Mengunjungi Proxima Centauri b, (Kandidat) Planet Tata Surya Non Matahari Terdekat

Frasa “mengunjungi planet Proxima Centauri b” disini tentu saja maknanya konotatif, hanya sebentuk imajinasi. Sebab guna merealisasikannya dengan teknologi yang dikuasai umat manusia saat ini sungguh tak terbayang lamanya. Sebab jarak antara Bumi dan Proxima Centauri b adalah sebesar 4,22 tahun cahaya, sementara setahun cahaya itu setara jarak 9,46 trilyun kilometer. Sehingga apabila kita menggunakan roket-roket komersial pengorbit satelit ke orbit Bumi (yang kecepatan puncaknya rata-rata 7,7 km/detik), butuh waktu paling tidak 165.000 tahun sejak berangkat dari Bumi hingga tiba di Proxima Centauri b. Waktu 165.000 tahun itu hampir mirip dengan waktu yang dibutuhkan leluhur umat manusia untuk bermigrasi dari tanah Afrika timur ke segenap penjuru hingga membentuk peradaban manusia seperti saat ini.

Andaikata kita menggunakan wantariksa (wahana antariksa) tercepat buatan manusia saat ini, yakni Juno (kecepatan puncak 40 km/detik) yang baru saja tiba di lingkungan planet raksasa gas Jupiter, waktu yang dibutuhkan masih selama hampir 29.000 tahun.  Bahkan andaikata proyek Breakthrough Starshot yang sedang digagas bisa merengkuh sukses, sebuah wantariksa mini seberat beberapa gram baru akan tiba di Proxima Centauri b setelah menempuh waktu 20 tahun meski melesat secepat seperlima kecepatan cahaya.

Gambar 1. Gambaran artis planet Proxima Centauri b sebagai planet berbatu (terestrial) yang beredar mengelilingi bintang induknya yang kemerahan dan redup. Planet tersebut terletak di zona Goldilocks bintang Proxima Centauri sehingga mungkin mengandung air dalam bentuk cair. Sepasang bintang di latarbelakang adalah bintang alpha Centauri A dan alpha Centauri B. Sumber: ESO/M.Kornmesser, 2016.

Gambar 1. Gambaran artis planet Proxima Centauri b sebagai planet berbatu (terestrial) yang beredar mengelilingi bintang induknya yang kemerahan dan redup. Planet tersebut terletak di zona Goldilocks bintang Proxima Centauri sehingga mungkin mengandung air dalam bentuk cair. Sepasang bintang di latarbelakang adalah bintang alpha Centauri A dan alpha Centauri B. Sumber: ESO/M.Kornmesser, 2016.

Proxima Centauri b adalah nama yang sedang menghebohkan jagat astronomi di hari-hari terakhir ini. Terutama sejak 24 Agustus 2016 Tarikh Umum (TU). Biang keladinya adalah ESO (European Southern Observatory), institusi riset antarnegara Eropa dan juga pemilik sejumlah teleskop raksasa termutakhir di Bumi. Mereka melansir temuan menghebohkan: ada planet seukuran Bumi yang ditemukan mengorbit bintang Proxima Centauri. Itu bintang terdekat terhadap Bumi kita setelah Matahari, namun demikian redupnya sehingga mustahil bisa dilihat dengan mata biasa saja (tanpa bantuan teleskop). Diindikasikan pertama kali pada 2013 TU, ESO kemudian meluncurkan kampanye ambisius bertajuk Pale Red Dot guna menyeret planet itu keluar dari selimut persembunyiannya.

Tak tanggung-tanggung, ESO mengerahkan teleskop reflektor raksasa dengan cermin obyektif bergaris tengah 3,6 meter di Observatorium La Silla (Chile). Teleskop hebat itu dirangkai dengan spektograf HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) yang hebat. Tak hanya itu, ESO juga mengerahkan teleskop raksasa lain andalannya, yakni teleskop reflektor VLT (Very Large Telescope) dengan cermin bergaris tengah 8 meter yang berpangkalan di Gurun Atacama (juga di Chile). Teleskop VLT dirangkai dengan spektograf lain yang tak kalah hebatnya, yakni UVES (Ultraviolet and Visual Echelle Spectograph). Dengan dua radas (instrumen) canggih ini ESO memburu keberadaan planet tata surya non Matahari (planet ekstrasolar) terdekat ke Bumi kita lewat metode Doppler.

Perburuan ini berujung manis dengan penemuan planet tersebut, yang untuk sementara diberi nama planet Proxima Centauri b. Meski hingga saat ini umat manusia telah menemukan tak kurang dari 3.200 buah planet tata surya non Matahari terhitung sejak 1995 TU, namun Proxima Centauri b tetap menggemparkan. Sebab selain paling dekat dengan Bumi kita, ia juga seukuran dengan planet biru tempat tinggal manusia ini. Selain itu ia diduga cukup hangat sehingga mampu menjaga air dalam bentuk cair. Air dalam bentuk cair menjadi komponen yang penting dalam kehidupan.

Bintang Induk

Planet Proxima Centauri b adalah planet yang mengorbit bintang Proxima Centauri, bintang terdekat dengan Bumi kita setelah Matahari. Namun bintang Proxima Centauri cukup redup. Sehingga ia hanya bisa disaksikan dengan menggunakan teleskop yang lensa/cermin obyektifnya bergaris tengah minimal 8 cm. Karena itu tak mengherankan bahwa bintang terdekat tapi  redup ini baru disadari keberadaannya oleh umat manusia dalam kurun seabad terakhir saja. Adalah Robert Innes, astronom kelahiran Skotlandia yang mengepalai Observatorium Union di Johannesburg (Afrika Selatan), yang menyadari ada bintang tak biasa di sekitar sistem bintang Alpha Centauri. Bintang tersebut memiliki gerak diri (proper motion) yang setara dengan sistem bintang alpha Centauri, namun sangat redup dan terpisah jauh (elongasi 2,2°). Pengukuran paralaks nan teliti oleh Harold Alden pada 1928 TU menunjukkan bahwa bintang tersebut, yang lantas dikenal sebagai Proxima Centauri, ternyata lebih dekat ke Bumi dibandingkan sistem bintang ganda alpha Centauri.

Gambar 2. Bintang alpha Centauri A yang sangat terang (tengah) yang kontras dengan bintang Proxima Centauri nan redup (titik merah dalam lingkaran merah). Jika dibandingkan, Proxima Centauri adalah 26 kali lebih redup ketimbang alpha Centauri A. Diabadikan di Belanda pada 20 Februari 2012 TU dengan kamera DSLR Canon memakai lensa 85 mm (f/1,8). Ada 11 frame hasil bidikan yang dijadikan satu lewat teknik stacking. Masing-masing frame memiliki waktu paparan 30 detik. Sumber: Skatebiker, 2012.

Gambar 2. Bintang alpha Centauri A yang sangat terang (tengah) yang kontras dengan bintang Proxima Centauri nan redup (titik merah dalam lingkaran merah). Jika dibandingkan, Proxima Centauri adalah 26 kali lebih redup ketimbang alpha Centauri A. Diabadikan di Belanda pada 20 Februari 2012 TU dengan kamera DSLR Canon memakai lensa 85 mm (f/1,8). Ada 11 frame hasil bidikan yang dijadikan satu lewat teknik stacking. Masing-masing frame memiliki waktu paparan 30 detik. Sumber: Skatebiker, 2012.

Karena memiliki gerak diri yang setara, bintang ini pun dianggap sebagai bagian dari sistem bintang alpha Centauri. Maka alpha Centauri merupakan sistem bintang tripel yang beranggotakan bintang alpha Centauri A, bintang alpha Centauri B dan bintang alpha Centauri C (Proxima Centauri). Ketiganya beredar mengelilingi sebuah titik pusat massa yang sama. Namun ada yang ganjil dalam sistem bintang tripel ini. Jarak rata-rata alpha Centauri A terhadap alpha Centauri B hanya 11 SA (satuan astronomi), atau setara jarak dari Matahari ke orbit Uranus. Dengan demikian baik alpha Centauri A dan maupun alpha Centauri B hanya membutuhkan waktu 80 tahun untuk menuntaskan gerak mengelilingi titik pusat massa bersama sekali putaran. Namun tidak demikian halnya dengan Proxima Centauri. Jaraknya  luar biasa besar, yakni 13.000 SA atau setara seperempat tahun cahaya dari titik itu. Maka Proxima Centauri butuh 500.000 tahun untuk mengedari titik pusat massa bersama sekali putaran.

