Katai putih (tengah) dan pulsar pendampingnya membuat laboratorium gravitasi alami yang luar biasa. Mark Myers/OzGrav

Faktor lengkung: hasil pengamatan bintang berputar yang mengubah struktur ruang dan waktu

Salah satu prediksi teori relativitas umum Einstein adalah bahwa benda apa pun yang berputar akan menarik dan mengubah susunan atau struktur ruang-waktu di sekelilingnya. Hal ini dikenal sebagai “frame-dragging” atau “tarikan kerangka”.

Dalam kehidupan sehari-hari, tarikan kerangka tidak terdeteksi dan tidak penting karena efeknya sangat kecil. Untuk mendeteksi tarikan kerangka yang seluruhnya disebabkan oleh putaran bumi, kita membutuhkan satelit seperti Gravity Probe B senilai US$750 juta dan pendeteksian perubahan sudut pada giroskop yang setara dengan hanya satu derajat setiap 100.000 tahun atau lebih.


Read more: Explainer: Einstein's Theory of General Relativity


Beruntungnya bagi kita, alam semesta mengandung banyak laboratorium gravitasi yang terjadi secara alami sehingga membuat para fisikawan dapat mengamati prediksi Einstein hanya dari bumi dan dengan hasil sangat rinci. Penelitian tim kami, yang dipublikasikan baru-baru ini di Science, mengungkapkan bukti tarikan kerangka pada skala yang jauh lebih nyata, dengan menggunakan teleskop radio dan sepasang bintang rapat dan spesifik yang bergerak saling mengitari satu sama lain pada kecepatan yang tidak tentu.

Gerakan bintang-bintang ini akan membingungkan para astronom pada era Newton, karena mereka jelas bergerak dalam ruang-waktu yang melengkung. Hal ini membutuhkan teori relativitas umum Einstein untuk menjelaskan lintasan gerakan mereka.

Sistem biner bintang pulsar kerdil/katai putih PSR J1141-6545 ditemukan oleh teleskop radio Parkes milik CSIRO. Pulsar mengorbit pada pendamping kerdil putihnya setiap 4,8 jam. Rotasi cepat kerdil putih menyeret ruang-waktu di sekitarnya, menyebabkan seluruh orbit jatuh di ruang angkasa. Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)

Relativitas umum merupakan fondasi teori gravitasi modern. Ia menjelaskan dengan sangat tepat gerakan bintang, planet, satelit, dan bahkan aliran waktu. Salah satu prediksi yang kurang diketahui yakni benda yang berputar dapat menyeret atau menarik kerangka ruang-waktu di sekitarnya. Semakin cepat suatu objek berputar maka semakin masif dampaknya sehingga semakin kuat pula tarikan ruang-waktu.

Salah satu jenis objek yang sangat relevan dengan fenomena ini adalah white dwarf atau bintang katai putih. Objek ini merupakan inti sisa dari bintang mati yang dulunya pernah memiliki massa beberapa kali lebih besar dari massa matahari kita, namun mereka telah kehabisan bahan bakar hidrogen. Yang tersisa darinya mirip dengan ukuran bumi tapi memiliki massa ratusan hingga ribuan kali lipat lebih besar. Katai putih juga dapat berputar sangat cepat, berotasi setiap satu atau dua menit, tidak seperti Bumi yang berotasi tiap 24 jam.

Tarikan kerangka yang disebabkan oleh katai putih secara kasar 100 juta kali lebih kuat dari yang dihasilkan oleh Bumi.

Kita tidak dapat bisa terbang ke katai putih dan meluncurkan satelit di sekitarnya. Namun, alam semesta sangat baik bagi para astronom dan memiliki cara tersendiri yang membuat mereka tetap dapat diamati, salah satunya dengan pengamatan bintang yang mengorbitnya yang disebut pulsar.

Dua puluh tahun lalu, teleskop radio observatorium Parkes, milik lembaga riset sains dan industri Australia atau The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), menemukan pasangan bintang ganda yang terdiri dari sebuah katai putih (berukuran seperti Bumi namun 300.000 kali lebih berat) dan sebuah radio pulsar (hanya berukuran seperti satu kota namun dengan 400.000 kali lebih berat).

