KORELASI ANTARA SPECTRAL BEHAVIOUR DAN TIMING PROPERTIES PADA LOW MASS X-RAY BINARIES (LMXBs)

Transkripsi

1 KORELASI ANTARA SPECTRAL BEHAVIOUR DAN TIMING PROPERTIES PADA LOW MASS X-RAY BINARIES (LMXBs) TUGAS AKHIR Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh Crystal Nuansa Aini NIM : Program Studi Astronomi FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 PENGESAHAN KORELASI ANTARA SPECTRAL BEHAVIOUR DAN TIMING PROPERTIES PADA LOW MASS X-RAY BINARIES (LMXBs) Oleh Crystal Nuansa Aini NIM : Program Studi Astronomi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung Menyetujui Pembimbing Tanggal... Pembimbing Dr. Mahasena Putra (NIP ) i

3 PEDOMAN PENGGUNAAN TUGAS AKHIR Tugas Akhir S1 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tugas akhir haruslah seizin Program Studi Astronomi, Institut Teknologi Bandung. ii

4 PERUNTUKKAN Life is a road and I want to keep going on,,, iii

5 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, penulis panjatkan syukur kepada Sang Pencipta Alam Raya ini. Setelah melewati berbagai kesibukan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, penulis akhirnya bisa bernapas lega. Penulis sangat khawatir karena di awal pengerjaan Tugas Akhir, progres yang dilakukan dirasa sangat lambat. Tugas Akhir ini merupakan tantangan yang cukup berat apalagi berjalan simultan dengan kuliah untuk menyelesaikan sks. Namun, semua itu penulis coba nikmati karena waktu tidak akan berulang. Selain itu, keberadaan pihak-pihak yang telah mendukung penulis sangatlah berharga. Ibu dan Apa, selaku orang tua penulis selalu memberikan semangat dan wejangan-wejangannya. Paksi, Virgin, Mica, dan tidak lupa si kecil Vanilla selalu menyemarakkan hati penulis dengan keramaian saat di rumah. Terima kasih penulis ucapkan dari yang terdalam. Tidak lupa penulis ucapkan terima kasih juga kepada: 1. Bapak Mahasena Putra, selaku dosen pembimbing yang selalu memberikan arahan dengan santai dan dengan pertanyaan-pertanyaan sederhana dan menggelitik yang seringkali tidak bisa dijawab penulis, memberikan motivasi dan semangat kepada penulis untuk terus belajar. 2. Bapak Dhani Herdiwijaya, sebagai dosen wali yang sabar dan seringkali direpotkan oleh penulis terutama saat hendak mengikuti Summer School di Utrecht, Belanda. 3. Bapak Hakim L. Malasan, sebagai penguji pada saat sidang. Dengan ketegasan beliau dan disiplin waktu, penulis jadi terbiasa dan juga paper yang telah dipinjamkan beliau, sangat membantu dalam mengerjakan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Djoni N. Dawanas, yang memberikan dasar-dasar Astrofisika dengan iv