Keganjilan lainnya, jika bintang alpha Centauri A dan bintang alpha Centauri B tergolong bintang yang relatif terang dengan magnitudo semu masing-masing adalah +0,01 dan +1,33 maka bintang Proxima Centauri justru sangat redup (magnitudo semu +11,02). Keganjilan berikutnya, bila bintang alpha Centauri A dan bintang alpha Centauri B adalah anggota kelompok bintang deret utama (masing-masing kelas G dan K), maka bintang Proxima Centauri justru merupakan anggota bintang katai merah (red dwarf). Keganjilan-keganjilan ini mendorong sejumlah astronom mempertanyakan apakah bintang Proxima Centauri benar-benar bagian dari sistem bintang alpha Centauri. Sebab terbuka kemungkinan bahwa bintang Proxima Centauri adalah bintang yang kebetulan saja sedang melintas di dekat sistem bintang alpha Centauri dan tak terikat (secara gravitasi) dengan sistem bintang tersebut.

Sebagai bintang terdekat ke Bumi setelah Matahari kita, banyak informasi akan Proxima Centauri yang telah terungkap. Dalam banyak hal bintang redup ini kalah pamor dibanding Matahari. Misalnya, massa Proxima Centauri hanyalah 12 % dari massa Matahari. Sementara radiusnya hanya 14,1 % dari radius Matahari. Sehingga bintang Proxima Centauri ini pada galibnya hanya sedikit lebih besar dari Jupiter.  Selanjutnya luminositas, yakni jumlah energi yang dilepaskan per satuan waktu, juga sangat kecil. Luminositas bolometriknya adalah 0,15 % dari luminositas Matahari. Sementara dalam spektrum cahaya tampak (visual), luminositasnya bahkan jauh lebih kecil lagi yakni hanya 0,005 % dari luminositas Matahari. Sebab 85 % energi Proxima Centauri dihantarkan dalam spektrum sinar inframerah. Suhu fotosfera (permukaan)-nya juga rendah yakni hanya 3.050 Kelvin, sementara pada Matahari mencapai 5.800 Kelvin. Layaknya Matahari, Proxima Centauri pun memiliki siklus aktivitasnya sendiri dengan puncak aktivitas ditandai peristiwa mirip badai Matahari. Akan tetapi periode siklus aktivitas Proxima Centauri jauh lebih pendek, yakni ‘hanya’ 442 hari. Sementara pada Matahari periodenya mencapai 11 tahun.

Tetapi di sisi lain, banyak pula karakter Proxima Centauri yang lebih dominan. Misalnya saja dalam hal kerapatan (massa jenis)-nya yang jauh lebih besar, yakni 40 kali lipat dari Matahari. Bintang dengan kerapatan besar  umum dijumpai pada bintang-bintang eksotik yang telah mengalami evolusi tahap lanjut, termasuk diantaranya bintang katai. Juga medan magnetiknya. Sebagai bintang dengan massa rendah, perpindahan panas dalam interior Proxima Centauri sepenuhnya dalam bentuk konveksi. Salah satu konsekuensinya adalah dibangkitkan dan dipertahankannya medan magnet bintang yang cukup kuat, 600 kali lebih kuat ketimbang Matahari. Konsekuensi lainnya, 88 % fotosfera Proxima Centauri adalah aktif, proporsi yang jauh lebih besar dibanding Matahari. Imbasnya korona Proxima Centauri pun mengalami pemanasan lebih tinggi sehingga bersuhu 3,5 juta Kelvin. Sementara suhu korona Matahari ‘hanya’ 2 juta Kelvin.

Gambar 3. Jejak badai bintang Proxima Centauri seperti yang terekam dalam fotometri kuasi-simultan dari teleskop ASH2 (Astrograph for the South Hemisphere II) dengan filter Hidrogen alpha pada spektrum cahaya tampak dan LCOGT (Las Cumbres Observatory Global Telescope) juga pada sepktrum cahaya tampak. Jejak badai bintang ditandai dengan panah abu-abu. Dalam waktu pengamatan selama 80 hari berturut-turut, nampak terdeteksi minimal tiga peristiwa badai bintang. Kedua teleskop tersebut merupakan bagian dari kampanye pale red dot ESO untuk menemukan planet di bintang Proxima Centauri. Sumber: ESO/Anglada-Escude dkk, 2016.

Gambar 3. Jejak badai bintang Proxima Centauri seperti yang terekam dalam fotometri kuasi-simultan dari teleskop ASH2 (Astrograph for the South Hemisphere II) dengan filter Hidrogen alpha pada spektrum cahaya tampak dan LCOGT (Las Cumbres Observatory Global Telescope) juga pada sepktrum cahaya tampak. Jejak badai bintang ditandai dengan panah abu-abu. Dalam waktu pengamatan selama 80 hari berturut-turut, nampak terdeteksi minimal tiga peristiwa badai bintang. Kedua teleskop tersebut merupakan bagian dari kampanye pale red dot ESO untuk menemukan planet di bintang Proxima Centauri. Sumber: ESO/Anglada-Escude dkk, 2016.

Proxima Centauri dikenal sebagai bintang suar (flare star) atau bintang yang kerap menyemburkan badai bintang. Fakta ini diketahui pada 1951 TU oleh astronom Harlow Shapley setelah menganalisis pelat-pelat fotografis terkait bintang ini sejak 1915 TU. Ia mendapati bahwa bintang Proxima Centauri memiliki kecenderungan untuk bertambah terang hingga 8 % lebih terang dari semula, lantas kemudian meredup lagi. Peningkatan dan pengurangan kecerlangan ini berlangsung secara periodik dengan periode rata-rata 442 hari. Sumber peningkatan kecerlangan ini adalah badai bintang. Berbeda dengan badai Matahari, medan magnet Proxima Centauri yang jauh lebih kuat menyebabkan hampir seluruh fotosfera-nya menjadi area badai. Sehingga badai bintang Proxima Centauri kerap berukuran hingga sebesar bintangnya itu sendiri. Saat badai bintang terjadi, suhu bintang melonjak hingga 27 juta Kelvin, yang memungkinkan untuk memancarkan sinar-X. Ini membuat luminositas sinar-X Proxima Centauri setara dengan Matahari. Bahkan dalam puncak badai, luminositas sinar-X Proxima Centauri dapat mencaai 100 kali lebih besar ketimbang Matahari.

Planet

Planet Proxima Centauri b, atau sebut saja sebagai Proxima b, ditemukan dengan metode Doppler atau metode kecepatan radial. Ini adalah metode tak langsung dalam menemukan planet tata surya non Matahari dengan jalan mendeteksi pergeseran pada garis-garis spektrum emisi dari bintang induknya. Metode ini seperti halnya kita mendeteksi ada tidaknya mobil ambulans yang sedang menjauh atau mendekat  lewat keras lirihnya suara sirenenya. Hanya saja untuk kasus ini bukan suara yang menjadi fokus perhatian, melainkan spektrum emisi bintang. Meski, baik dalam kasus mobil ambulans maupun bintang, kuncinya terletak pada frekuensi. Yakni frekuensi suara (untuk mobil ambulans) dan frekuensi cahaya (untuk bintang).

Pada dasarnya setiap bintang bergerak relatif terhadap Bumi kita dalam kecepatan tertentu yang dinamakan kecepatan radial. Bilamana bintang tersebut memiliki planet, maka gangguan gravitasi planet itu akan menyebabkan perubahan periodik pada kecepatan radial bintang. Mari lihat   tata surya kita sebagai contoh. Meskipun Jupiter tetap setia mengedari Matahari dalam orbitnya, namun gangguan gravitasi Jupiter juga membuat kecepatan radial Matahari berubah secara periodik. Meski amplitudo perubahan itu sangat kecil, yakni hanya 12,4 meter/detik dengan periode 12 tahun (yang sama dengan periode revolusi Jupiter). Jika hal serupa diaplikasikan pada Bumi kita, yang massanya jauh lebih kecil ketimbang Jupiter, maka amplitudo perubahan kecepatan radial Matahari pun jauh lebih kecil lagi.  Yakni hanya 0,1 meter/detik dengan periode 1 tahun. Upaya mendeteksi perubahan kecepatan radial bintang dapat dilakukan melalui radas spektograf berakurasi sangat tinggi yang khusus dibuat untuk itu.

Gambar 4. Deteksi tak langsung eksistensi planet Proxima Centauri b yang mengorbit bintang Proxima Centauri, seperti terlihat pada perubahan kecepatan radial bintang tersebut berdasarkan hasil observasi dengan spektograf HAVES dan UVES. Nampak jelas pada kedua periodogram di atas, terdapat sinyal kuat dengan puncak pada periode 11,19 hari. Ini menjadi indikasi ada sebuah obyek yang mengelilingi Proxima Centauri dengan periode revolusi 11,19 hari Bumi. Sumber: ESOAnglada-Escude dkk, 2016.

