Kredit gambar: Chandra
Bayangkan membuat teleskop alami lebih kuat daripada teleskop lain yang beroperasi saat ini. Lalu bayangkan menggunakannya untuk melihat lebih dekat ke tepi lubang hitam di mana mulutnya seperti jet yang membentuk partikel bermuatan sangat panas dan meludahkan mereka jutaan tahun cahaya ke ruang angkasa. Tugas itu tampaknya akan membawa seseorang ke ujung tanpa-kembali, sebuah titik ganas empat miliar tahun cahaya dari Bumi. Tempat itu disebut quasar bernama PKS 1257-326. Twinkle samar di langit diberi nama yang lebih menarik dari 'blazar', yang berarti itu adalah quasar yang bervariasi secara dramatis dalam kecerahan, dan mungkin menutupi lubang hitam batin yang lebih misterius, lebih dalam dari kekuatan gravitasi yang sangat besar.
Panjang teleskop yang diperlukan untuk mengintip ke dalam mulut blazar harus raksasa, sekitar satu juta kilometer lebarnya. Tetapi lensa alami semacam itu telah ditemukan oleh tim astronom Australia dan Eropa; lensanya luar biasa, awan gas. Gagasan tentang teleskop alami yang luas tampaknya terlalu elegan untuk dihindari.
Teknik ini, dijuluki 'Earth-Orbit Synthesis', pertama kali digariskan oleh Dr Jean-Pierre Macquart dari University of Groningen di Belanda dan Dr David Jauncey dari CSIRO dalam sebuah makalah yang diterbitkan pada tahun 2002. Teknik baru ini menjanjikan para peneliti kemampuan untuk menyelesaikan masalah. sekitar 10 microarcseconds di - setara dengan melihat gula batu di Bulan, dari Bumi.
"Itu seratus kali lebih detail daripada yang dapat kita lihat dengan teknik astronomi saat ini," kata Dr. Hayley Bignall, yang baru saja menyelesaikan PhD-nya di University of Adelaide dan sekarang di JIVE, Institut Bersama untuk Interferometri Baseline Sangat Panjang di Eropa. "Ini sepuluh ribu kali lebih baik daripada yang bisa dilakukan Teleskop Luar Angkasa Hubble. Dan itu sama kuatnya dengan semua teleskop optik dan sinar-X yang diusulkan di masa depan. "
Bignall melakukan pengamatan dengan teleskop radio Compact Array CSIRO Australia di Australia bagian timur. Ketika dia merujuk ke microarcsecond, itu adalah ukuran ukuran sudut, atau seberapa besar suatu benda terlihat. Jika misalnya langit dibagi dengan derajat sebagai belahan bumi, satuan ini sekitar sepertiga dari sepersejuta dari satu derajat.
Bagaimana cara kerja teleskop terbesar? Menggunakan kekenyalan di dalam awan gas tidak sepenuhnya asing bagi pengamat malam. Seperti turbulensi atmosfer yang membuat bintang-bintang berkelap-kelip, galaksi kita sendiri memiliki atmosfir partikel bermuatan serupa yang mengisi kekosongan di antara bintang-bintang. Penggumpalan gas ini secara alami dapat membentuk lensa, seperti halnya perubahan kepadatan dari udara ke kaca yang tertekuk dan memfokuskan cahaya pada apa yang pertama kali dilihat oleh Galileo ketika ia mengarahkan teleskop pertamanya ke arah bintang. Efeknya juga disebut kilau, dan awan bertindak seperti lensa.