6 caranya yang memotivasi penulis untuk mendalami fisika bintang. 5. Ibu Endang, Ibu Nana, Pak Yayan, Pak Irfan Hakim, Pak Suryadi, Pak Kunjaya, Pak Radiman, Pak Ikbal, Pak Hardja, Bu Hesti, Pak Budi dan Pak Taufik sebagai dosen-dosen pengajar di Astronomi karena ilmu yang sudah diberikan sangat bermanfaat bagi penulis. 6. Teman-teman angkatan 2004: Comet (Com2) yang sekelas terus dari jaman TPB, Meigi (Mei2) yang selalu kocak dan sodara seperguruan di bimbingan TA, Anggi (Anak Mami) yang bawel, cerewet, takut ujan, sayang mama, satu summerschool di Belanda, tukang bikin aib, tapi pada dasarnya baek dan care ma temen. Senasib seperjuangan slama ngerjain TA, stres bareng juga, hahaha..yah semoga slalu sukses bro, Todi (Uno) dengan kejujuran di setiap kondisi, kapan bisa ketemu lagi ya? Deva makasih sudah jadi kakak yang baik dan tempat curhat, Vany (Vanegh) ow..ow..ow..setiap bulan selalu shopping bersama dan saingan memperebutkan mister X. Makasih atas pinjaman laptopnya, van. Wawan (gondrong), ketua angkatan 2004 yang selalu jadi korban, makasih atas info-info dorama atau anime, Indri (muzle), nah loh??? Inilah yang jadi mama angkatnya penulis, kecil mungil, bisa duet bareng kalo nyanyi, Ade, Where are U??, Yuli (Yul-yul), mari kita nonton bersama pelem2 korea, Riga (iga-iga) wah anak yang stu ini berubah banget dibanding dulu pas TPB dengan koleksi nya, Irma (Mama) pertama kali kenal waktu TPB coz duduk sebelahan, kirain pendiem taunya malu2in. Trima kasih atas pinjaman laptopnya juga ya, sangat membantu dalam menulis draft TA dab revisi. Pokoknya kapan2 kita karaokean lagi. Lia (Li) ni anak baek banget ma siapapun dan belom pernah liat dia marah, Acyn (Cyn) mbo ya,kapan pulang dari Amrik sono? Johan (Jo2) parfumnya khas banget, Mora (Mor2) tukang ngebodor, garing gila, ketua bangsawan, jago nge-remake muka orang pake photoshop. Yah pokoknya baek kok orangnya, Hilman, Irfan (Ipenk), speaker nya udah menemani (minjem atau tambut gaduh, hehehehe), Fadli, Ichv

7 wan (Otong) sesama penggemar MCR, Gomgom, Joi (Whaaa.Joi dimana sekaran?). 7. Vaghwa Hasib Nata Praja, yang care banget lewat sms dan YM, slalu bersedia dengerin cerita ga jelas, makhluk kutub yang hobi hibernasi, seangkatan tapi lulus duluan, slalu ngehibur lewat candaan ringan. Smoga cita-citamu tercapai, Amin. 8. Resfaniarto Indraka, makasih atas pelajaran hidupnya yang sangat berharga lewat blog. Smoga kamu mendapatkan apa yang kamu cari. Nice Blog. 9. Soraya Dewi, sobat dari SD sampai sekarang, selalu menemani kalo belanja. 10. Prima Deffinika, yang slalu menjadi recycle bin penulis. Sambil makan di Nyawang, membicarakan tentang kaderisasi ditambah perdebatanperdebatan kecil, juga kritik pedas yang cukup membantu penulis untuk kembali bangkit saat menghadapi keruwetan selama kuliah. 11. Teman-teman Himastron, anak yang suka jalan2 bareng, Odji, Andang, Abin, Om Denny (kakak seperguruan), Om Evan, dan lainnya. 12. Teman-teman UATM yang GeJe dan Gila, Eki, Petra, Nicko (wisudanya bareng ni), Kornel (maep ya, duluan lulus, hehehe), Septi, Richie, Fikry, Awi, Brian, Iman (junior dan senior), Ronggo (pelatih yang cukup garing), Chairil, Lutfi, Resti, Fadli, Faris, Ami, Visi, Febi, dan teman-teman lainnya (maaf, kalo tidak disebutkan, tapi kenangan di UATM sangat berharga). 13. Temen-temen koalisi Save Bosscha. 14. Keluarga Besar Karyawan Observatorium Bosscha. 15. Pihak-pihak yang tidak dapat penulis tuliskan di sini namun sudah sangat mendukung penulis selama ini. vi

8 Penulis harap, langkah kaki ini tidak berhenti sampai di sini. Selama masih bisa berkarya, penulis akan selalu membutuhkan dukungan dari orang-orang sekitar. Semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat sampai kapanpun juga. Bandung, 29 Juni 2008 Crystal Nuansa Aini vii