Gambar 4. Deteksi tak langsung eksistensi planet Proxima Centauri b yang mengorbit bintang Proxima Centauri, seperti terlihat pada perubahan kecepatan radial bintang tersebut berdasarkan hasil observasi dengan spektograf HAVES dan UVES. Nampak jelas pada kedua periodogram di atas, terdapat sinyal kuat dengan puncak pada periode 11,19 hari. Ini menjadi indikasi ada sebuah obyek yang mengelilingi Proxima Centauri dengan periode revolusi 11,19 hari Bumi. Sumber: ESOAnglada-Escude dkk, 2016.

Radas HARPS memiliki kemampuan mendeteksi perubahan kecepatan radial bintang hingga 0,3 m/detik. Saat HARPS diarahkan ke bintang Proxima Centauri dalam rentang waktu observasi relatif lama, didapati adanya perubahan kecepatan radial dengan amplitudo sebesar 1,76 meter/detik dengan periode 11,19 hari. Perubahan yang sama dengan periode serupa juga dideteksi oleh radas UVES meski amplitudonya sedikit berbeda, yakni 1,69 meter/detik. Perubahan kecepatan radial pada bintang Proxima Centauri b menjadi indikasi bahwa bintang ini dikelilingi oleh setidaknya sebuah kandidat planet.

Analisis lebih lanjut memperlihatkan planet tersebut, yakni Proxima Centauri b, beredar pada jarak rata-rata sebesar 0,049 SA atau 7,33 juta kilometer dari bintang Proxima Centauri. Kelonjongan orbit (eksentrisitas)-nya diketahui lebih kecil dari 0,35. Apabila nilai kelonjongannya tepat 0,35 maka Proxima Centauri b beredar mengelilingi bintang induknya dalam sebentuk orbit lonjong yang memiliki periastron (titik terdekat ke bintang) sebesar 0,032 SA atau 4,79 juta kilometer dan apastron (titik terjauh ke bintang) sebesar 0,066 SA atau 9,87 juta kilometer. Periode revolusi Proxima Centauri b adalah 11,19 hari sehingga setahun di sana sama dengan 11,19 hari. Massanya, tepatnya massa minimumnya adalah 1,27 kali massa Bumi sehingga planet Proxima Centauri b mungkin merupakan planet terestrial (planet batuan). Sementara paparan sinar yang diterimanya adalah 65 % paparan sinar Matahari di Bumi, atau setara dengan 889 watt/meter2.

Apa yang menarik dari planet ini adalah suhu rata-rata parasnya dan lingkungan tempatnya berada. Jika dianggap tidak memiliki atmosfer, maka suhu paras rata-rata Proxima Centauri b adalah minus 39° Celcius (234 Kelvin). Sebaliknya jika planet  Proxima Centauri b mempunyai atmosfer maka suhu paras rata-ratanya menjadi lebih besar yakni mencapai 30° Celcius (303 Kelvin). Namun angka perkiraan ini relatif kasar karena hanya memperhitungkan jarak planet ke bintang induknya dan intensitas penyinaran. Dalam menggali persoalan ini lebih lanjut, Laboratoire de Météorologie Dynamique’s Planetary Global Climate Model melakukan simulasi dengan berbasis dua asumsi seiring kedekatan jarak orbit Proxima Centauri b dengan bintang induknya. Asumsi pertama, planet Proxima Centauri b mengalami resonansi 3:2. Artinya tiap kali Proxima Centauri b tepat dua kali mengelilingi bintang induk, maka ia juga tepat tiga kali berotasi (berputar pada porosnya). Sehingga dalam asumsi ini periode rotasi Proxima Centauri b adalah 7,46 hari. Sementara asumsi kedua adalah planet Proxima Centauri b terikat dalam gaya tidal dengan bintang induknya, atau mengalami rotasi tersinkron. Dalam kondisi ini maka periode rotasi Proxima Centauri b akan tepat sama dengan periode revolusinya, yakni 11,19 hari. Sehingga hemisfer Proxima Centauri b yang menghadap ke arah bintang Proxima Centauri selalu sama.

Dalam asumsi pertama, maka distribusi suhu paras di Proxima Centauri b bervariasi mulai dari yang terdingin di kutub (minus 90° Celcius) hingga yang terhangat di sekitar ekuator (0° Celcius). Jika terdapat air di Proxima Centauri b, maka distribusi suhu seperti ini akan membentuk samudera yang merentang di antara garis lintang 30° LU hingga garis lintang 30° LS. Sebaliknya apabila bersandar pada asumsi kedua, maka suhu paras Proxima Centauri b bervariasi mulai dari yang terdingin pada kawasan dekat kutub (di sekitar garis lintang 60° LU dan 60° LS) pada sisi yang membelakangi bintang induknya (yakni minus 75° Celcius) hingga yang terhangat di sekitar ekuator pada sisi yang menghadap bintang induk (yakni 30° Celcius). Bila ada air, maka akan terbentuk samudera yang lebih luas karena merentang mulai dari garis lintang 70° LU hingga garis lintang 70° LS.

Gambar 5. Prakiraan distribusi suhu paras rata-rata planet Proxima Centauri b berdasarkan asumsi mengalami resonansi 3:2 (kiri) dan rotasi tersinkron (kanan). Berdasarkan simulasi numerik yang dikerjakan Laboratoire de Météorologie Dynamique's Planetary Global Climate Model. Sumber: ESO, 2016.

Gambar 5. Prakiraan distribusi suhu paras rata-rata planet Proxima Centauri b berdasarkan asumsi mengalami resonansi 3:2 (kiri) dan rotasi tersinkron (kanan). Berdasarkan simulasi numerik yang dikerjakan Laboratoire de Météorologie Dynamique’s Planetary Global Climate Model. Sumber: ESO, 2016.

Kemungkinan keberadaan air dalam bentuk cair menjadi bagian paling menarik dari kisah penemuan planet Proxima Centauri b ini. Sebab dengan orbitnya, maka praktis planet tersebut terletak dalam zona Goldilock atau zona kedapathunian, yakni sebuah kawasan sejarak antara 0,0423 SA (6,33 juta kilometer) hingga 0,0816 SA (12,21 juta kilometer) dari bintang Proxima Centauri. Di dalam zona Goldilocks, bilamana terdapat air maka ia bisa berbentuk zat cair. Air dalam bentuk cair menjadi salah satu faktor yang mendukung kehidupan, baik dengan makhluk hidup yang memanen energi dari sinar bintang induknya maupun dengan makhluk hidup yang ditenagai pemanasan internal planet tersebut. Apabila air tersedia dalam jumlah besar, maka siklus air mungkin bisa berjalan dan turut membentuk lansekap berbatu planet tersebut.

Beberapa Catatan

Baiklah. Jadi apabila kita berkunjung ke planet Proxima Centauri b, entah bagaimanapun caranya, kemungkinan besar kita akan berjumpa dengan lansekap bebatuan padat layaknya Bumi dan juga samudera yang luas. Planetnya memang ganjil, karena setahun disana setara 11,19 hari Bumi sementara satu harinya mungkin setara dengan dua pertiga tahunnya atau malah setahunnya. Pertanyaan terpentingnya, adakah kehidupan disana? Atau bisakah planet Proxima Centauri b ini dihuni oleh kehidupan seperti Bumi?

Jawaban dari pertanyaan itu membuat para astronom terpolarisasi ke dalam dua kutub pendapat yang berbeda. Kutub pendapat pertama mengatakan tidak mungkin, baik untuk dihuni maupun menyemaikan kehidupan. Ada empat alasannya, yakni Proxima Centauri b mungkin mengalami rotasi tersinkron, bintang Proxima Centauri memiliki medan magnet yang sangat kuat (600 kali lipat medan magnet Matahari), bintang Proxima Centauri kerap menyemburkan badai bintang dan Proxima Centauri b mengalami paparan sinar-X dan sinar ultraungu yang sangat tinggi (paparan sinar-X-nya mungkin 400 kali lebih kuat dibanding Bumi). Dengan rotasi tersinkron, maka hemisfer Proxima Centauri b yang menghadap bintang induknya akan mengalami pemanasan berlebih. Sementara hemisfer yang membelakanginya menggigil kedinginan dalam beku. Dan dalam kondisi rotasi tersinkron pula, atmosfer Proxima Centauri b (bilamana ada) akan terkikis habis oleh hempasan badai bintang dan kuatnya medan magnet Proxima Centauri. Dan akhirnya, dengan paparan sinar-X dan sinar ultraungu yang sangat kuat, yang juga mampu menggerus dan mengikis atmosfer Proxima Centauri b hingga habis. Singkatnya, bagi kutub pendapat pertama ini planet Proxima Centauri b adalah planet yang berbahaya.