Melihat lebih baik daripada orang lain mungkin luar biasa, tetapi bagaimana memutuskan ke mana harus mencari pertama? Tim ini sangat tertarik menggunakan ‘Bumi-Orbit Sintesis’ untuk mengintip mendekati lubang hitam di quasar, yang merupakan inti super terang dari galaksi jauh. Quasar-quasar ini membuat sudut-sudut kecil di langit menjadi sekadar titik cahaya atau emisi radio. Pada panjang gelombang radio, beberapa quasar cukup kecil untuk berkelap-kelip di atmosfer partikel bermuatan Galaxy kita, yang disebut media antarbintang terionisasi. Quasar berkelap-kelip atau bervariasi jauh lebih lambat daripada yang berkelip-kelip yang mungkin dikaitkan dengan bintang yang terlihat. Jadi pengamat harus bersabar untuk melihatnya, bahkan dengan bantuan teleskop paling kuat. Perubahan apa pun dalam waktu kurang dari sehari dianggap cepat. Scintillator tercepat memiliki sinyal yang dua kali lipat atau tiga kali lipat dalam waktu kurang dari satu jam. Faktanya, pengamatan terbaik yang dilakukan sejauh ini mendapat manfaat dari gerakan tahunan Bumi, karena variasi tahunan memberikan gambaran lengkap, berpotensi memungkinkan para astronom untuk melihat perubahan dahsyat di mulut jet black-hole. Itulah salah satu tujuan tim: “untuk melihat dalam waktu sepertiga dari satu tahun cahaya dari pangkalan salah satu jet ini,” menurut Dr David Jauncey dari CSIRO. "Itulah 'ujung bisnis' tempat jet dibuat."
Tidak mungkin untuk "melihat" ke dalam lubang hitam, karena bintang-bintang yang runtuh ini sangat padat, sehingga gravitasi mereka yang terlalu kuat bahkan tidak memungkinkan cahaya untuk melarikan diri. Hanya perilaku materi di luar cakrawala yang agak jauh dari lubang hitam yang dapat memberi sinyal bahwa mereka bahkan ada. Teleskop terbesar dapat membantu para astronom memahami ukuran jet di dasarnya, pola medan magnet di sana, dan bagaimana jet berkembang dari waktu ke waktu. “Kami bahkan dapat mencari perubahan saat materi tersesat di dekat lubang hitam dan menyembur di sepanjang jet,” kata Dr Macquart.
Majalah Astrobiology memiliki kesempatan untuk berbicara dengan Hayley Bignall tentang cara membuat teleskop dari awan gas, dan mengapa mengintip lebih dalam dari siapa pun sebelumnya dapat menawarkan wawasan tentang peristiwa luar biasa di dekat lubang hitam. Astrobiology Magazine (AM): Bagaimana Anda pertama kali tertarik menggunakan awan gas sebagai bagian dari fokus alami untuk menyelesaikan objek yang sangat jauh?
Hayley Bignall (HB): Gagasan untuk menggunakan kilau antarbintang (ISS), sebuah fenomena yang disebabkan oleh hamburan gelombang radio dalam “awan” gas Galaksi yang terionisasi, untuk menyelesaikan objek yang sangat jauh dan padat, benar-benar mewakili konvergensi dari beberapa objek yang berbeda. jalur penelitian, jadi saya akan menguraikan sedikit latar belakang sejarah.
Pada 1960-an, astronom radio menggunakan jenis kilau lain, kilau antarplanet, karena penghamburan gelombang radio dalam angin matahari, untuk mengukur sub-busur busur (1 busur busur = 1/3600 derajat) ukuran sudut untuk sumber radio. Ini adalah resolusi yang lebih tinggi daripada yang bisa dicapai dengan cara lain pada saat itu. Tetapi studi-studi ini sebagian besar jatuh di pinggir jalan dengan munculnya Very Long Baseline Interferometry (VLBI) pada akhir 1960-an, yang memungkinkan pencitraan langsung sumber radio dengan resolusi sudut yang jauh lebih tinggi - hari ini, VLBI mencapai resolusi lebih baik daripada miliar detik.
Saya pribadi tertarik pada potensi penggunaan kilau antarbintang melalui keterlibatan dalam studi variabilitas sumber radio - khususnya, variabilitas "blazar". Blazar adalah nama yang mudah diaplikasikan pada beberapa quasar dan objek BL Lacertae - yaitu, Active Galactic Nuclei (AGN), mungkin mengandung lubang hitam supermasif sebagai "mesin utama" mereka, yang memiliki semburan kuat partikel berenergi, terpancar yang menunjuk hampir lurus ke arah kita .
