisan bahan bakar untuk melakukan fusi nuklir di bagian inti dan runtuh karena gaya gravitasinya sendiri. Kematian bintang ini biasanya memicu ledakan dahsyat yang disebut supernova. Bintang neutron adalah material padat yang tersisa setelah kematian eksplosif yang dramatis.

Diameter bintang neutron biasanya antara 20-24 kilometer, namun dapat mengandung hingga dua kali massa Matahari yang diameternya sekitar 1.392 juta km. Satu sendok gula pasir dari bintang neutron setara dengan bobot sekitar 1 miliar ton, “hampir setara dengan berat Gunung Everest,” menurut NASA. Gaya gravitasi permukaan bintang neutron sekitar 1 miliar kali lebih kuat daripada gaya gravitasi permukaan Bumi.

Satu-satunya objek kosmik dengan tingkat kepadatan yang mengalahkan bintang neutron adalah lubang hitam, yang juga terbentuk saat bintang yang “sekarat” runtuh. Bintang neutron paling masif yang pernah diukur memiliki massa 2,04 kali massa Matahari. Para ilmuwan tidak tahu persis bagaimana bintang neutron semasif ini bisa terus mempertahankan bentuknya dan tidak runtuh menjadi lubang hitam, menurut profesor astronomi dan astrofisika Feryal Özel dari Universitas Negeri Arizona yang mengkhususkan diri terhadap studi objek-objek padat dan keadaan materi ekstrem di alam semesta.

Pulsar juga adalah bintang neutron yang sangat magnetik. Sementara medan magnet Bumi cukup kuat untuk menarik benda-benda ringan seperti jarum kompas, medan magnet pulsar berkisar antara 100 juta kali hingga 1 kuadriliun (satu juta miliar) kali lebih kuat daripada medan magnet Bumi.

“Untuk bintang neutron yang memancar sebagai pulsar, ia harus memiliki ketepatan kombinasi antara kekuatan medan magnet dan frekuensi rotasi,” tulis Ozel kepada Space.com melalui email. Beberapa bintang neutron mungkin pernah memancarkan berkas cahaya sebagai pulsar, tapi kemudian berhenti. Ozel juga mencatat bahwa berkas gelombang radio yang dipancarkan oleh pulsar mungkin tidak melewati bidang pandang teleskop berbasis Bumi dan mencegah para astronom untuk melihatnya.

Rotasi Pulsar

Pulsar paling lambat yang pernah terdeteksi berputar satu kali setiap detik dan disebut pulsar lambat. Pulsar tercepat diketahui mampu berputar ratusan kali per detik dan disebut pulsar cepat atau pulsar milidetik (karena periode rotasi diukur dalam milidetik).

Pulsar berotasi karena "jenazah" bintang yang membentuknya juga berotasi. Runtuhnya material bintang akan meningkatkan kecepatan rotasi pulsar secara alami. (Akumulasi massa oleh objek yang berputar akan meningkatkan kecepatan rotasi, itulah sebabnya para pemain skate berputar lebih cepat saat menarik lengan ke tubuh mereka.)

Dengan ukuran hanya seluas kota kecil, objek super padat ini sangat ramping dan mampu berotasi dengan sangat cepat, meskipun bukanlah hal yang mudah untuk dilakukan. Sebenarnya, dibutuhkan sumber energi tambahan bagi pulsar milidetik untuk mencapai laju rotasi yang sangat tinggi.

Para ilmuwan menganggap pulsar milidetik pasti terbentuk dengan mencuri energi dari objek pengiringnya. Pulsar menyedot materi dan momentum dari objek pengiring dan meningkatkan laju putaran pulsar secara bertahap. Kabar buruk bagi bintang pengiring pulsar, yang mungkin akan benar-benar "dilahap" oleh pulsar. Teori ini juga akan menjelaskan pertanyaan, mengapa pulsar milidetik selalu ditemukan tanpa bintang pengiring di dekatnya. Pulsar yang mengisap material dari bintang pengiring disebut sistem black widow atau redback, yang diambil dari nama dua jenis laba-laba berbahaya yang mengisap mangsanya hidup-hidup.

Radiasi Pulsar

Pulsar dapat memancarkan cahaya dalam beberapa panjang gelombang, mulai dari gelombang radio hingga gelombang sinar gamma, bentuk cahaya paling energik di alam semesta.

