Semburan sinar gamma
Semburan sinar gamma (SSG) (, disingkat "GRBs") adalah fenomena semburan cemerlang sinar gamma dari tempat tertentu di luar angkasa pada saat tertentu. Durasi semburan sinar gamma biasanya beberapa detik, tetapi dapat bervariasi dari beberapa milisekon hingga beberapa menit, akan tetapi bekasnya dapat terlihat lebih lama namun tidak lagi berupa sinar gamma melainkan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang lebih panjang (sinar-X, ultraungu, atau cahaya tampak.).
Radiasi cemerlang yang diamati dari kebanyakan SSG dipercaya dipancarkan pada saat terjadinya supernova atau hipernova ketika bintang bermassa besar yang berotasi dengan cepat, meledak membentuk bintang neutron, bintang kuark, atau lubang hitam. SSG dengan durasi yang lebih pendek berasal dari proses yang berbeda, yaitu bintang neutron biner yang saling mengitari satu sama lain bertabrakan menjadi satu.
Sumber SSG sangat jauh dari bumi yaitu miliaran tahun cahaya, sehingga semburan yang dihasilkan sangatlah dahsyat (umumnya energi SSG dalam beberapa detik sama dengan energi matahari yang dipancarkan selama hidupnya sampai berumur 10 miliar tahun) dan juga sangat langka (setiap galaksi hanya terdapat sedikit SSG dalam waktu jutaan tahun). SSG yang pernah diamati berasal dari luar galaksi Bima Sakti, walaupun ada fenomena yang mirip SSG yaitu "soft gamma repeater" (SGR) yang berasal dari magnetar (bintang neutron dengan medan magnet yang sangat kuat) di dalam galaksi Bima Sakti. Ilmuwan berhipotesis bahwa SSG di dalam galaksi Bima Sakti yang tepat menghadap ke bumi akan menyebabkan peristiwa kepunahan massal.
SSG pertama kali dideteksi oleh Satelit Vela milik Amerika Serikat yang sebenarnya bertujuan untuk mengamati tes senjata nuklir yang kemungkinan dilakukan Uni Soviet. Setelah terdeteksi, ratusan model diusulkan para ilmuwan untuk menjelaskan hal ini, misalnya tabrakan antara komet dengan bintang neutron. Sedikit informasi yang dapat digunakan untuk mengkonfirmasi model yang diusulkan sampai pada tahun 1997 ketika bekas SSG berupa sinar-X dan cahaya tampak berhasil terdeteksi dan pengukuran langsung pergeseran merahnya (naiknya panjang gelombang dan menurunnya frekuensi sebuah gelombang elektromagnetik) menggunakan spektroskopi, serta pengukuran jarak dan energi yang dipancarkan. Penemuan ini beserta penelitian selanjutnya menyimpulkan bahwa SSG terjadi di galaksi yang jauh.
Semburan sinar gamma pertama kali diamati oleh Satelit Vela milik Amerika Serikat yang digunakan untuk mendeteksi radiasi gamma yang dipancarkan tes senjata nuklir di luar angkasa. Amerika Serikat menduga bahwa Uni Soviet mencoba melakukan tes senjata nuklir rahasia setelah menandatangani Perjanjian Pelarangan Tes Nuklir pada 1963. Pada 2 Juli 1967 satelit Vela 4 dan Vela 3 mendeteksi radiasi gamma yang sangat berbeda dari senjata nuklir pada umumnya. Tidak mengetahui pasti apa yang terjadi tim di Los Alamos National Laboratory yang dipimpin oleh Ray Klebesadel mengarsipkan data untuk investigasi lebih lanjut. Satelit lain dengan instrumen yang lebih canggih diluncurkan dan menemukan hal yang sama. Dengan analisis yang lebih lanjut diambil kesimpulan bahwa peristiwa ini berasal dari luar bumi dan tata surya. Penemuan ini dipublikasikan tahun 1973.