Kita kemudian melihat efek sinar relativistik dalam radiasi dari jet, termasuk variabilitas cepat dalam intensitas di seluruh spektrum elektromagnetik, dari radio ke sinar gamma energi tinggi. Sebagian besar variabilitas yang diamati pada objek-objek ini dapat dijelaskan, tetapi ada masalah: beberapa sumber menunjukkan variabilitas radio intra-hari yang sangat cepat. Jika variabilitas skala waktu yang pendek pada panjang gelombang (sentimeter) seperti itu adalah intrinsik untuk sumber, mereka akan terlalu panas untuk bertahan selama bertahun-tahun, seperti yang diamati oleh banyak orang. Sumber yang panas harus memancarkan semua energinya dengan sangat cepat, seperti sinar-X dan sinar gamma. Di sisi lain, sudah diketahui bahwa kilau antarbintang mempengaruhi gelombang radio; jadi pertanyaan apakah variabilitas radio yang sangat cepat itu sebenarnya ISS, atau intrinsik dengan sumbernya, adalah yang penting untuk diselesaikan.
Selama penelitian PhD saya, saya menemukan, secara kebetulan, variabilitas cepat di quasar (blazar) PKS 1257-326, yang merupakan salah satu dari tiga variabel radio tercepat yang pernah diamati oleh AGN. Rekan-rekan saya dan saya dapat menunjukkan secara meyakinkan bahwa variabilitas radio yang cepat adalah karena ISS [kilau]. Kasus untuk sumber khusus ini ditambahkan ke bukti pemasangan bahwa variabilitas radio intra-hari secara umum sebagian besar disebabkan oleh ISS.
Sumber yang menunjukkan ISS harus berukuran sangat kecil, microarcsecond, sudut. Pengamatan ISS pada gilirannya dapat digunakan untuk "memetakan" struktur sumber dengan resolusi microarcsecond. Ini adalah resolusi yang jauh lebih tinggi daripada yang dapat dicapai VLBI. Teknik ini diuraikan dalam sebuah makalah tahun 2002 oleh dua rekan saya, Dr Jean-Pierre Macquart dan Dr David Jauncey.
Quasar PKS 1257-326 terbukti menjadi "kelinci percobaan" yang sangat bagus untuk menunjukkan bahwa teknik ini benar-benar berfungsi.
SAYA: Prinsip-prinsip kilau terlihat oleh siapa pun bahkan tanpa teleskop, betul - di mana bintang berkelap-kelip karena menutupi sudut yang sangat kecil di langit (berada sangat jauh), tetapi sebuah planet di tata surya kita tidak terlihat jelas? Apakah ini perbandingan prinsip yang adil untuk memperkirakan jarak secara visual dengan kilau?
HB: Perbandingan dengan melihat bintang berkelap-kelip sebagai hasil dari kilau atmosfer (karena turbulensi dan fluktuasi suhu di atmosfer Bumi) adalah adil; Fenomena dasarnya sama. Kami tidak melihat planet-planet berkelap-kelip karena mereka memiliki ukuran sudut yang jauh lebih besar - kilau itu "ternoda" di atas diameter planet. Dalam hal ini, tentu saja, itu karena planet-planet itu sangat dekat dengan kita sehingga mereka lebih besar dari sudut di langit daripada bintang.
Namun, kilau tidak benar-benar berguna untuk memperkirakan jarak ke quasar: objek yang lebih jauh tidak selalu memiliki ukuran sudut yang lebih kecil. Sebagai contoh, semua pulsar (bintang neutron berputar) di Galaxy kita sendiri berkilauan karena mereka memiliki ukuran sudut yang sangat kecil, jauh lebih kecil daripada quasar mana pun, meskipun quasar sering miliaran tahun cahaya jauhnya. Bahkan, kilau telah digunakan untuk memperkirakan jarak pulsar. Tetapi untuk quasar, ada banyak faktor selain jarak yang mempengaruhi ukuran sudutnya, dan untuk memperumit masalah lebih lanjut, pada jarak kosmologis, ukuran sudut suatu objek tidak lagi bervariasi sebagai kebalikan dari jarak. Secara umum cara terbaik untuk memperkirakan jarak ke quasar adalah dengan mengukur pergeseran merah dari spektrum optiknya. Lalu kita dapat mengonversi skala sudut yang diukur (mis. Dari pengamatan kilau atau VLBI) menjadi skala linier pada pergeseran merah sumber.