Lantas, bagaimana pulsar memancarkan cahayanya? Ilmuwan belum memiliki jawaban rinci untuk pertanyaan itu, menurut astrofisikawan Alice Harding dari Pusat Penerbangan Antariksa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland, yang mengkhususkan diri terhadap studi pulsar. Terlebih lagi, para ilmuwan telah menemukan bahwa mekanisme yang berbeda mungkin bertanggung jawab atas panjang gelombang cahaya yang berbeda dari wilayah permukaan pulsar, ujar Harding. Berkas cahaya mirip mercusuar yang pertama kali ditemukan pada tahun 1960-an terdiri dari gelombang radio. Berkas cahaya ini dideteksi sangat terang dan sempit, memiliki sifat menyerupai sinar laser. Sinar laser cenderung "koheren", bertolak belakang dengan cahaya tidak koheren yang dipancarkan oleh misalnya bola lampu. Dalam berkas cahaya koheren, frekuensi partikel cahaya seragam dan terfokus, sehingga menghasilkan berkas cahaya yang secara eksponensial lebih terang daripada sumber cahaya lain yang menggunakan jumlah daya setara.

Emisi pulsar ditenagai oleh rotasi pulsar dan medan magnetnya, menurut profesor fisika Roger Romani dari Universitas Stanford yang mempelajari pulsar dan objek-objek kosmik padat lainnya. Pulsar yang berotasi lebih cepat memiliki medan magnet yang lebih lemah daripada pulsar yang berputar lebih lambat, namun peningkatan laju rotasi menghasilkan berkas cahaya terang yang setara dengan pulsar yang lebih lambat, tutur Romani.

Ilustrasi lingkaran medan magnet di sekitar pulsar. Cahaya ungu adalah sinar gamma. Poros rotasi pulsar tidak diperlihatkan dan tidak pernah sejajar dengan sumbu medan magnet.
Kredit: NASA

Ilustrasi di atas memberikan gambaran bagaimana garis medan magnet mengitari pulsar dan terhubung ke kedua kutub. Namun, saat berotasi, pulsar juga memutar medan magnet di sekitarnya dan menciptakan gambar yang jauh lebih rumit.

Rotasi medan magnet menghasilkan medan listrik, yang selanjutnya menggerakkan partikel bermuatan (menciptakan arus listrik). Wilayah di permukaan pulsar yang didominasi medan magnet disebut magnetosfer. Di wilayah ini, partikel bermuatan seperti elektron dan proton, atau atom bermuatan, diakselerasi hingga bergerak sangat cepat oleh medan listrik yang sangat kuat. Setiap kali partikel bermuatan terakselerasi (artinya meningkatkan kecepatan atau mengubah arah), partikel bermuatan juga memancarkan cahaya. Di Bumi, instrumen yang disebut synchrotrons, mengakselerasi partikel dengan kecepatan yang sangat tinggi dan menggunakan cahaya yang dipancarkan untuk studi ilmiah. Dalam magnetosfer pulsar, proses dasar ini dapat menghasilkan cahaya pada rentang panjang gelombang sinar-X dan optik.

Tapi, bagaimana dengan sinar gamma yang dipancarkan oleh pulsar? Berbeda dengan gelombang radio, observasi menunjukkan bahwa sinar gamma dipancarkan dari lokasi dan ketinggian yang berbeda di permukaan, kata Harding. Sinar gamma tidak dipancarkan dalam berkas sempit, namun lebih cenderung menyerupai kipas. Sebagaimana emisi gelombang radio, para ilmuwan masih memperdebatkan mekanisme yang tepat tentang bagaimana pulsar menghasilkan sinar gamma.

Penemuan Pulsar

Para ilmuwan menemukan pulsar menggunakan teleskop radio dan panjang gelombang radio terus menjadi andalan untuk mencarinya.

Meskipun padat dan masif, pulsar tetap berukuran kecil dan lebih redup dibandingkan dengan benda langit lainnya. Jadi, para ilmuwan menemukan mereka menggunakan survei yang dilakukan oleh teleskop radio dengan memindai seluruh langit. Seiring waktu, akhirnya para ilmuwan berhasil menemukan kerlap-kerlip berkas cahaya yang menyapu keluar dan masuk menurut sudut pandang para pengamat. Sebagian besar pulsar yang telah ditemukan, dideteksi oleh Teleskop Radio Parkes di Australia. Teleskop lain yang turut memberikan kontribusi besar terhadap penelusuran pulsar adalah Teleskop Radio Arecibo di Puerto Riko, Teleskop Green Bank di West Virginia, Teleskop Molonglo di Australia dan Teleskop Jodrell Bank di Inggris.