9 ABSTRAK Penemuan fenomena Quasi Periodic Oscillation (QPO) pada GX 5-1 oleh van der Klis et al. (1985), mengantarkan para astronom untuk menganalisis kembali obyek-obyek Low Mass X-ray Binaries (LMXBs). Jika ditinjau dari diagram dua warna sinar-x, Hasinger (1989) menemukan pola huruf Z pada Cyg X-2 dan Sco X-1 dan menunjukkan QPO pada power spectral-nya. Namun, beberapa laporan lain menyatakan bahwa ada obyek-obyek LMXB yang tidak memiliki fenomena QPO. Hasinger dan van der Klis (1989) memberikan klasifikasi baru untuk sumber yang bukan Z. Dengan menganalisis karakteristik kedua sumber, perbedaan keduanya pun semakin tampak. Sumber Z, yang memiliki jejak huruf Z pada diagram dua warna sinar-x, dapat dibagi ke dalam 3 cabang, yakni Horizontal Branch, Normal Branch, dan Flaring Branch. Jika ditinjau berdasarkan power spectral density-nya, sumber Z menunjukkan QPO. Sementara untuk sumber Atoll, dibagi ke dalam 2 bagian yang terpisah, yaitu Island State dan Banana State, serta tidak menunjukkan QPO. Pengamatan terbaru menunjukkan bahwa sumber Atoll mirip dengan sumber Z pada diagram dua warna, dan terdapat wilayah transisi yang disebut Diagonal Branch. Ada beberapa asumsi yang membuat sumber Z dan sumber Atoll berbeda. Salah satu aspek yang akan dibahas pada Tugas Akhir ini yaitu laju akresi massa. Hasinger (1989) berpendapat bahwa sumber Z memiliki laju akresi dan luminositas yang tinggi. Sebaliknya, sumber Atoll memiliki laju akresi dan luminositas rendah. Untuk sampai pada kesimpulan seperti itu, masingmasing sumber ditinjau terlebih dahulu prilakunya. Vrtilek (1990) mencoba mengkorelasikan pengamatan antara UV dan sinar- X untuk sumber Z, Cyg X-2. Kemudian didapatkan laju akresi massa yang meningkat dari Horizontal Branch ke Flaring Branch. Untuk sumber Atoll, viii

10 Gierlinski dan Done (2001) mengambil data dari RXTE, yaitu Aql X-1, 4U , 4U , dan mendapatkan bahwa laju akresi massa meningkat dari Island State ke Banana State. Kata kunci: LMXB, QPO, Sumber Z, Sumber Atoll ix

11 ABSTRACT Quasi Periodic Oscillation (QPO) in GX 5-1 was discovered by van der Klis (1985). LMXB has been divided into two sources, Z and Atoll sources, based on correlations between their spectral behaviour and timing properties at X-ray wavelenghts (Hasinger and van der Klis, 1989). Hasinger and van der Klis has analyzed 16 LMXB, using data from EXOSAT. In the colour-colour diagram, we can know that Z source usually form a Z shape, and may be divided into three branch. Those are Horizontal Branch (HB), Normal Branch (NB) dan Flaring Branch (FB). From the same plot of colour-colour diagrams, we have another sources. Because it is similar with Atoll, so these source gave name Atoll Source. Differ from Z source, Atoll source just has two fragment like Island State and Banana State. Banana State has a Lower Banana and Upper Banana. Atoll sources did not show QPO phenomenon. Vrtilek (1990) has proved that in the Z sources, accretion rate increases monotically from HB to FB. Correlation between the observation of X-ray and UV revealed it. For Atoll source, accretion rate increases from Island State to Banana State (Gierlinski and Done, 2001), using three Atoll sources that Aql X-1, 4U and 4U , from RXTE. Keywords: LMXB, QPO, Z source, Atoll source x

12 DAFTAR ISI PENGESAHAN i PEDOMAN PENGGUNAAN TUGAS AKHIR ii PERUNTUKKAN iii KATA PENGANTAR iv ABSTRAK viii ABSTRACT x DAFTAR ISI xiii DAFTAR GAMBAR xvi DAFTAR TABEL xvii Bab I PENDAHULUAN 1 I.1 Latar Belakang I.2 Rumusan Masalah I.3 Metodologi I.4 Sistematika Penulisan Bab II Low Mass X-ray Binary 4 II.1 Bintang Kompak Dalam LMXB II.2 Bintang Pasangan xi

13 II.3 Piringan Akresi Bab III SATELIT SEBAGAI INSTRUMEN PENDUKUNG AS- TRONOMI SINAR-X 14 III.1 Misi EXOSAT III.1.1 Low Energy Imaging Telescope(LEIT) III.1.2 Medium Energy Proportional Counter(MEPC) III.1.3 Gas Scintillation Proportional Counter(GSPC) Bab IV SUMBER Z DAN SUMBER ATOLL 20 IV.1 Timing Properties IV.2 Spectral Behaviour IV.3 Analisis Fourier IV.3.1 Quasi Periodic Oscillation (QPO) IV.4 Sumber Z IV.4.1 Horizontal Branch (HB) IV.4.2 Normal Branch(NB) dan Flaring Branch(FB) IV.5 Sumber Atoll IV.5.1 Banana State IV.5.2 Island State Bab V PEMBAHASAN 37 xii