SAYA: Teleskop seperti dijelaskan menawarkan contoh quasar yang merupakan sumber radio dan diamati bervariasi sepanjang tahun. Apakah ada batasan alami untuk jenis sumber atau lamanya pengamatan?
HB: Ada cut-off ukuran sudut, di luar kilau yang "padam". Seseorang dapat menggambarkan distribusi kecerahan sumber radio sebagai sekelompok "tambalan" yang berdiri sendiri dengan ukuran tertentu, sehingga ketika sumbernya bertambah besar, jumlah tambalan tersebut meningkat, dan akhirnya kilau pada semua tambalan rata-rata habis sehingga kami berhenti mengamati variasi apa pun. Dari pengamatan sebelumnya kita tahu bahwa untuk sumber extragalactic, bentuk spektrum radio memiliki banyak kaitan dengan seberapa kompaknya sumber - sumber dengan spektrum radio "flat" atau "terbalik" (mis. Kerapatan fluks yang meningkat menuju panjang gelombang yang lebih pendek) umumnya paling kompak. Ini juga cenderung menjadi sumber tipe "blazar".
Sejauh pengamatan berlangsung, perlu untuk mendapatkan banyak sampel independen dari pola kilau. Ini karena kilau adalah proses stokastik, dan kita perlu mengetahui beberapa statistik proses untuk mengekstraksi informasi yang berguna. Untuk kilau cepat seperti PKS 1257-326, kita bisa mendapatkan sampel yang memadai dari pola kilau hanya dari satu, sesi pengamatan khas 12 jam. Scintillator yang lebih lambat perlu diamati selama beberapa hari untuk mendapatkan informasi yang sama. Namun, ada beberapa yang tidak diketahui untuk dipecahkan, seperti kecepatan curah "layar" yang tersebar di medium antarbintang Galactic (ISM). Dengan mengamati pada interval yang berjarak lebih dari satu tahun penuh, kita dapat menyelesaikan kecepatan ini - dan yang penting, kita juga mendapatkan informasi dua dimensi tentang pola kilau dan karenanya struktur sumber. Saat Bumi mengelilingi Matahari, kita secara efektif memotong pola kilau pada sudut yang berbeda, karena kecepatan relatif Bumi / ISM bervariasi sepanjang tahun. Kelompok penelitian kami menjuluki teknik ini "Sintesis Orbital Bumi", karena analog dengan "sintesis rotasi bumi", teknik standar dalam interferometri radio.
SAYA: Perkiraan terbaru untuk jumlah bintang di langit memperkirakan bahwa ada sepuluh kali lebih banyak bintang di alam semesta yang diketahui daripada butiran pasir di Bumi. Bisakah Anda menjelaskan mengapa jet dan lubang hitam menarik sebagai objek yang sulit dipecahkan, bahkan menggunakan teleskop ruang angkasa saat ini dan masa depan seperti Hubble dan Chandra?
HB: Objek yang kita pelajari adalah beberapa fenomena paling energetik di alam semesta. AGN dapat mencapai ~ 1013 (10 pangkat 13, atau 10.000 triliun) kali lebih bercahaya daripada Matahari. Mereka adalah "laboratorium" unik untuk fisika energi tinggi. Para ahli astrofisika ingin sepenuhnya memahami proses yang terlibat dalam pembentukan jet yang sangat kuat ini dekat dengan lubang hitam supermasif pusat. Menggunakan kilau untuk menyelesaikan bagian dalam jet radio, kami mengintip dekat ke "nozzle" di mana bentuk jet - lebih dekat ke tindakan daripada yang bisa kita lihat dengan teknik lain!
