Melihat beberapa tabung sinar-x kosmik mungkin hanya masalah perspektif

Sulit untuk melewatkan seberkas senter yang diarahkan langsung ke Anda. Namun jika dilihat dari samping, sinar ini tampak jauh lebih gelap. Hal yang sama berlaku untuk beberapa objek kosmik: seperti senter, mereka bersinar terutama dalam satu arah dan terlihat sangat berbeda tergantung pada apakah sinar diarahkan menjauh dari Bumi (dan teleskop luar angkasa terdekat) atau lurus ke sana.

Data baru dari observatorium ruang angkasa NuSTAR NASA menunjukkan bahwa fenomena ini berlaku untuk beberapa pemancar sinar-X paling terkenal di alam semesta lokal: sumber sinar-X ultraluminous, atau ULX. Sebagian besar objek kosmik, termasuk bintang, memancarkan sedikit cahaya sinar-X, terutama dalam rentang energi tinggi yang dilihat NuSTAR. Sebaliknya, ULX seperti mercusuar sinar-X yang menembus kegelapan. Untuk dianggap sebagai ULX, sebuah sumber harus memiliki luminositas sinar-X yang sekitar satu juta kali lebih terang dari total keluaran cahaya matahari (pada semua panjang gelombang). ULX sangat terang sehingga dapat dilihat jutaan tahun cahaya di galaksi lain.

Studi baru menunjukkan bahwa objek yang dikenal sebagai SS 433, yang berada di Bima Sakti dan hanya sekitar 20.000 tahun cahaya dari Bumi, adalah ULX, meskipun tampaknya sekitar 1.000 kali lebih gelap dari ambang batas minimum yang dianggap bisa.

Menurut penelitian, kelemahan ini adalah tipuan perspektif: sinar-X berenergi tinggi dari SS 433 awalnya tertutup dalam dua kerucut gas yang memanjang keluar dari sisi berlawanan dari objek pusat. Kerucut ini menyerupai mangkuk cermin yang mengelilingi bola lampu senter: mereka menggabungkan cahaya sinar-X dari SS 433 menjadi sinar sempit hingga muncul dan dikenali oleh NuSTAR. Namun, karena kerucut tidak mengarah langsung ke bumi, NuSTAR tidak dapat melihat kecerahan penuh objek tersebut.

Jika ULX yang relatif dekat dengan Bumi dapat menyembunyikan kecerahan sebenarnya karena orientasinya, maka kemungkinan besar ada lebih banyak ULX – terutama di galaksi lain – yang disamarkan dengan cara yang sama. Itu berarti populasi ULX secara keseluruhan harus jauh lebih besar daripada yang diamati para ilmuwan saat ini.

Kerucut kegelapan

Sekitar 500 ULX telah ditemukan di galaksi lain, dan jaraknya dari Bumi sering membuat hampir mustahil untuk mengetahui jenis objek apa yang menghasilkan sinar-X. Sinar-x kemungkinan berasal dari sejumlah besar gas yang dipanaskan hingga suhu ekstrem saat tertarik pada gravitasi objek yang sangat padat. Objek ini bisa berupa bintang neutron (sisa-sisa bintang yang runtuh) atau lubang hitam kecil yang massanya tidak lebih dari 30 kali massa matahari kita. Gas membentuk piringan di sekitar objek, seperti air yang mengorbit saluran pembuangan. Gesekan pada cakram meningkatkan suhu, menyebabkannya memancar dan terkadang menjadi sangat panas sehingga sistem sinar-X meledak. Semakin cepat material jatuh pada objek pusat, semakin terang sinar-X.

Para astronom menduga bahwa objek di jantung SS 433 adalah lubang hitam yang memiliki massa sekitar 10 kali matahari kita. Yang pasti adalah ia mengkanibal bintang besar di dekatnya, dengan gravitasinya yang menyedot material dengan kecepatan tinggi: dalam satu tahun, SS 433 mencuri tetangganya yang setara dengan kira-kira 30 kali massa Bumi, menjadikannya lubang hitam paling rakus atau bintang neutron yang dikenal galaksi kita.

“Benda ini sudah lama diketahui makan dengan kecepatan yang fenomenal,” kata Middleton. “Inilah yang membedakan ULX dari objek lain dan mungkin merupakan penyebab utama banyaknya sinar-X yang kita lihat dari objek tersebut.”

