Bagaimana astronom menggunakan relativitas umum untuk menghitung rotasi katai putih dalam bintang ganda?
Menurut relativitas umum Einstein, rotasi objek masif menghasilkan tarikan pada ruang waktu disekitarnya. Efek ini diukur dalam kasus rotasi Bumi dengan satelit sebagai percobaan. Dengan bantuan pulsar radio, tim ilmuwan berhasil mendeteksi putaran ruang-waktu di sekitar pasangan bintang katai putih yang berputar-cepat. Pengamatan ini sekaligus mengonfirmasi teori di balik pembentukan bintang ganda yang unik tersebut.
Pada tahun 1999, bintang ganda unik ditemukan di rasi Musca, dekat rasi Salib Selatan. Pasangan pulsar PSR J1141-6545 dan bintang katai putih masif ini ditemukan dengan Australian Parkes Radio Telescope. Kedua objek ini mengorbit satu sama lainnya dalam waktu kurang dari 5 jam. Pulsar radio adalah bintang neutron yang berotasi-cepat dan memancarkan gelombang radio pada kutub magnetiknya.
Orbit pulsar ini sangat spesial. Ia mengorbit dengan kecepatan maksimum hampir satu juta km/jam, sementara jarak antara pulsar dan bintang katai putih tak lebih besar dari ukuran Matahari.
Berbeda dari sistem bintang ganda yang terdiri dari pulsar dan katai putih pada umumnya, model teoretis mengindikasi kalau bintang katai putih pasangan PSR J1141-6545 terbentuk sebelum pulsar. Sebelum ledakan supernova yang membentuk pulsar, terjadi transfer massa yang signifikan dari bintang yang akan menjadi pulsar ke bintang katai putih. Akibatnya rotasi bintang katai putih mengalami percepatan.
Untuk itu, para astronom pun mencari tahu kecepatan rotasi katai putih lewat garis spektrumnya. Akan tetapi, bintang katai putih pasangan PSR J1141-6545 ini terlalu redup. Jadi bagaimana bisa mengukur rotasinya? Jawabannya datang dari fisika teori yang dikembangkan sejak seabad lalu.
Bahkan sebelum Relativitas Umum selesai dan dipaparkan pada bulan November 1915, Albert Einstein sudah menyadari bahwa dalam teori dimana gravitasi merupakan hasil dari kelengkungan ruang-waktu, rotasi dari massa akan berkontribusi pada medan gravitasi. Sederhananya, rotasi massa bisa menarik ruang-waktu di sekelilingnya. Efek ini dikenal sebagai ‘frame-dragging’. Pada tahun 1918, Josef Lense dan Hans Thirring dan didukung oleh Albert Einstein, menghitung efek ini pada Tata Surya dengan relativitas umum. Secara umum, yang ingin dicari tahu adalah efek tarikan ruang-waktu oleh rotasi Matahari pada gerak planet. Kesimpulannya, efeknya terlalu kecil untuk dihitung.
Perkembangan teknologi dan efek “frame-dragging” yang disebabkan oleh rotasi Bumi bisa dideteksi oleh satelit seperti Gravity Probe B, dan gabungan satelit LAGEOS 1 & 2 dan LARES.
Sementara Gravity Probe B menggunakan empat giroskop presisi untuk mengukur efek ini, percobaan terakhir mengukur presesi bidang orbit satelit pada arah rotasi Bumi atau yang dikenal sebagai “presesi Lense-Thirring”.
Presesi satelit telah dikonfirmasi keakuratannya sampai sekitar 2%, sesuai prediksi relativitas umum. Efeknya sangat kecil: LAGEOS-1, misalnya, berada dalam orbit lingkaran dengan radius sekitar 12.300 km. Presesi bidang orbitnya hanya 0,0000086 º/thn, sesuai dengan rotasi penuh selama 40 juta tahun.
Kondisi di sekitar pasangan bintang katai putih dan PSR J1141-6545 seharusnya berbeda. Meskipun bintang katai putih ini lebih kecil dari Bumi, tapi massanya 340.000 kali lebih besar. Setara dengan massa Matahari. Bintang ini hanya butuh beberapa menit untuk menyelesaikan rotasinya. Jika LAGEOS-1 kita tempatkan untuk mengorbit katai putih, maka presesi orbitnya bisa mencapai beberapa derajat setiap harinya. Karena ruang-waktu yang ditarik bisa 100 juta kali lebih kuat.
Tentu saja tidak mungkin mengirim satelit ke katai putih yang jaraknya ribuan tahun cahaya. Untungnya ada pulsar di orbit. Sinyal radio dari pulsar inilah yang digunakan untuk mengukur gerak. Dengan jam atom, kita bisa mengetahui dengan akurat, waktu penerimaan sinyal dari pulsar oleh teleskop Parkes dan UTMOST. Bahkan kita bisa menelusuri presesi sampai 30 km per perngukuran selama 20 tahun. Dengan informasi inilah ukuran dan orientasi orbit bisa diketahui.
Pada jarak pulsar dari katai putih, tarikan ruang-waktu sekitar satu juta kali lebih lemah dibanding jika satelit seperti LAGEOS-1 ditempatkan di orbit tersebut. Akan tetapi presesi Lense-Thirring tetap terjadi. Dalam 20 tahun, presesi pulsar sekitar 150 km. Selain itu, periode rotasi bintang katai putih juga berhasil diketahui yakni 100 detik!
Ini merupakan konfirmasi dari model teori yang ada. Sebelum ledakan supernova terjadi dan membentuk pulsar 1,5 juta tahun lalu, ada tansfer massa yang besar dari bintang cikal bakal pulsar ke bintang katai putih.
Di masa depan, teleskop radio seperti MeerKAT dan Square Kilometer Array (SKA) akan memegang peran penting untuk menelusuri bagaimana teori Einstein berpengaruh pada objek di Alam Semesta.
Sumber: Max Planck Institute for Radio Astronomy