Teori-teori awal mengenai SSG menyatakan bahwa peristiwa ini terjadi di sumber yang dekat dan berada pada Galaksi Bima Sakti. Pada tahun 1991 Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) dan instrumennya yang bernama Burst and Transient Source Explorer (BATSE), sebuah detektor sinar gamma super sensitif, menunjukkan bahwa distribusi SSG bersifat isotropik atau tersebar di seluruh penjuru langit dan tidak terkonsentrasi di dekat bidang Bima Sakti. Pola tersebut membuktikan bahwa SSG terletak di luar Bima Sakti.
Setelah penemuan SSG, astronom mencari cara untuk menelitinya, misalnya dengan mengamati objek yang kebetulan berada di posisi SSG yang baru terjadi. Astronom mempertimbangkan berbagai objek seperti katai putih, pulsar, supernova, gugus bola, dan kuasar. Cara tersebut tidak berhasil sehingga ilmuwan telah setuju bahwa mereka membutuhkan satelit dan peralatan yang lebih canggih untuk meneliti peristiwa ini.
Beberapa model menyatakan bahwa seharusnya SSG diikuti oleh emisi berupa gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang lebih panjang, emisi ini disebabkan oleh tumbukan antara semburan dengan gas luar angkasa. Emisi inilah yang disebut bekas atau jejak SSG, Pencarian awal tidak berhasil, namun pada Februari 1997 satelit BeppoSAX buatan Italia-Belanda mendeteksi sebuah semburan dan dengan cepat mengarahkan kamera sinar-X kearahnya, emisi sinar-X dapat terdeteksi. Teleskop William Herschel di Kepulauan Canaria berhasil mendeteksi jejak SSG tersebut yang sekarang berupa cahaya tampak 20 jam setelah semburan. Gambar yang diambil menunjukkan galaksi yang jauh dan redup yang menjadi sumber dari semburan tersebut.
Misi BeppoSAX dan CGRO (serta BATSE) berakhir masing-masing tahun 2002 dan 2000. Akan tetapi, penemuan baru tentang SSG memotivasi pembangunan satelit baru dengan peralatan khusus dan canggih untuk meneliti SSG, terutama awal semburan. Misalnya HETE-2 pada tahun 2000 dan berakhir tahun 2006, Swift yang diluncurkan tahun 2004 dan masih berfungsi tahun 2016. Ada juga Fermi Gamma-ray Space Telescope tahun 2008 yang dapat mendeteksi ratusan semburan setiap tahunnya. Satelit di atas terhubung dengan teleskop optik di bumi yang telah dimodifikasi dengan kontrol robotik yang dengan cepat (bahkan beberapa detik) dapat mengarahkan diri ke sumber SSG setelah mendapat sinyal dari satelit. Dengan cara ini ilmuwan dapat meneliti SSG ketika masih berlangsung.
Semburan sinar gamma dapat dikelompokkan berdasarkan lamanya berlangsung, yaitu semburan singkat dan semburan panjang. Semburan singkat berlangsung kurang dari dua detik, tipe ini sulit untuk diteliti karena waktunya yang singkat, baru pada tahun 2005 jejak dari semburan tipe ini berhasil ditemukan dan menunjuk pada wilayah yang sedikit atau sama sekali tidak ada proses pembentukan bintang, misalnya galaksi elips yang besar atau bagian pusat dari gugus galaksi. Dengan hal ini semburan singkat tidak ada hubungannya dengan bintang bermassa besar, dan hal ini mengkonfirmasi adanya perbedaan semburan singkat dengan semburan panjang selain waktu berlangsungnya. Semburan ini juga tidak berhubungan dengan supernova. Semburan singkat diduga berasal dari tumbukan antar bintang neutron yang berada pada sistem biner (mengelilingi satu sama lain). Sekitar 30% SSG merupakan semburan singkat.