Sebaliknya kutub pendapat kedua mengatakan berbeda. Jadi mungkin saja Proxima Centauri b bisa dihuni dan menyemai benih kehidupan. Alasannya juga empat. Meski rotasinya tersinkron, planet Proxima Centauri b dapat memiliki keseimbangan suhu paras rata-rata antara hemisfer yang menghadap bintang dan yang membelakanginya bilamana tersedia atmosfer stabil yang mampu mendistribusikan panas lewat sirkulasi atmosfer global. Planet ini memang berhadapan dengan medan magnet bintang dan badai bintang yang kuat. Namun beberapa penelitian memperlihatkan bahwa jika Proxima Centauri b memiliki medan magnet mencukupi (layaknya medan magnet Bumi), maka ia akan mampu mempertahankan atmosfernya dari gempuran medan magnet dan badai bintang. Jumlah materi atmosfer yang terkikis akan cukup kecil. Jadi ia bisa menghindari nasib malang seperti halnya yang dialami Mars. Penelitian serupa juga mengungkap bahwa medan magnet  Proxima Centauri b juga bisa membuatnya mempertahankan atmosfernya dari gempuran sinar-X dan sinar ultraungu. Singkatnya, bagi kutub ini planet Proxima Centauri b memang tinggal di lingkungan berbahaya. Namun ia bisa bertahan andaikata memang memiliki medan magnet mencukupi.

Yang jelas kedua kutub pendapat tersebut menyepakati bahwa planet Proxima Centauri b ini berada di lingkungan yang hangat, yang mampu mempertahankan air dalam bentuk cair. Butuh observasi lebih lanjut untuk memastikan apakah planet ini memang demikian. Observasi, terutama oleh tim peneliti lain yang independen, sekaligus akan mengonfirmasi apakah sesungguhnya memang ada planet yang dimaksud di bintang Proxima Centauri. Sebab pada 2012 TU silam kita pernah mengalami kejadian tak mengenakkan terkait sistem bintang alpha Centauri. Saat itu tim astronom Eropa, juga bersenjatakan radas HARPS, mengumumkan telah mengidentifikasi adanya planet terestrial yang mengorbit bintang alpha Centauri B. Namun tiga tahun kemudian tim peneliti lain yang berbasis data HARPS yang sama menyimpulkan planet tersebut tidak ada. Apa yang semula diduga sebagai planet di bintang alpha Centauri B ternyata hanya sekedar cacat perhitungan matematis.

Observasi lebih lanjut juga akan mampu menentukan massa Proxima Centauri b dengan lebih baik. Saat ini informasi yang kita ketahui hanyalah massa minimumnya. Bergantung kepada sudut inklinasinya, maka massa Proxima Centauri b mungkin bisa bervariasi mulai dari sekecil 2,6 kali lipat massa Bumi hingga sebesar 70 kali lipat massa Bumi. Jika massanya terlalu besar, maka ia bukanlah planet terestrial.

Referensi :

Anglada-Escude dkk. 2016. A Terrestrial Planet Candidate in a Temperate Orbit around Proxima Centauri. Nature, vol. 536 no. 7617 (25 August 2016), pp 437–440.

Gelombang Gravitasi, Terdeteksi Setelah Seabad Bersembunyi

Mari kembali ke masa 1,3 milyar tahun silam. Itulah masa saat dua buah benda langit dengan kerapatan yang amat sangat padat bertubrukan pada satu tempat di penjuru jagat raya kita. Umat manusia mengenal benda langit eksotis semacam itu dengan nama menggetarkan: lubang hitam. Dalam kejadian tubrukan akbar berskala kosmik 1,3 milyar tahun silam tersebut lubang hitam pertama memiliki massa 36 kali lipat Matahari. Sedangkan massa lubang hitam kedua ‘hanya’ 29 kali lipat Matahari. Tubrukan mahadahsyat itu menghasilkan lubang hitam tunggal, namun massanya ‘hanya’ 62 kali lipat Matahari. Maka ada setidaknya massa sebesar 3 kali lipat Matahari yang hilang. Namun massa tersebut ternyata tidaklah menghilang tanpa jejak, ia bertransformasi menjadi energi yang dijalarkan ke segenap penjuru jagat raya sebagai gelombang gravitasi.

Gambar 1. Ilustrasi dua buah lubang hitam menjelang bertubrukan dan menyatu. Kontur berwarna disekitar masing-masing lubang hitam menunjukkan amplitudo gelombang gravitasi yang dipancarkannya. Garis hijau dan ungu putus-putus menunjukkan lintasan berspiral masing-masing lubang hitam hingga menuju titik tubrukan dan menyatu. Panah hijau melingkar menunjukkan arah rotasi setiap lubang hitam. Peristiwa seperti inilah yang dideteksi observatorium LIGO lewat pancaran gelombang gravitasinya. Sumber: NASA, 2016.

Gambar 1. Ilustrasi dua buah lubang hitam menjelang bertubrukan dan menyatu. Kontur berwarna disekitar masing-masing lubang hitam menunjukkan amplitudo gelombang gravitasi yang dipancarkannya. Garis hijau dan ungu putus-putus menunjukkan lintasan berspiral masing-masing lubang hitam hingga menuju titik tubrukan dan menyatu. Panah hijau melingkar menunjukkan arah rotasi setiap lubang hitam. Peristiwa seperti inilah yang dideteksi observatorium LIGO lewat pancaran gelombang gravitasinya. Sumber: NASA, 2016.

Relativitas Umum dan Astronomi

Apa itu gelombang gravitasi? Segalanya berawal dari masa tepat seabad silam. Yakni tatkala salah satu jenius paling imajinatif dalam sejarah ilmu pengetahuan alam, yakni Albert Einstein, mempublikasikan pemikirannya mengenai relativitas umum pada bulan November 1915 Tarikh Umum (TU). Ini adalah penyempurnaan dari gagasan relativitas khusus yang telah dipublikasikannya tepat satu dasawarsa sebelumnya. Jika relativitas khusus lebih menekankan pada tidak adanya kerangka acuan mutlak (termasuk waktu) dan terdapat kesetaraan massa dan energi (yang amat terkenal dengan persamaan E=mc2), maka relativitas umum memperluasnya hingga mencakup gravitasi.

Dalam relativitas umum, segenap jagat raya terletak dalam geometri empat dimensi dimana tiga dimensi merupakan bagian dari dimensi ruang (yakni sumbu X, sumbu Y dan sumbu Z) sementara satu dimensi sisanya bagian dari dimensi waktu. Keempat dimensi itu saling tak terpisahkan, apa yang mempengaruhi ruang juga akan mempengaruhi waktu. Sehingga lahir kosakata ruang-waktu. Andaikata di dalam jagat raya ini tidak ada konsentrasi massa, maka ruang-waktu akan berbentuk datar. Namun konsentrasi massa, terlebih jika cukup massif dalam ruap benda langit seperti bintang-bintang dan galaksi, akan membuat ruang-waktu disekelilingnya melengkung demikian rupa. Derajat kelengkungan ini berbanding terbalik dengan jaraknya dari benda langit tersebut, semakin jauh maka akan semakin kecil. Di sisi lain, semakin besar massa benda langit maka semakin melengkung ruang-waktu disekelilingnya. Melengkungnya ruang-waktu disekitar benda langit akan menghasilkan sejumlah fenomena yang dapat dideteksi.

Gambar 2. Poster menjelang Gerhana Matahari Total 1919, yang menggambarkan bagaimana cahaya bintang-bintang jauh dibelokkan sedikit kala melintas di dekat benda langit bermassa cukup besar (massif) seperti Matahari sebagai efek dari melengkungnya ruang-waktu akibat benda massif. Posisi nampak bintang-bintang tersebut akan bergeser menjauh sedikit dari Matahari. Fenomena ini hanya bisa disaksikan pada saat peristiwa Gerhana Matahari Total. Observasi yang dilakukan Eddington dkk, memastikan bahwa berkas cahaya tersebut memang benar-benar berbelok sedikit. Sumber: Morison, 2008.

Gambar 2. Poster menjelang Gerhana Matahari Total 1919, yang menggambarkan bagaimana cahaya bintang-bintang jauh dibelokkan sedikit kala melintas di dekat benda langit bermassa cukup besar (massif) seperti Matahari sebagai efek dari melengkungnya ruang-waktu akibat benda massif. Posisi nampak bintang-bintang tersebut akan bergeser menjauh sedikit dari Matahari. Fenomena ini hanya bisa disaksikan pada saat peristiwa Gerhana Matahari Total. Observasi yang dilakukan Eddington dkk, memastikan bahwa berkas cahaya tersebut memang benar-benar berbelok sedikit. Sumber: Morison, 2008.