Objek di SS 433 memiliki mata yang lebih besar dari perutnya: ia mencuri lebih banyak materi daripada yang bisa digunakannya. Beberapa bahan berlebih terhempas dari piringan dan membentuk dua belahan di sisi yang berlawanan dari piringan. Di dalam masing-masing ada rongga berbentuk kerucut yang terbuka ke luar angkasa. Ini adalah kerucut yang menyatukan cahaya sinar-X berenergi tinggi menjadi sinar. Siapa pun yang melihat ke bawah salah satu kerucut akan melihat ULX yang jelas. Meskipun kerucut seluruhnya terbuat dari gas, mereka sangat tebal dan masif sehingga bertindak seperti kelongsong timah di ruang sinar-X, mencegah sinar-X melewatinya secara lateral.

Para ilmuwan telah menyarankan bahwa beberapa ULX mungkin tidak terlihat karena hal ini. SS 433 menawarkan kesempatan unik untuk menguji ide ini karena ia bergoyang di sekitar porosnya seperti puncak – sebuah proses yang oleh para astronom disebut sebagai presesi.

Sebagian besar waktu, kedua kerucut SS 433 menunjuk jauh dari bumi. Tetapi karena cara SS 433 melakukan presesi, kerucut secara berkala sedikit miring ke arah Bumi, sehingga para ilmuwan dapat melihat sebagian cahaya sinar-X keluar dari bagian atas kerucut. Dalam studi baru, para ilmuwan melihat bagaimana sinar-X yang diamati oleh NuSTAR berubah ketika SS 433 bergerak. Mereka menunjukkan bahwa jika kerucut terus miring ke arah Bumi sehingga para ilmuwan dapat melihatnya secara langsung, mereka akan melihat cahaya sinar-X yang cukup untuk secara resmi menetapkan SS 433 sebagai ULX.

Lubang hitam yang memberi makan dengan kecepatan ekstrim telah membentuk sejarah alam semesta kita. Lubang hitam supermasif, yang massanya jutaan hingga miliaran kali massa matahari, dapat berdampak besar pada galaksi induknya jika mereka makan. Pada awal sejarah alam semesta, beberapa lubang hitam masif ini mungkin memakan secepat SS 433 dan melepaskan sejumlah besar radiasi yang mengubah lingkungan setempat. Aliran keluar (seperti kerucut di SS 433) mendistribusikan materi yang pada akhirnya dapat membentuk bintang dan objek lainnya.

Tetapi karena raksasa pemakan cepat ini hidup di galaksi yang sangat jauh (yang berada di jantung Bima Sakti tidak makan banyak saat ini), mereka tetap sulit untuk dipelajari. Dengan SS 433, para ilmuwan telah menemukan contoh miniatur dari proses ini, lebih dekat ke rumah dan lebih mudah dipelajari, dan NuSTAR telah memberikan wawasan baru tentang aktivitas yang terjadi di sana.

“Ketika kami pertama kali meluncurkan NuSTAR, tidak ada yang mengharapkan ULX menjadi bidang penelitian yang kaya bagi kami,” kata Fiona Harrison, peneliti senior di NuSTAR dan profesor fisika di Caltech di Pasadena, California. “Tapi NuSTAR unik karena dapat melihat hampir seluruh rentang panjang gelombang sinar-X yang dipancarkan oleh objek-objek ini, dan itu memberi kita wawasan tentang proses ekstrem yang harus mendorongnya.”

NuSTAR adalah misi Penjelajah Kecil yang dipimpin oleh Caltech dan dikelola oleh Laboratorium Propulsi Jet NASA, sebuah divisi dari Caltech, untuk Direktorat Misi Sains badan tersebut di Washington. NuSTAR dikembangkan bekerja sama dengan Universitas Teknik Denmark dan Badan Antariksa Italia (ASI). Pesawat ruang angkasa itu dibangun oleh Orbital Sciences Corporation di Dulles, Virginia (sekarang bagian dari Northrop Grumman). Pusat Operasi Misi NuSTAR terletak di University of California, Berkeley, dan arsip data resmi terletak di Pusat Penelitian Arsip Sains Astrofisika Energi Tinggi NASA. ASI menyediakan stasiun bumi misi dan arsip cermin.