Kebanyakan SSG merupakan semburan panjang, semburan tipe ini menghasilkan jejak yang lebih cerah dan lama sehingga lebih banyak diteliti. Hampir semua SSG yang telah diteliti secara mendetail menunjuk pada galaksi dengan proses pembentukan bintang yang cepat, ada juga yang menunjuk pada supernova. Dengan begitu ilmuwan menyimpulkan bahwa sumber SSG berdurasi panjang berasal dari matinya bintang bermassa besar. Para ilmuwan juga mengusulkan jenis SSG baru yaitu semburan ultra-panjang dengan durasi 10.000 detik atau lebih, diduga semburan jenis ini berasal dari ledakan bintang biru raksasa. Hanya ada sedikit semburan ultra-panjang yang diketahui contohnya GRB 091024A, GRB 101225A, dan GRB 111209A. Studi terbaru berkata lain, bukti akan adanya semburan tipe baru dengan asal muasal baru masih belum cukup, perlu penelitian lebih lanjut untuk mengambil kesimpulan pasti.
Semburan sinar gamma dapat dilihat dari bumi dengan sangat jelas walupun jaraknya yang luar biasa jauh. Rata-rata SSG memiliki magnitudo absolut yang sama dengan bintang yang cerah di galaksi kita sendiri, walaupun jaraknya yang mencapai miliaran tahun cahaya. Kebanyakan energi yang dipancarkan berupa sinar gamma, namun ada juga SSG yang memiliki bekas berupa cahaya tampak yang sangat cemerlang, misalnya GRB 080319B yang terdeteksi satelit Swift pada 19 Maret 2008, fenomena ini mendapat rekor terbaru sebagai objek terjauh yang dapat dilihat mata telanjang, objek ini memiliki magnitudo semu puncak sebesar 5,8 dan dapat dilihat oleh mata manusia selama 30 detik. Semburan ini memiliki pergeseran merah sebesar 0,937, berarti semburan ini terjadi sekitar 7,5 miliar tahun yang lalu dan cahayanya baru sampai tahun 2008. Jejak semburan ini disebut-sebut sebagai "objek paling cemerlang secara intrinsik yang pernah dilihat manusia di alam semesta", 2,5 juta kali lebih terang dari supernova paling terang saat ini yaitu SN 2005ap. Bukti-bukti menunjukkan bahwa jejak yang terlihat sangat terang karena SSG yang tepat terfokus pada sudut pandang bumi, dengan hal ini ilmuwan menyimpulkan bahwa kebanyakan SSG yang redup atau tidak terdeteksi sama sekali sebenarnya hanya tidak menghadap bumi, ilmuwan menduga bahwa SSG adalah fenomena yang umum, tidak seperti yang diperkirakan sebelumnya.
Tidak ada proses di alam semesta yang diketahui yang dapat menghasilkan energi sebesar ini dalam waktu yang singkat, ilmuwan menduga bahwa SSG adalah ledakan yang sangat terfokus, karena itulah kebanyakan SSG tidak pernah mencapai bumi dan tidak dapat terdeteksi. Energi yang terfokus membuat SSG tampak sangat cerah dibandingkan energi yang tersebar ke segala arah, misalnya pada bintang.
Karena jaraknya yang amat jauh, identifikasi sumbernya sangat sulit dilakukan, Hubungan antara SSG tipe panjang dengan supernova dan fakta bahwa galaksi induknya adalah tempat permbentukan bintang yang cepat memberikan bukti kuat bahwa SSG tipe panjang berhubungan dengan bintang masif. Mekanisme yang paling banyak disetujui tentang SSG tipe panjang adalah model kolapsar, dimana inti dari bintang masif yang berotasi cepat meledak menjadi lubang hitam di akhir hidupnya karena kehabisan bahan bakar sehingga energi radiasi ke luar tidak dapat menyeimbangkan energi gravitasi yang menuju ke dalam. Materi bintang tertarik ke pusat lubang hitam, dicabik-cabik sambil diputar dengan cepat menjadi piringan akresi berdensitas tinggi. Hujan material ini menyebabkan lubang hitam menembakkan jet berupa sinar gamma dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya di sumbu rotasinya.