Benda-benda langit di jagat raya ini tidaklah diam dalam posisinya. Melainkan selalu bergerak. Dalam kasus khusus dimana benda langit tersebut memiliki massa cukup besar dan bergerak dipercepat, maka ruang-waktu disekelilingnya akan turut berubah. Perubahan tersebut akan menjalar menjauh ke segala arah yang bergerak secepat cahaya sebagai riak-riak ruang-waktu. Inilah gelombang gravitasi.

Masih bingung dengan gelombang gravitasi? Mari bentangkan selembar selimut sejarak sekitar 50 cm di atas tempat tidur kita. Agar tetap melayang, ikat keempat ujungnya pada masing-masing tiang di setiap sudut ranjang. Lantas taruhlah sebuah bola sepak, pelan-pelan saja dan tepat di tengah-tengahnya. Selimut itu melengkung? Tentu saja. Namun tak berhenti di situ. Siapkan bola tennis, lemparkan pelan-pelan tepat ke arah bola sepak di tengah-tengah bentangan selimut itu. Saat kedua bola itu saling berbenturan dan lantas berdempetan, kita akan melihat riak-riak di selimut, menjalar demikian rupa. Nah, mari anggap tempat tidur kita sebagai jagat raya dan selimut itu sebagai ruang-waktu. Maka riak-riak di selimut itulah gelombang gravitasi. Ya gelombang yang merambat dalam kurvatur ruang-waktu.

Meski aneh dan sulit dinalar pada awalnya, gagasan relativitas umum terbukti benar. Dan sedari awal astronomi sangat tertarik dengannya. Daya pikat gagasan Einstein pertama kali dipancarkan dari suksesnya relativitas umum dalam menjelaskan perilaku aneh orbit planet Merkurius. Sudah sejak 1840 TU astronomi menyadari Merkurius berperilaku sedikit aneh dalam menjalani orbitnya. Ia senantiasa bergeser dari orbit seharusnya (yang diperhitungkan berdasar hukum gravitasi Newton), meski nilainya kecil. Pergeseran tersebut terutama teramati pada perubahan lokasi titik terdekat orbit Merkurius ke Matahari (perihelion). Perihelion Merkurius senantiasa bergerak maju, fenomena yang dikenal sebagai presesi perihelion.

Presesi perihelion Merkurius pertama kali diungkap Arago, direktur observatorium Paris, dalam suratnya kepada Urbain Le Verrier, sosok yang pertama kali menyadari kemungkinan eksistensi planet Neptunus di atas kertas jauh sebelum planet tersebut benar-benar ditemukan. Jejak paling awal dari presesi perihelion Merkurius terungkap dari gagalnya perhitungan Le Verrier dalam memprakirakan transit Merkurius. Dalam perhitungannya, Le Verrier menyimpulkan transit Merkurius, yakni segarisnya posisi Matahari-Merkurius-Bumi dalam segala arah (konfigurasi syzygy), akan terjadi pada 1843 TU. Namun pada waktu yang telah diprakirakan tersebut observasi astronomi tak pernah berhasil menjumpai peristiwa transit yang dimaksud (perhitungan terkini menunjukkan transit Merkurius terjadi pada 8 Mei 1845 TU). Terinspirasi kisah sukses penemuan planet Neptunus, Le Verrier pun beranggapan ada sebuah planet-tak-dikenal, yang kedudukannya lebih dekat ke Matahari dibanding Merkurius. Planet tersebut cukup massif sehingga gravitasinya mampu menyebabkan presesi perihelion Merkurius. Le Verrier menyebut planet-tak-dikenal ini sebagai Vulcan. Pada saat yang bersamaan Le Verrier juga mengembangkan perhitungannya untuk menyingkap planet-tak-dikenal yang mengganggu orbit Uranus dan Neptunus, yang akhirnya mendunia sebagai kisah pencarian Planet X.

Le Verrier sempat dibikin bungah saat Edmond Lescarbault memublikasikan hasil observasinya tentang benda langit yang terlihat lewat di depan Matahari pada Desember 1859 TU. Le Verrier menganggap itulah Vulcan dan segera memperhitungkan elemen orbitnya. Namun observasi demi observasi yang dilakukan sejumlah astronom di masa berikutnya tak pernah berhasil menjumpai eksistensi Vulcan. Ambisi pencarian Vulcan sedikit meredup setelah wafatnya Le Verrier pada 1877 TU. Namun gagasan mengenai planet Vulcan baru benar-benar lenyap tatkala Einstein memublikasikan relativitas umumnya. Dengan pendekatan berbeda dibanding mekanika Newton, relativitas umum memperlihatkan bahwa presesi perihelion Merkurius adalah sebuah konsekuensi tak terhindarkan dari planet yang paling dekat ke Matahari itu. Karena paling dekat, sementara ruang-waktu disekeliling Matahari melengkung, maka Merkurius tak punya pilihan selain bergerak mengelilingi Matahari dalam lengkungan tersebut. Dengan konsekuensi terjadilah presesi perihelion.

Gambar 3. Ekspedisi Gerhana Matahari Total 1929 di Takengon (Indonesia), yang dipimpin oleh Erwin Freundlich (baju putih, tengah). Radas dalam foto ini adalah kamera horizontal yang digunakan untuk mengukur besarnya pembelokan berkas cahaya bintang akibat melengkungnya ruang-waktu di sekeliling Matahari. Sumber: Hentschel, 1992.

Gambar 3. Ekspedisi Gerhana Matahari Total 1929 di Takengon (Indonesia), yang dipimpin oleh Erwin Freundlich (baju putih, tengah). Radas dalam foto ini adalah kamera horizontal yang digunakan untuk mengukur besarnya pembelokan berkas cahaya bintang akibat melengkungnya ruang-waktu di sekeliling Matahari. Sumber: Hentschel, 1992.

Ketertarikan astronomi dengan relativitas umum menjadi lebih intim pasca Perang Dunia 1. Sebagai konsekuensi dari melengkungnya ruang-waktu disekeliling Matahari, maka berkas cahaya dari bintang-bintang jauh yang kebetulan lewat di dekat Matahari pun tak punya pilihan kecuali sedikit berbelok. Imbasnya, kita di Bumi akan melihat bintang-bintang tersebut mengalami pergeseran posisi nampak, seakan-akan menjauhi Matahari. Padahal sesungguhnya tidak. Fenomena ini berpeluang bisa dibuktikan dalam peristiwa Gerhana Matahari Total. Sebab dalam puncak totalitasnya, cakram Matahari yang benderang akan tertutupi sepenuhnya oleh cakram Bulan. Sehingga langit akan menggelap untuk sesaat, memungkinkan bintang-bintang redup di latar belakang Matahari terlihat. Dengan membandingkan posisi nampak bintang-bintang tersebut pada saat Gerhana Matahari Total dan tidak, maka dapat diketahui terjadinya pergeseran posisi nampak. Inilah yang dibuktikan Arthur Eddington dkk lewat ekspedisi Gerhana Matahari Total 29 Mei 1919 TU di Sobral (Brazil) dan Pulau Principe (Sao Tome dan Principe). Belakangan Erwin Freundlich juga membuktikan hal serupa dalam ekspedisi Gerhana Matahari Total 9 Mei 1929 yang berlangsung di Takengon, propinsi Aceh (Indonesia).

Di kemudian hari, astronomi pulalah yang membuktikan sejumlah prediksi menarik relativitas umum. Mulai dari dinamika jagat raya di awal mula hingga ke benda langit eksotik semacam lubang hitam. Sampai saat ini lubang hitam memang belum dapat diamati secara langsung. tetapi banyak gejalanya yang sudah terobservasi. Lantas bagaimana dengan gelombang gravitasi ?

Observatorium

Gambar 4. Observatorium LIGO di Livingston, Lousiana (Amerika Serikat) berdasarkan citra satelit. Nampak dua lorong panjang hampa udara yang saling tegaklurus. Sumber: Google Maps, 2016.

Gambar 4. Observatorium LIGO di Livingston, Lousiana (Amerika Serikat) berdasarkan citra satelit. Nampak dua lorong panjang hampa udara yang saling tegaklurus. Sumber: Google Maps, 2016.

Riak-riak yang menjalar melalui ruang-waktu sebagai gelombang gravitasi mampu mendistorsi ruang-waktu yang dilewatinya sendiri, meski untuk sesaat. Andaikan kita meletakkan sebuah kubus di sebuah tempat dan gelombang gravitasi melewatinya, maka kubus tersebut secara harfiah bakal berubah menjadi balok untuk sesaat. Tetapi perubahan itu takkan kasat mata. Sedari awal telah disadari upaya untuk mendeteksi gelombang gravitasi menjadi salah satu pekerjaan ilmiah yang luar biasa sulit. Betapa tidak, gelombang gravitasi memiliki amplitudo (tinggi gelombang) yang amat sangat luar biasa kecil. Bila dibandingkan dengan diameter atom Hidrogen, amplitudo gelombang gravitasi hanyalah sepermilyarnya saja. Bahkan dibandingkan dengan dimensi proton, amplitudo gelombang gravitasi masih sepuluh ribu kali lebih kecil. Jelas upaya untuk mendeteksinya tak semudah melihat riak-riak kecil gelombang laut di keluasan bentangan perairan samudera.