Ribuan pulsar baru kemungkinan akan segera dideteksi oleh dua teleskop survei gelombang radio yang dijadwalkan mulai beroperasi dalam waktu lima tahun yang akan datang, menurut astronom Scott Ransom dari National radio Astronomy Observatory (NRAO) di Charlottesville, Virginia. Kedua teleskop tersebut adalah Five Hundred Meter Aperture Spherical Telescope (FAST) milik Cina dan Square Kilometer Array (SKA) yang didanai oleh konsorsium berbagai negara. SKA yang ditempatkan di Afrika Selatan dan Australia akan mulai dibangun pada tahun 2018. Situs resmi SKA menyatakan observasi sains awal bisa dimulai pada tahun 2020, meskipun kedua fasilitas ini belum mencapai mencapai operasi sains penuh sampai tahun 2030.

Teleskop Antariksa Sinar Gamma Fermi besutan NASA yang diluncurkan pada bulan Juni tahun 2008 lalu, telah mendeteksi 2.050 emisi sinar gamma yang bersumber dari pulsar, 93 di antaranya adalah pulsar milidetik. Fermi beroperasi sangat efektif dalam penemuan pulsar karena memindai seluruh langit, sedangkan kebanyakan survei radio hanya memindai wilayah langit di sepanjang bidang galaksi Bima Sakti.

Peta langit yang menunjukkan deteksi sinar gamma mengunakan instrumen LAT Fermi.
Kredit: Fermi-LAT/GSFC

Deteksi multi panjang gelombang terhadap pulsar bisa sangat sulit. Berkas gelombang radio pulsar mungkin sangat kuat, tapi jika tidak menyapu seluruh Bumi (dan memasuki bidang pandang teleskop), para astronom mungkin tidak bisa melihatnya. Emisi sinar gamma pulsar yang menyerupai kipas mungkin menyapu area langit yang lebih luas, tapi lebih redup dan lebih sulit dideteksi.

Pada tanggal 22 Maret 2016, para ilmuwan telah menemukan sekitar 2.300 pulsar hanya dari deteksi gelombang radio, dan sekitar 160 pulsar dari deteksi sinar gamma. Kini para ilmuwan telah menemukan 240 pulsar milidetik, 60 di antaranya memancarkan sinar gamma, ungkap Ransom. Angka-angka diharapkan akan terus meningkat seiring penemuan pulsar-pulsar baru.

Penggunaan Pulsar

Pulsar layaknya instrumen kosmik yang sangat fantastis untuk mempelajari berbagai fenomena.

Cahaya yang dipancarkan pulsar membawa informasi tentang identitas dan apa yang terjadi di dalamnya. Pulsar menyediakan informasi tentang fisika bintang neutron, objek terpadat kedua di alam semesta setelah lubang hitam. Di bawah tekanan kepadatan yang luar biasa seperti itu, perilaku materi cenderung berbeda daripada lingkungan lain di alam semesta. Keadaan materi di dalam bintang neutron kerap disebut “pasta nuklir”. Kadang-kadang, atom membentuk struktur menyerupai lembaran datar, seperti lasagna, spiral seperti fusilli, atau nugget seperti gnocchi.

Karena ketepatan denyutnya, beberapa pulsar dapat dimanfaatkan sebagai instrumen alami. Mereka dianggap sebagai jam kosmik yang paling akurat, sehingga memungkinkan para ilmuwan untuk mengamati perubahan denyut pulsar yang bisa mengindikasikan telah terjadi sesuatu di dekat mereka.

Dengan metode ini, para ilmuwan mulai mengidentifikasi eksistensi eksoplanet yang mengorbit pulsar. Sebenarnya, planet pertama di luar tata surya yang pernah ditemukan adalah planet yang mengorbit pulsar.