14 V.1 Telaah Terhadap Sumber Z V.2 Telaah Terhadap Sumber Atoll V.3 Teori Laju Akresi Massa Bab VI PENUTUP 50 VI.1 Kesimpulan VI.2 Saran DAFTAR PUSTAKA 52 xiii

15 DAFTAR GAMBAR II.1 Properti LMXB Dengan Berbagai Sudut Inklinasi II.2 Geometri Roche II.3 Proses terjadinya transfer massa dari bintang sekunder ke bintang primer akibat Roche Lobe Overflow. (Charles dan Seward, 1995) II.4 Kurva cahaya dari EXO pada saat terjadinya burst. Ledakan termonuklir dari permukaan Bintang Neutron diinterpretasikan sebagai penyebab terjadinya burst. (Charles dan Seward, 1995) II.5 Peristiwa burst pada Rapid Burster memiliki mekanisme yang berbeda dengan X-ray Burster tipe I. (Charles dan Seward, 1995) III.1 Spektrum gelombang elektromagnetik terhadap ketinggian atmosfer Bumi III.2 Misi satelit dari tahun ke tahun. Blok berwarna ungu merupakan waktu operasi satelit yang bersangkutan III.3 EXOSAT III.4 Skema Low Energy Imaging Telescope III.5 Skema GSPC IV.1 count rate GX 5-1 sebagai fungsi waktu xiv

16 IV.2 (atas) Contoh spektrum dari Sco X-1 dengan jeda waktu pengamatan 60 menit. (bawah) Ratio kedua spektrum di atas dalam fungsi energi IV.3 Kurva cahaya GX 5-1 diambil oleh satelit Tenma IV.4 Kurva Cahaya dan Digram Dua Warna IV.5 Kurva Power Density IV.6 Sumber Z dari Cyg X-2 yang menunjukkan ketiga cabangnya. 26 IV.7 Sumber Z dari RXTE IV.8 NB dan FB pada Cyg X IV.9 Sumber Atoll yang terdiri dari Island State (I), Lower Banana (LB) dan Upper Banana (UB) IV.10 Diagram dua warna untuk sumber-sumber Atoll IV.11 Banana State yang mirip dengan fuzzy banana IV.12 Upper Banana dan Lower Banana yang tidak menunjukkan adanya QPO. Power Spectral Density didominasi oleh VLFN 31 IV.13 Sumber Atoll dengan bagian-bagiannya IV.14 HFN tampak sangat dominan pada PD dibandingkan dengan LFN ataupun VLFN yang sangat lemah dan hampir dapat diabaikan V.1 Magnetosfer xv

17 V.2 Representasi dari diagram dua warna sinar-x menunjukkan arah yang berarti terjadi peningkatan laju akresi massa sepanjang jejak Z dengan urutan HB-NB-FB V.3 Contoh yang diambil IUE menunjukkan perbedaan dalam spectral behavior selama 3 kondisi: HB, NB, dan FB V.4 3 sumber Atoll yang diambil dari RXTE, dengan pola yang mirip dengan huruf Z V.5 Kombinasi dari plot diagram dua warna 3 sumber Atoll, yang semakin mirip dengan sumbr Z. Sepanjang Upper Branch dan Lower Branch didefinisikan oleh fungsi jarak, S V.6 Luminositas yang bergantung terhadap fungsi jarak S xvi

18 DAFTAR TABEL II.1 Data pengamatan Low Mass X-ray Binaries dengan Propertinya (Charles Seward, 1995, Tab IV.1 16 LMXB diantaranya terdapat sumber Z yang terlebih dahulu diketahui IV.2 16 LMXB diantaranya terdapat sumber Z yang terlebih dahulu diketahui V.1 Parameter harga untuk laju akresi massa setelah dilakukan fit terhadap fluks yang didapatkan dari pengamatan xvii