Dibandingkan dengan katai putih, pulsar merupakan jenis yang sama sekali berbeda. Mereka tidak terbuat dari atom konvensional, namun dari neutron yang terkemas rapat dan membuatnya sangat padat, berdensitas tinggi. Terlebih lagi, pulsar dalam penelitian kami berputar 150 kali setiap menitnya.

Ini berarti bahwa 150 kali setiap satu menit, sebuah “sinar mercusuar” gelombang radio yang dipancarkan oleh pulsar akan melewati titik di bumi saat ini dan menguntungkan untuk penelitian. Kami dapat menggunakannya untuk memetakan jalur pulsar saat ia mengorbit katai putih dengan cara mengetahui kecepatan cahaya dan mencatat kapan denyut gelombang tiba pada teleskop kami. Metode ini menungkapkan bahwa kedua bintang mengorbit satu sama lain dalam waktu kurang dari 5 jam.

Pasangan bintang ini, secara resmi diberi nama PSR J1141-6545, merupakan laboratorium gravitasi ideal. Sejak 2001, kami telah berkali-kali dalam setahun mengunjungi observatorium Parkes untuk memetakan orbit sistem ini yang menunjukkan banyak efek gravitasi Einstein.

Memetakan evolusi atau perubahan orbit bukan pekerjaan yang cocok untuk orang yang tidak sabar dan pengukuran kami memberikan hasil yang sangat tepat. Meskipun PSR J1141-6545 berjarak beberapa ratus kuadriliun kilometer jauhnya dari bumi (satu kuadriliun sama dengan sejuta miliar), kami tahu bahwa pulsar ini berotasi 2,5387230404 kali per detik dan orbitnya “berguling-guling” di angkasa. Ini berarti bidang orbitnya tidak tetap, dan berputar secara perlahan.

Bagaimana sistem ini terbentuk?

Ketika pasangan bintang lahir, bintang yang memiliki massa lebih besar akan mati lebih dulu dan sering kali membentuk katai putih. Sebelum bintang kedua mati, ia akan mentransfer materi ke bintang katai putih pasangannya. Hal ini membuat sebuah piringan terbentuk ketika material jatuh menuju katai putih dan membuatnya berputar semakin cepat, proses ini bertahan selama puluhan ribu tahun, hingga ia berputar setiap beberapa menit.

Gambaran tentang katai putih diputar oleh transfer materi dari pendampingnya. Material di permukaan bintang yang bengkak jatuh ke arah katai putih dan membentuk piringan materi yang bergerak begitu cepat sehingga menyebabkan bintang berputar dengan cepat. ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery

Pada kasus langka seperti kasus ini, bintang kedua dapat meledak menjadi supernova atau ledakan bintang dan hanya menyisakan pulsar. Katai putih yang berputar sangat cepat menarik kerangka ruang-waktu di sekitarnya, membuat bidang orbit pulsar miring sebagaimana ia juga tertarik ke dalamnya. Kemiringan ini yang kami amati melalui pemetaan yang sabar dari orbit pulsar.


Read more: We've detected new gravitational waves, we just don't know where they come from (yet)


Einstein sendiri mengira bahwa banyak dari prediksinya mengenai ruang dan waktu tidak akan pernah bisa diamati. Namun beberapa tahun terakhir telah terlihat penemuan revolusioner dan ekstrem dalam astrofisika, termasuk penemuan gelombang gravitasi dan pencitraan bayangan lubang hitam dengan jaringan teleskop di seluruh dunia. Penemuan-penemuan ini dibuat berkat fasilitas bernilai miliaran dolar.

Untungnya masih ada peran yang dapat diberikan oleh teleskop radio yang telah berumur 50 tahun seperti yang ada di obervatorium Parkes dalam mengeksplorasi teori relativitas umum Einstein. Dan tentunya hal ini juga didukung oleh pekerjaan yang penuh kesabaran dari berbagai generasi mahasiswa pascasarjana di sini.

This article was originally published in English

Want to write?

Write an article and join a growing community of more than 100,700 academics and researchers from 3,219 institutions.

Register now