Untuk itulah LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) dibangun, sebagai sebuah observatorium astronomi yang unik karena tak bertumpu pada cahaya maupun emisi foton lainnya dari langit. LIGO bertulangpunggungkan pada prinsip interferometri. Secara sederhana, observatorium ini berbasiskan pada dua buah lorong hampa udara sepanjang 4 kilometer yang dibangun demikian rupa sehingga satu dengan yang lain tepat saling tegaklurus. Kombinasi kedua lorong membentuk konfigurasi yang sama persis dengan huruf L. Panjang salah satu lorong sengaja dibuat 1 meter lebih pendek dibanding lainnya. Ujung setiap lorong dilengkapi dengan cermin pemantul. Sementara di titik potong kedua lorong dipasang cermin-pembelah-semi-transparan, yang berfungsi untuk ‘membelah’ berkas cahaya yang melintasinya sehingga bisa diarahkan ke kedua lorong tersebut sekaligus. Di dekat cermin-pembelah ini, searah dengan salah satu lorong, dipasang sumber cahaya koheren (laser). Sebaliknya searah dengan lorong yang lain dipasang detektor, juga berdekatan dengan cermin-pembelah.

Gambar 5. Gambaran sederhana struktur observatorium LIGO yang terdiri dari lima bagian utama. Sumber cahaya koheren, cermin-pemisah-semi-transparan dan detektor terletak saling berdekatan (berada pada gedung yang sama). Sedangkan cermin pemantul lorong 1 terletak di ujung lorong 1 (panjang 4 kilometer). Demikian halnya cermin pemantul lorong 2, hanya saja lorong 2 sedikit lebih pendek. Sumber: Universe Today, 2016.

Gambar 5. Gambaran sederhana struktur observatorium LIGO yang terdiri dari lima bagian utama. Sumber cahaya koheren, cermin-pemisah-semi-transparan dan detektor terletak saling berdekatan (berada pada gedung yang sama). Sedangkan cermin pemantul lorong 1 terletak di ujung lorong 1 (panjang 4 kilometer). Demikian halnya cermin pemantul lorong 2, hanya saja lorong 2 sedikit lebih pendek. Sumber: Universe Today, 2016.

Cara kerjanya? Sumber cahaya koheren menembakkan berkas laser ke cermin-pembelah-semi-transparan. Sehingga berkas laser itupun terbelah menjadi dua. Satu berkas mengarah ke lorong yang lebih panjang sementara satunya lagi ke lorong lebih pendek. Di ujung setiap lorong, berkas laser ini dipantulkan kembali oleh cermin-pemantul sehingga kembali mengarah ke cermin-pemisah. Setibanya di cermin-pemisah, kedua berkas yang semula terpisah itu lantas menyatu kembali dan selanjutnya mengarah ke detektor. Seperti cahaya pada umumnya, berkas sinar laser juga memiliki sifat-sifat gelombang dan merupakan gelombang transversal. Dengan panjang kedua lorong yang sedikit berbeda, maka pada saat kedua berkas laser yang semula terpisah itu menyatu kembali di cermin-pemisah dan bersama-sama menuju detektor, terjadilah interferensi. Selisih panjang kedua lorong tersebut adalah demikian rupa sehingga dalam kondisi normal menyatunya kedua berkas laser pasca melewati cermin-pemisah menghasilkan interferensi destruktif. Dalam interferensi ini, puncak gelombang berkas laser pertama akan tepat bertemu dengan lembah gelombang berkas laser kedua dan demikian sebaliknya. Sehingga praktis tak ada cahaya yang tiba di detektor. Sebaliknya tatkala Bumi terpapar oleh gelombang gravitasi, maka salah satu lorong akan terdampak. Imbasnya terjadi perubahan panjang lorong tersebut dalam skala yang amat sangat kecil, meski untuk sesaat. Perubahan ini akan merubah pola interferensinya menjadi interferensi konstruktif. Dimana puncak gelombang berkas laser pertama akan bersua dengan puncak gelombang berkas laser kedua, demikian pula lembah gelombangnya. Sebagai akibatnya terdapat cahaya yang bisa terdeteksi di detektor.

LIGO dalam kondisi normal

  1. Aliran cahayaLIGO_gb6_cara-kerja_statik_01
  2. Diagram waktu kedatangan butir-butir cahaya di detektor (Perhatikan selang-seling posisi butir-butir cahaya merah dan biru yang teratur dan saling mengisi !)Perhatikan selang-seling posisi butir-butir cahaya merah dan biru yang teratur dan saling mengisi !

LIGO dalam kondisi saat gelombang gravitasi menerpa

  1. Aliran cahaya LIGO_gb6_cara-kerja_dinamik_02
  2. Diagram waktu kedatangan butir-butir cahaya di detektor (Perhatikan selang-seling posisi butir-butir cahaya merah dan biru yang tidak teratur !)

    Perhatikan selang-seling posisi butir-butir cahaya merah dan biru yang tidak teratur ! Gambar 6. Gambaran sederhana bagaimana Observatorium LIGO bekerja, dengan menganggap bahwa cahaya adalah butir-butir partikel tanpa sifat gelombang. Sumber cahaya koheren terletak di sebelah kiri sementara detektor di sebelah bawah. Setelah melewati cermin-pemisah-semi-transparan, berkas cahaya terpisah menjadi dua masing-masing berwarna hijau dan merah. Perhatikan perbedaan diagram waktu kedatangan butir-butir cahaya antara kondisi normal dan kondisi saat gelombang gravitasi menerpa. Sumber: Universe Today, 2016.

    Gambar 6. Gambaran sederhana bagaimana Observatorium LIGO bekerja, dengan menganggap bahwa cahaya adalah butir-butir partikel tanpa sifat gelombang. Sumber cahaya koheren terletak di sebelah kiri sementara detektor di sebelah bawah. Setelah melewati cermin-pemisah-semi-transparan, berkas cahaya terpisah menjadi dua masing-masing berwarna hijau dan merah. Perhatikan perbedaan diagram waktu kedatangan butir-butir cahaya antara kondisi normal dan kondisi saat gelombang gravitasi menerpa. Sumber: Universe Today, 2016.

 

Dalam kenyataannya, operasi LIGO jauh lebih rumit dibanding gambaran di atas. Setelah dibelah oleh cermin-pembelah, berkas laser yang mengarah ke setiap lorong LIGO sejatinya menempuh lintasan yang lebih jauh karena dipantulkan bola-balik antara cermin-pemantul dan cermin-pembelah hingga 75 juta kali sebelum memasuki detektor. Pemantulan berulang-ulang ini meningkatkan sensitivitas LIGO. Namun di sisi lain juga membuat LIGO lebih rentan mengalami gangguan dari getaran-getaran halus yang terjadi di paras Bumi. Baik akibat aktivitas alamiah (misalnya gempabumi) hingga ulah manusia (misalnya lalu lintas kendaraan bermotor).

Untuk itulah Dewan Pendanaan Ilmu Pengetahuan Amerika Serikat (National Science Foundation atau NSF) memutuskan membiayai pembangunan dua observatorium LIGO sekaligus. Masing-masing Observatorium LIGO Livingston yang berlokasi di Livingston (negara bagian Lousiana) yang bertempat di pesisir timur Amerika dan Observatorium LIGO Hanford yang mengambil lokasi di Hanford (negara bagian Washington) di pesisir barat. Kedua observatorium tersebut berselisih jarak tepat 3.002 kilometer. Setiap observatorium LIGO ditempatkan di pedalaman yang jauh dari aktivitas manusia keseharian secara umum. Dengan dua observatorium identik yang saling terpisah, maka gangguan dari paras Bumi dapat dideteksi dan dieliminasi. Dengan kata lain, riset tentang deteksi gelombang gravitasi hanya akan terfokus pada sebuah kejadian yang dideteksi oleh kedua observatorium LIGO tersebut secara bersamaan. Konsekuensi dari pembangunan dan operasi dua observatorium LIGO ini membuat NSF harus merogoh kocek dalam-dalam, hingga mencapai US $ 620 juta. Ini menjadikannya proyek ilmiah terbesar dan termahal yang pernah dibiayai NSF.