Semburan sinar gamma sangat berbahaya bagi kehidupan, mempertimbangkan hal itu wilayah paling aman di alam semesta adalah di daerah pinggiran galaksi besar yang memiliki sedikit bintang. Galaksi yang berukuran kecil memiliki populasi bintang yang padat sehingga terdapat banyak SSG yang berlangsung. Pengetahuan kita mengenai berbagai jenis galaksi dan distribusinya menunjukkan bahwa hanya 10% galaksi di alam semesta yang memiliki kehidupan.
SSG yang pernah diamati manusia sampai sekarang berada di luar Bima Sakti. Andaikan ada SSG yang terjadi di dalam Bima Sakti dan mengarah ke bumi akan menghancurkan ekosistem dan kehidupan di bumi, mengingat energinya yang luar biasa besar. SSG terdekat yang pernah dideteksi adalah GRB 980425 yang berjarak 40 megaparsec (130.000.000 tahun cahaya) di sebuah galaksi katai tipe SBc.
Ilmuwan memperkirakan di galaksi seukuran Bima Sakti, jumlah SSG tipe panjang yang terjadi adalah satu semburan tiap 100.000 sampai 1.000.000 tahun. Hanya sebagian kecil dari semburan ini yang mengarah ke bumi. Perkiraan untuk SSG singkat lebih sulit untuk diteliti.
Atmosfer bumi sangat efektif dalam menyerap radiasi elektromagnetik berenergi tinggi seperti sinar gamma dan sinar-X, jadi radiasi ini tidak akan mencapai permukaan. SSG juga meninggalkan jejak berupa sinar ultraviolet yang berbahaya bagi kehidupan.
Efek jangka panjang dari semburan yang dekat dengan bumi lebih berbahaya. Sinar gamma yang diserap atmosfer menyebabkan reaksi kimia antara oksigen dan nitrogen menjadi nitrogen oksida (NO) dan gas nitrogen dioksida (NO) yang dapat merusak ozon, penurunan ozon dapat meningkatkan radiasi ultraviolet di permukaan bumi, selain itu nitrogen oksida dapat menyebabkan asbut (asap-kabut) fotokimia, yang membuat langit menjadi gelap dan menghalangi beberapa spektrum cahaya matahari, hal ini berpengaruh pada fotosintesis. Kadar nitrogen yang meningkat di atmosfer dapat memproduksi asam nitrat (HNO) yang beracun pada banyak organisme.
SSG memang sangat berbahaya, kejadiannya di dekat bumi sangat langka, namun peristiwa energetik seperti supernova jauh lebih berbahaya dibanding SSG karena jumlahnya yang jauh lebih banyak, energi supernova tersebar ke segala penjuru tidak seperti SSG yang terfokus sehingga energi supernova lebih kecil, tapi tetap berbahaya apabila terjadi di dekat bumi.
450 juta tahun yang yang lalu terjadi kepunahan massal antara zaman Ordovisium dan Silur. Ilmuwan menduga kepunahan ini disebabkan oleh SSG karena trilobit, invertebrata dekat permukaan laut yang tersebar luas di zaman itu punah secara total, tidak seperti kepunahan biasanya yang sama sekali tidak berpengaruh bagi spesies dengan persebaran luas. SSG menyebabkan hewan di darat dan permukaan laut punah, tetapi makhluk hidup di laut dalam selamat.
Kasus lain adalah peningkatan kadar isotop karbon-14 pada tahun 774-775 M yang terjadi diseluruh dunia berdasarkan penelitian lingkaran tahun yang kemungkinan disebabkan SSG. Dugaan lain adalah adanya semburan matahari yang lebih kuat dari biasanya.