Karena pulsar bergerak melintasi ruang angkasa sembari berkerlip secara teratur beberapa kali per detik, para ilmuwan dapat memanfaatkan pulsar untuk menghitung jarak kosmik. Perubahan posisi berarti cahaya yang dipancarkan pulsar membutuhkan lebih banyak waktu untuk mencapai Bumi. Berkat akurasi denyut, para ilmuwan telah melakukan beberapa pengukuran jarak jauh yang paling akurat dari benda-benda langit.

Pulsar juga telah digunakan untuk menguji aspek teori relativitas umum Albert Einstein, seperti gaya gravitasi universal.

Akurasi denyut pulsar juga mungkin terganggu oleh gelombang gravitasi, yaitu riak-riak di jalinan ruang dan waktu yang diprediksi oleh Einstein dan telah dideteksi secara untuk pertama kalinya pada bulan Februari tahun 2016. Ada beberapa eksperimen yang saat ini dilakukan untuk mencari gelombang gravitasi melalui metode pulsar.

Menggunakan pulsar untuk diterapkan dalam metode ini tergantung pada laju rotasi yang memberikan tingkat denyut teratur, kata Ransom. Semua rotasi pulsar akan melambat, tetapi pengukuran presisi melambatnya rotasi terjadi sangat lambat, sehingga para ilmuwan masih dapat menggunakannya sebagai jam kosmik yang sangat stabil.

Citra pulsar kepiting yang diabadikan oleh Observatorium Sinar-X Chandra, menunjukkan pulsar putih terang di bagian pusat yang menyemburkan materi.
Kredit: NASA/CXC/Universitas Neger Arizona/J.Hester dkk.

Kuburan Pulsar

Semua pulsar melambat secara perlahan seiring pertambahan usia. Radiasi yang dipancarkan oleh pulsar merupakan kombinasi yang ditenagai oleh medan magnet dan rotasi. Akibatnya, pulsar yang melambat juga akan kehilangan daya dan secara bertahap berhenti memancarkan radiasi (atau paling tidak, berhenti memancarkan radiasi untuk dapat dideteksi oleh teleskop), jelas Harding. Observasi sejauh ini menunjukkan bahwa pulsar turun di bawah ambang deteksi, diawali oleh gelombang sinar gamma sebelum gelombang radio. Ketika mencapai tahap ini, pulsar memasuki keadaan yang disebut kuburan pulsar. (Pulsar yang telah berhenti memancarkan radiasi mungkin hanya dianggap sebagai bintang neutron biasa oleh para astronom).

Ketika terbentuk dari puing-puing supernova, pulsar berotasi sangat cepat dan memancarkan banyak energi, Ransom menjelaskan. Pulsar Kepiting yang ditemukan oleh Observatorium Sinar-X Chandra adalah contoh pulsar muda. Fase ini bisa berlangsung selama beberapa ratus ribu tahun, setelah itu pulsar mulai melambat dan hanya memancarkan gelombang radio. “Usia paruh baya” ini mungkin membuat sebagian besar populasi pulsar diidentifikasi sebagai pulsar yang hanya memancarkan gelombang radio, tambahnya. Pulsar semacam ini hidup selama puluhan juta tahun sebelum akhirnya melambat, “mati” dan memasuki kuburan pulsar (menjadi bintang neutron biasa).

Tapi jika berada dekat dengan bintang pengiring, pulsar mungkin akan “didaur ulang”, berarti pulsar mengisap material dan energi dari tetangganya dan meningkatkan laju rotasi hingga ratusan kali per detik dan berevolusi menjadi pulsar milidetik, sekaligus memberikan kehidupan baru bagi pulsar yang sudah mati. Perubahan ini bisa terjadi kapan saja dalam kehidupan pulsar. Laju rotasi pulsar yang “sekarat” dapat meningkat kembali selama lebih dari ratusan hingga jutaan tahun. Pulsar akan mulai memancarkan sinar-X, sementara objek pengiringnya disebut “sinar-X biner massa rendah” kata Ransom. (Pulsar kanibal juga kerap dijuluki pulsar "black widow” atau “redback”). Pulsar milidetik adalah pulsar tertua yang pernah diketahui, beberapa diantaranya telah berusia miliaran tahun dan akan tetap memiliki laju rotasi yang sangat tinggi selama miliaran tahun lagi.

Ditulis oleh: Calla Cofield, Penulis Senior, space.com

Sumber: What Are Pulsars?

#terimakasihgoogle