Pola interferensi destruktif, terjadi saat LIGO beroperasi dalam kondisi normal (sebagai pengembangan dari Gambar 6, dimana sifat gelombang transversal cahaya kini diperhitungkan). Perhatikan gelombang cahaya hijau dan merah tepat saling melenyapkan sehingga akumulasinya tidak ada gelombang cahaya (garis biru)LIGO_gb7_interferensi_destruktif-01

Pola interferensi konstruktif, terjadi saat LIGO beroperasi dalam kondisi saat gelombang gravitasi menerpa (sebagai pengembangan dari Gambar 6, dimana sifat gelombang transversal cahaya kini diperhitungkan). Perhatikan gelombang cahaya hijau dan merah saling menguatkan sehingga akumulasinya membentuk pola gelombang cahaya biru yang baru

Gambar 7. Gambaran sederhana tentang pola interferensi yang bisa diindra detektor observatorium LIGO. Dalam hal ini berkas cahaya dianggap sebagai butir-butir partikel yang memiliki sifat gelombang. Bila diagram waktu kedatangan di Gambar 6 dikembangkan lebih lanjut dengan menyertakan pola-pola gelombang transversal, maka akan dijumpai pola interferensi destruktif (kondisi normal) dan pola interferensi konstruktif (kondisi saat gelombang gravitasi menerpa). Sumber: Universe Today, 2016.

Gambar 7. Gambaran sederhana tentang pola interferensi yang bisa diindra detektor observatorium LIGO. Dalam hal ini berkas cahaya dianggap sebagai butir-butir partikel yang memiliki sifat gelombang. Bila diagram waktu kedatangan di Gambar 6 dikembangkan lebih lanjut dengan menyertakan pola-pola gelombang transversal, maka akan dijumpai pola interferensi destruktif (kondisi normal) dan pola interferensi konstruktif (kondisi saat gelombang gravitasi menerpa). Sumber: Universe Today, 2016.

Penemuan

Untungnya, ongkos mahal itu terbayar dengan penemuan spektakuler. Pada 14 September 2015 TU pukul 16:50:45 WIB kedua observatorium LIGO tersebut mendeteksi sebuah kejadian tak biasa. Kala itu selama 0,2 detik Bumi terpapar oleh gelombang gravitasi. Meski sangat singkat, namun dua observatorium LIGO berhasil mendeteksinya pada frekuensi 150 MHz. Analisis yang cukup hati-hati memperlihatkan gelombang gravitasi ini dibangkitkan dari dua buah lubang hitam yang bertubrukan dan menyatu. Sebelum menyatu, keduanya bergerak saling mengedari dalam sebuah tarian kosmik yang luar biasa. Terdeteksinya frekuensi orbital 75 MHz (separuh frekuensi gelombang gravitasi) menunjukkan kedua lubang hitam tersebut berselisih jarak hanya 350 km saat tarian dimulai (dan gelombang gravitasi terpancar). Tarian ini berlangsung pada kecepatan yang sangat tinggi, awalnya pada kecepatan hampir 90.000 km/detik (30 % kecepatan cahaya) dan dalam 0,2 detik kemudian meningkat pesat menjadi dua kali lipatnya. Menyatunya kedua lubang hitam tersebut menjadi satu lubang hitam massif diiringi dengan hilangnya massa sebesar 3 kali Matahari. Massa ini sesungguhnya tak hilang, namun berubah menjadi energi yang diangkut oleh gelombang gravitasi. Energi tersebut amat sangat luar biasa besar. Pada puncaknya, yakni dalam 20 milidetik pasca penyatuan, gelombang gravitasi itu mengangkut daya 3.6 . 1049 watt. Daya tersebut 50 kali lipat lebih besar ketimbang daya yang dibangkitkan lewat cahaya tampak dari seluruh galaksi yang telah teramati di jagat raya kita !

Gambar 8. Hasil observasi gelombang gravitasi lewat observatorium LIGO di Hanford dan Livingstone. Nampak kurva dari data yang terekam nyaris sama persis dengan hasil perhitungan (simulasi). Inilah bukti langsung pertama bahwa gelombang gravitasi memang ada. Sumber: Abbott dkk, 2016.

Gambar 8. Hasil observasi gelombang gravitasi lewat observatorium LIGO di Hanford dan Livingstone. Nampak kurva dari data yang terekam nyaris sama persis dengan hasil perhitungan (simulasi). Inilah bukti langsung pertama bahwa gelombang gravitasi memang ada. Sumber: Abbott dkk, 2016.

Deteksi dari dua observatorium LIGO ini juga memungkinkan kita untuk melacak lokasi tubrukan dua lubang hitam tersebut. Dengan teknik triangulasi, diketahui tubrukan terjadi pada lokasi yang searah dengan arahpandang kita ke galaksi Awan Magellan Besar di belahan langit selatan. Meski dengan hanya dua observatorium LIGO yang aktif saat itu dan melacak peristiwa ini, dimana tepatnya posisi kedua lubang hitam yang saling bertubrukan dan menyatu itu berada tidak dapat diketahui dengan pasti. Analisis hanya memperlihatkan bahwa kedua lubang hitam yang bertubrukan itu ada di dalam kawasan seluas 140 derajat persegi (pada tingkat keyakinan 50 %) atau seluas 590 derajat persegi (pada tingkat keyakinan 90 %) di belahan langit selatan. Perbandingan dengan hasil pengamatan observatorium unik lainnya, misalnya observatorium yang berbasis emisi gelombang elektromagnetik (mencakup teleskop sinar gamma, sinar-X, ultraviolet dan cahaya tampak) serta observatorium berbasis pancaran partikel subatomik (neutrino), menunjukkan energi yang dilepaskan dari tubrukan dua lubang hitam tersebut sepenuhnya diangkut oleh gelombang gravitasi. Tidak oleh gelombang elektromagnetik maupun partikel subatomik.

Apa pengaruh dari terdeteksinya gelombang gravitasi bagi umat manusia?

Implikasinya sangat luas. Sukses deteksi tersebut sekali lagi menunjukkan relativitas umum (yang digagas Einstein) terbukti benar. Demikian halnya aplikasinya dalam kehidupan keseharian manusia modern, misalnya dalam navigasi berbasis satelit. Tanpa memasukkan efek relativitas umum, maka koordinat posisi yang disajikan oleh satelit navigasi manapun (baik sistem GPS Amerika Serikat, Glonass Russia maupun Galileo Eropa) akan meleset sejauh beberapa kilometer dari aslinya. Terbuktinya gelombang gravitasi juga memberikan jendela observasi baru dalam astronomi. Selama ini astronomi bertulangpunggungkan pada observasi yang berbasis gelombang elektromagnetik (gelombang radio, gelombang mikro, cahaya tampak, sinar ultraviolet, sinar inframerah, sinar-X dan sinar gamma) serta partikel subatomik (sinar kosmik, angin Matahari/angin bintang, neutrino). Kini entitas baru ditambahkan ke dalamnya, yakni gelombang gravitasi. Terdeteksinya gelombang gravitasi saat ini juga menunjukkan (sekali lagi) bahwa lubang hitam, benda langit eksotik yang diramalkan relativitas umum, memang terbukti ada. Umat manusia memang takkan sanggup melihatnya melalui cahaya yang dipancarkannya, karena dari sinilah nama lubang hitam itu berakar. Namun dengan gravitasinya, lubang hitam sanggup memperlihatkan diri. Selama ini kita mencoba memahami eksistensi lubang hitam berdasarkan tarikan gravitasinya terhadap benda-benda langit disekitarnya hingga menghasilkan pola yang khas. Namun eksistensi gelombang gravitasi membuka jendela baru dalam memahami lubang hitam.

Gambar 9. Areal lokasi tempat dua lubang hitam yang bertubrukan dalam tempo 1,3 milyar tahun silam di langit selatan dan meghasilkan gelombang gravitasi yang terdeteksi pada 2015 TU silam. Karena hanya terdeteksi oleh dua observatorium gelombang gravitasi yang aktif saat itu, maka dimana persisnya lokasi tubrukan tidak dapat ditentukan secara lebih teliti. Nampak posisi dua bintang terang: Canopus dan Sirius. Sumber: Space.com, 2016.

Gambar 9. Areal lokasi tempat dua lubang hitam yang bertubrukan dalam tempo 1,3 milyar tahun silam di langit selatan dan meghasilkan gelombang gravitasi yang terdeteksi pada 2015 TU silam. Karena hanya terdeteksi oleh dua observatorium gelombang gravitasi yang aktif saat itu, maka dimana persisnya lokasi tubrukan tidak dapat ditentukan secara lebih teliti. Nampak posisi dua bintang terang: Canopus dan Sirius. Sumber: Space.com, 2016.

Di atas semua implikasi ilmiah tersebut, ada implikasi praktis dalam ranah antropis. Beruntung dua lubang hitam yang bertubrukan itu terletak sangat jauh dari kita, dalam jarak 1,3 milyar tahun cahaya. Andaikata sangat dekat, bencana tak terperi bakal menerpa Bumi kita dan bahkan segenap penjuru tata surya. Andaikata tubrukan tersebut terjadi di tempat yang cukup dekat, katakanlah hanya berjarak 100 tahun cahaya dari Bumi kita, riak-riak di ruang-waktu hasil tubrukan itu akan demikian mendistorsi ruang-waktu tempat Bumi kita berada akibat amplitudo gelombang gravitasinya masih sangat besar.

