TEORI HYPERNOVA SEBAGAI PENJELASAN FENOMENA GAMMA-RAY BURST TUGAS AKHIR Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana dari Institut Teknologi Bandung Oleh ANTON WILLIAM NIM : 10302021 Program Studi Astronomi FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
PENGESAHAN TEORI HYPERNOVA SEBAGAI PENJELASAN FENOMENA GAMMA-RAY BURST Oleh Anton William NIM : 103 02 021 Program Studi Astronomi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung Menyetujui Bandung, 1 Juli 2008 Pembimbing Tugas Akhir, Dr. Mahasena Putra (NIP. 132061763) i
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
KATA PENGANTAR Segala puji penulis ucapkan bagi Allah Tuhan semesta alam yang telah menciptakan hukum-hukum alam dan menyuruh manusia untuk mempelajari hukumhukum tersebut. Shalawat dan salam penulis peruntukkan kepada Muhammad S.A.W. yang telah memberikan pencerahan bagi umat manusia melalui risalahnya. Penulisan tugas akhir ini merupakan bagian dari syarat kelulusan bagi mahasiswa sarjana Program Studi Astronomi ITB. Peristiwa radiasi energi tinggi dalam fenomena Gamma-Ray Burst (GRB) dilingkupi oleh misteri, memberikan rasa penasaran yang besar bagi penulis. Berbagai penjelasan yang melibatkan konsep-konsep fisika kontemporer semakin menambah keeksotikan studi GRB. Mengingat luasnya bahasan GRB serta masih menumpuknya pertanyaan seputar kejadian GRB maka tugas akhir ini masih jauh dari penjelasan mengenai GRB. Penulis berharap pada masa mendatang dapat dilakukan studi lebih lanjut mengenai GRB baik oleh penulis sendiri maupun akademisi Program Studi Astronomi ITB. Terima kasih penulis sampaikan kepada Apa dan Ama yang telah memberikan dukungan yang tak berhingga terhadap studi penulis di ITB, rasanya penulis tidak sanggup membalas pengorbanan telah diberikan. Juga kepada adik-adik: Ria, Titi, Yopi, dan Pisa yang senantiasa membagi canda dan tawa serta dukungan semangat, terima kasih. Dalam penulisan tugas akhir ini penulis sangat terbantu oleh diskusi dan perhatian yang diberikan oleh Pak Sena. Di antara kesibukan beliau mengurus Program Studi Astronomi ITB, beliau masih menyempatkan diri untuk membimbing penulis secara teknis dan moral dengan kesabaran yang luar biasa. Penulis mengucapkan terima kasih yang besar kepada beliau dan berdoa semoga beliau selalu memperoleh kesehatan dan kebahagiaan. Pengujian tuiii
gas akhir, melalui diskusi secara pribadi maupun saat sidang tugas akhir, dilakukan dengan penuh ketulusan oleh Pak Djoni, Bu Nana, dan Pak Kun, karena itu penulis ucapkan terima kasih. Berikutnya penulis bersyukur telah diberikan teman-teman yang baik selama penulis menempuh pendidikan di ITB. Kepada teman-teman Himastron ITB dan teman-teman astronomi angkatan 2002 semoga persahabatan ini bisa terus kita rayakan, staf administrasi Program Studi Astronomi ITB dan karyawan Observatorium Bosscha yang ramah dan bersahabat, penulis ucapkan terima kasih. Tiada yang sempurna di dunia ini, termasuk tugas akhir ini. Karena itu penulis selalu menerima kritik dan saran yang konstruktif dari berbagai pihak. Bandung, Juli 2008 Anton William iv
ABSTRAK Gamma-Ray Burst (GRB) merupakan fenomena paling energetik setelah Big Bang. Dalam sekali peristiwa GRB dilepaskan energi sebesar 10 54 erg. Terdapat dua klasifikasi GRB yang dinilai berdasarkan durasi dan tingkat energi yaitu long-soft GRB dan short-hard GRB. Long-soft GRB diyakini memiliki kaitan erat dengan proses akhir kehidupan bintang masif, dan short-hard GRB merupakan peristiwa bergabungnya dua objek masif dalam sistem berpasangan. Kerja awal dari Woosley (1993) memberikan gambaran umum mengenai mekanisme GRB. Pengamatan GRB secara intensif yang dilakukan semenjak 1991 memberikan lebih banyak data untuk long-soft GRB sehingga memberikan banyak kesempatan bagi peneliti GRB untuk menguji teori yang ada. Bukti hubungan GRB dengan supernova didapatkan melalui pengamatan. Supernova yang menyertai GRB memiliki energi yang lebih tinggi sehingga disebut sebagai hypernova (Iwamoto et al. 1998). Untuk memahami mekanisme hypernova sehingga dapat menjelaskan fenomena long GRB maka dilakukan telaah mengenai teori hypernova. v