SAYA: Dalam makalah penelitian Anda, Anda menunjukkan bahwa seberapa cepat dan seberapa kuat sinyal radio bervariasi tergantung pada ukuran dan bentuk sumber radio, ukuran dan struktur awan gas, kecepatan dan arah bumi saat bergerak mengelilingi Matahari, dan kecepatan dan arah perjalanan awan gas. Adakah asumsi bawaan tentang bentuk 'lensa' awan gas atau bentuk objek yang diamati yang dapat diakses dengan teknik ini?
Nebula Cincin, meskipun tidak berguna untuk dicitrakan, memiliki tampilan sugestif dari lensa teleskop yang jauh. Jarak 2.000 tahun cahaya ke arah rasi bintang, Lyra, cincin ini terbentuk pada tahap akhir kehidupan bintang dalam, ketika ia melepaskan lapisan gas luar yang tebal dan meluas. Kredit: NASA Hubble HST
HB: Daripada memikirkan awan gas, mungkin lebih akurat untuk menggambarkan "layar" perubahan fase gas terionisasi, atau plasma, yang mengandung banyak sel turbulensi. Asumsi utama yang masuk ke dalam model adalah bahwa skala ukuran fluktuasi turbulen mengikuti spektrum hukum-kekuasaan - ini tampaknya merupakan asumsi yang masuk akal, dari apa yang kita ketahui tentang sifat umum turbulensi. Turbulensi dapat secara istimewa memanjang ke arah tertentu, karena struktur medan magnet dalam plasma, dan pada prinsipnya kita bisa mendapatkan beberapa informasi tentang ini dari pola kilau yang diamati. Kami juga mendapatkan beberapa informasi dari pola kilau tentang bentuk objek yang diamati, sehingga tidak ada asumsi bawaan tentang itu, meskipun pada tahap ini kami hanya dapat menggunakan model yang cukup sederhana untuk menggambarkan struktur sumber.
SAYA: Apakah scintillator cepat merupakan target yang baik untuk memperluas kemampuan metode ini?
HB: Scintillator cepat bagus hanya karena mereka tidak memerlukan waktu pengamatan sebanyak scintillator yang lebih lambat untuk mendapatkan jumlah informasi yang sama. Tiga scintillator "intra-jam" pertama telah mengajari kami banyak hal tentang proses kilau dan tentang bagaimana melakukan "Sintesis Orbit Bumi".
SAYA: Apakah ada kandidat tambahan yang direncanakan untuk pengamatan di masa depan?
HB: Rekan-rekan saya dan saya baru-baru ini melakukan survei besar-besaran, menggunakan Very Large Array di New Mexico, untuk mencari sumber radio baru yang gemerlap. Hasil pertama dari survei ini, dipimpin oleh Dr Jim Lovell dari Australia National Telescope National Facility (ATNF) CSIRO, baru-baru ini diterbitkan dalam Astronomical Journal (Oktober 2003). Dari 700 sumber radio spektrum datar yang diamati, kami menemukan lebih dari 100 sumber yang menunjukkan variabilitas intensitas yang signifikan selama periode 3 hari. Kami melakukan pengamatan lanjutan untuk mempelajari lebih lanjut tentang struktur sumber pada skala ultra-kompak, mikro-detik. Kami akan membandingkan hasil ini dengan properti sumber lain seperti emisi pada panjang gelombang lain (optik, sinar-X, sinar gamma), dan struktur pada skala spasial yang lebih besar, seperti yang terlihat dengan VLBI. Dengan cara ini kami berharap dapat mempelajari lebih lanjut tentang sumber-sumber suhu kecerahan yang sangat kompak dan tinggi ini, dan juga, dalam prosesnya, mempelajari lebih lanjut tentang sifat-sifat media antarbintang Galaxy kita sendiri.
Tampaknya alasan untuk kilau sangat cepat di beberapa sumber adalah bahwa "layar hamburan" plasma menyebabkan sebagian kilau cukup dekat, dalam 100 tahun cahaya dari tata surya. "Layar" terdekat ini tampaknya cukup langka. Survei kami menemukan sangat sedikit scintillator cepat, yang agak mengejutkan karena dua dari tiga scintillator tercepat yang diketahui ditemukan secara kebetulan. Kami pikir mungkin ada lebih banyak sumber seperti itu!
Sumber Asli: Majalah Astrobiology