Referensi :

Abbott dkk. 2016. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Phys. Rev. Lett. 116: 061102.

Possel. 2016. Gravitational Wave Detector: How They Work. Universe Today, 10 Februari 2016.

O’Neill. 2016. Where Did Those Gravitational Waves Come From? There’s a Map. Space.com, 12 Februari 2016.

Hentschel. 1992. Erwin Finlay Freundlich and Testing Einstein’s Theory of Relativity. Archive for History of Exact Sciences June 1994, Volume 47, Issue 2, pp 143-201.

Morison. 2008.Introduction to Astronomy and Cosmology. John Wiley & Sons, West Sussex, United Kingdom

Melongok Berjajarnya Mars dan Spica

Pada Senin 14 Juli 2014 lalu dua buah benda langit yang cukup terang memiliki posisi saling berdekatan demikian rupa sehingga nampak berjajar di langit setelah Matahari terbenam, laksana permata menghiasi malam. Kedua benda langit itu cukup populer. Yang pertama adalah Mars, si planet merah, planet tetangga terdekat kedua bagi Bumi kita sekaligus planet terfavorit dalam aktivitas eksplorasi antariksa yang diselenggarakan umat manusia. Pada saat ini Mars memang kering kerontang, berdebu dan berangin. Namun dari guratan-guratan berskala besar yang teramati dipermukaannya dan ditunjang oleh hasil endusan dan pengeboran robot-robot penjelajah yang beroperasi di sana, baik yang masih aktif maupun tidak, kita mengetahui bahwa air dalam bentuk cair dan dalam jumlah yang sangat besar pernah mengalir dan menggenangi lembah dan lansekap planet merah ini pada era tertentu di masa silam. Kehadiran air dalam bentuk cair tentu menggamit salah satu pertanyaan terpenting bagi peradaban manusia modern: adakah kehidupan di sana? Mengingat air dalam wujud cair adalah substansi yang sangat krusial dalam menopang tumbuh-kembangnya kehidupan di Bumi kita.

Benda langit yang kedua adalah Spica, bintang terang yang menjadi ratunya gugusan bintang Virgo. Spica segalanya melebihi apa yang menjadi identitas Matahari kita. Ia 10 kali lipat lebih besar, hampir 1.000 kali lipat lebih berisi (bervolume), tiga kali lipat lebih panas (permukaannya) dan melepaskan energi dalam jumlah hampir 15.000 kali lipat lebih besar ketimbang Matahari. Mujur bagi kita, Spica yang dahsyat ini berjarak 463 tahun cahaya dari Bumi kita. Setahun cahaya adalah jarak yang ditempuh berkas cahaya dalam waktu setahun penuh, yang setara dengan 9,46 trilyun kilometer. Dengan begitu Spica yang dahsyat ini berposisi amat sangat jauh dari Bumi kita, yakni berjarak hingga 4.380 trilyun kilometer, sehingga hanya nampak sebagai titik cahaya dengan magnitudo (tingkat terang) semu sekitar +1.

Gambar 1. Bintang Spica (kiri) dan planet Mars (kanan) pada saat berkonjungsi 14 Juli 2014 lalu, diabadikan dengan Nikon D60 + 70 mm tanpa penjejakan (tracking). Panduan arah, kanan = utara, bawah = barat. Sumber: Sudibyo, 2014.

Gambar 1. Bintang Spica (kiri) dan planet Mars (kanan) pada saat berkonjungsi 14 Juli 2014 lalu, diabadikan dengan Nikon D60 + 70 mm tanpa penjejakan (tracking). Panduan arah, kanan = utara, bawah = barat. Sumber: Sudibyo, 2014.

Astronomi menyebut momen saat dua buah benda langit berjajar sebagai konjungsi. Konjungsi benda langit tertentu memiliki makna signifikan dalam ranah kultural maupun religius yang jauh melampaui batas-batas astronomi, misalnya konjungsi Bulan-Matahari dalam momen penentuan awal bulan kalender Hijriyyah bagi Umat Islam. Namun konjungsi Mars dan Spica tidaklah demikian. Tak ada makna kultural yang menyertainya. Tetapi berjajarnya dua benda langit yang hampir sama terangnya menghiasi langit terlihat di dekat puncak kubah langit selepas terbenamnya sang mentari menjadikannya mudah diidentifikasi dan dinikmati oleh manusia siapapun. Tentu saja pada saat langit cerah.

Gambar 2. Planet Mars, diabadikan dengan Nikon D60 + 70 mm tanpa penjejakan (tracking) pada 14 Juli 2014 dan citranya lantas diperbesar 400 %. Nampak warna kemerah-merahan yang mendominasi. Panduan arah, kanan = utara, bawah = barat. Sumber: Sudibyo, 2014.

Gambar 2. Planet Mars, diabadikan dengan Nikon D60 + 70 mm tanpa penjejakan (tracking) pada 14 Juli 2014 dan citranya lantas diperbesar 400 %. Nampak warna kemerah-merahan yang mendominasi. Panduan arah, kanan = utara, bawah = barat. Sumber: Sudibyo, 2014.

Konjungsi Mars dan Spica sejatinya telah terjadi pada 14 Juli 2014 pukul 09:00 WIB, saat keduanya menempati garis bujur ekliptika yang sama dalam tata koordinat langit. Namun dengan gerak semu Mars yang relatif lambat, maka pada malam harinya pun kedua benda langit tersebut masih terkesan berjejer berdekatan, hanya dipisahkan oleh jarak sudut (elongasi) sebesar 1,3 derajat. Ini menjadikannya ideal untuk diamati menggunakan teleskop kecil. Yakni teleskop-teleskop yang memiliki medan pandang relatif lebar. Kesempatan makin terbuka saat langit malam pulau Jawa pada 14 Juli 2014 cukup cerah meski sebagian besar kawasan Indonesia sedang tersaput mendung seiring gangguan atmosferik akibat berkecamuknya topan Ramassun (Glenda)yang sedang berpilin menghimpun kekuatan di Samudera Pasifik lepas pantai utara Kepulauan Maluku.

Gambar 3. Bintang Spica, diabadikan dengan Nikon D60 + 70 mm tanpa penjejakan (tracking) pada 14 Juli 2014. Berbeda dengan Mars, bintang ini didominasi warna kebiru-biruan, menandakan suhu permukaannya cukup tinggi melampaui suhu permukaan Matahari. Panduan arah, kanan = utara, bawah = barat. Sumber: Sudibyo, 2014.

Gambar 3. Bintang Spica, diabadikan dengan Nikon D60 + 70 mm tanpa penjejakan (tracking) pada 14 Juli 2014. Berbeda dengan Mars, bintang ini didominasi warna kebiru-biruan, menandakan suhu permukaannya cukup tinggi melampaui suhu permukaan Matahari. Panduan arah, kanan = utara, bawah = barat. Sumber: Sudibyo, 2014.

Menggunakan teleskop refraktor dengan lensa obyektif berdiameter 70 mm yang dirangkaikan dengan kamera, konjungsi Mars dan Spica pun berhasil diabadikan dengan teknik fokus prima. Keduanya nampak gemilang, hampir sama terang, namun tetap membawa ciri khasnya masing-masing. Mars terlihat kemerah-merahan sementara sebaliknya Spica nampak cemerlang kebiruan.

Gambar 4. Tutupan awan di atas Asia Tenggara pada 14 Juli 2014 malam seiring berkecamuknya topan Ramasun. Nampak seluruh pulau Jawa, kecuali area Surabaya dan madura, terbebas dari tutupan awan. Maka konjungsi Mars dan Spica pun dapat teramati di sini. Sumber: JMA, 2014.

Gambar 4. Tutupan awan di atas Asia Tenggara pada 14 Juli 2014 malam seiring berkecamuknya topan Ramasun. Nampak seluruh pulau Jawa, kecuali area Surabaya dan madura, terbebas dari tutupan awan. Maka konjungsi Mars dan Spica pun dapat teramati di sini. Sumber: JMA, 2014.

Mars masih akan terkesan berdekatan dengan Spica hingga setidaknya 20 Juli 2014 mendatang. Meskipun sejatinya semenjak konjungsi 14 Juli 2014 lalu, planet merah ini mulai beringsut menjauhi Spica. Ia akan terus menjauh hingga kelak bakal mengalami konjungsi selanjutnya dengan benda langit lain pada 25 Agustus 2014, yakni bersama si raksasa bercincin: Saturnus.