ABSTRACT Gamma-Ray Bursts (GRBs) are the most energetic explosion in universe since the Big Bang. An event of GRB produces energy up to 10 54 erg. GRBs could be classified into two groups judged by duration and energy level: long-soft GRBs dan short-hard GRBs. Long-soft GRBs are explained as the explosion of massive stars at the end of their life, short-hard GRBs are produced by coalescence of compact objects in binary systems. Early work by Woosley (1993) have gave us a big picture of GRB mechanism. Intensive observations since 1991 have revealed many facts for long-soft GRBs, giving opportunities for researchers to test available theories. The connection between long-soft GRBs and supernovae have been established through observations. Supernovae that associate with GRBs have larger explosion energy compared with ordinary supernovae so the term of hypernovae had been proposed by Iwamoto et al. (1998). Within this paper we will try to review long-soft GRBs generated by hypernovae mechanism. vi
DAFTAR ISI PENGESAHAN i PEDOMAN PENGGUNAAN TUGAS AKHIR ii KATA PENGANTAR iii ABSTRAK v ABSTRACT vi DAFTAR ISI ix DAFTAR LAMPIRAN x DAFTAR GAMBAR xi Bab I PENDAHULUAN 1 I.1 Latar Belakang........................... 1 I.2 Rumusan Masalah......................... 2 I.3 Metodologi............................. 2 I.4 Sistematika Penulisan........................ 3 Bab II KARAKTERISTIK GAMMA-RAY BURST 4 II.1 Sejarah Gamma-Ray Burst..................... 4 II.2 Karakteristik Gamma-Ray Burst................. 5 II.2.1 Struktur Temporal..................... 6 vii
II.2.2 Spektrum Energi...................... 6 II.2.3 Lokasi............................ 6 II.2.4 Populasi........................... 8 II.2.5 Afterglow.......................... 10 II.3 Energi Gamma-Ray Burst..................... 10 II.4 Compactness Problem....................... 11 II.5 Efek Relativistik.......................... 14 II.5.1 Efek Beaming........................ 15 II.5.2 Efek Doppler Relativistik.................. 17 Bab IIIHUBUNGAN GAMMA-RAY BURST DAN SUPERNOVA 18 III.1 Kasus-kasus Hubungan GRB-Supernova............. 18 III.1.1 GRB980425/SN 1998bw.................. 18 III.1.2 GRB030329/SN 2003dh.................. 19 III.1.3 GRB031203/SN 2003lw.................. 22 III.2 Progenitor Hypernova....................... 22 Bab IV TEORI HYPERNOVA 26 IV.1 Keruntuhan Pusat......................... 26 IV.2 Piringan Akresi........................... 28 IV.3 Fireball............................... 28 viii
Bab V SIMPULAN DAN SARAN 30 V.1 Simpulan.............................. 30 V.2 Saran................................. 30 DAFTAR PUSTAKA 32 V.2.1 Sintilator.......................... 34 V.2.2 Detektor Solid State.................... 34 V.2.3 Detektor Compton Scattering............... 35 V.2.4 Detektor Produksi Pasangan................ 37 V.2.5 Detektor Cherenkov.................... 38 ix
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A 38 x
DAFTAR GAMBAR II.1 Profil beberapa Gamma-Ray Burst................ 5 II.2 Contoh spektrum GRB....................... 7 II.3 Distribusi isotropik 2704 GRB................... 8 II.4 Pengelompokan GRB berdasarkan durasi............. 9 II.5 Hardness ratio GRB........................ 9 II.6 Kiri: peluruhan afterglow...................... 10 II.7 Lima pengamat di kerangka diam................. 15 II.8 Pola radiasi dari sumber radiasi.................. 16 III.1 Kiri: citra pita R pada Mei 1.3 UT................ 19 III.2 Spektrum yang teramati (garis tegas)............... 20 III.3 Spektrum SN 2003dh yang diambil pada............. 21 III.4 Kurva cahaya pita optik dan inframerah dekat.......... 23 III.5 Spektrum SN 2003lw yang diambil................ 24 V.1 Mekanisme kerja detektor sintilasi dengan cara menyerap.... 35 V.2 Detektor Compton Scattering sebagaimana yang......... 36 V.3 Detektor produksi pasangan menggunakan banyak lapisan... 37 V.4 Foton energi ultra-tinggi akan mengalami interaksi dengan... 39 xi