Penggelapan gravitasi

Penggelapan gravitasi (Inggris: gravity darkening atau gravity brightening) adalah fenomena astronomi yang terjadi ketika kutub suatu bintang tampak lebih terang dibandingkan ekuatornya akibat rotasi bintang yang sangat cepat. Rotasi tersebut menyebabkan bintang memiliki bentuk oblata, yaitu radius ekuator lebih besar daripada radius kutub. Perbedaan ini mengakibatkan gaya gravitasi di permukaan kutub lebih besar daripada di ekuator, sehingga suhu dan tekanan di kutub meningkat untuk mempertahankan keseimbangan hidrostatis. Akibatnya, daerah kutub menjadi lebih panas dan terang (gravity brightened), sedangkan daerah ekuator menjadi lebih dingin dan redup (gravity darkened). Fenomena ini umum ditemukan pada bintang berotasi cepat seperti Vega dan Alpha Eridani.

 Latar Belakang Teoretis 
Fenomena ini pertama kali dijelaskan secara matematis oleh von Zeipel (1924), yang menemukan bahwa fluks energi radiasi di permukaan bintang sebanding dengan gravitasi efektif lokal. Hubungan ini dikenal sebagai Hukum von Zeipel, yang dirumuskan sebagai :

Hukum ini berlaku untuk bintang barotropik dengan selubung radiatif, di mana energi berpindah terutama melalui radiasi, bukan konveksi.

Namun, pada bintang bermassa rendah seperti Matahari yang memiliki selubung konvektif, hukum von Zeipel tidak sepenuhnya berlaku. Lucy (1967) memperluas teori ini dengan memperkenalkan eksponen β dalam hubungan:

Nilai β bergantung pada struktur internal bintang. Lucy menemukan β ≈ 0,08 untuk bintang seperti Matahari. Peneliti lain, seperti Claret (1998, 2003, 2012) dan Espinosa Lara & Rieutord (2011), kemudian mengembangkan model dua dimensi yang menunjukkan bahwa hukum ini bergantung pada struktur atmosfer dan deformasi bintang terhadap bentuk bola sempurna.

 Fungsi 
Penggelapan gravitasi merupakan variasi fluks energi di permukaan bintang akibat perbedaan gravitasi efektif lokal. Fenomena yang terjadi  kemudian menjadi faktor dalam penafsiran distribusi kecerahan bintang berotasi cepat, terutama melalui interferometri, yang memungkinkan penentuan arah sumbu rotasi relatif terhadap garis pandang pengamat.

Dalam sistem bintang biner yang mengalami distorsi akibat gaya pasang surut, penggelapan gravitasi menyebabkan perbedaan suhu antara kutub dan ekuator masing-masing bintang. Perbedaan distribusi suhu ini memengaruhi intensitas cahaya yang dipancarkan sepanjang orbitnya. Oleh karena itu, model kurva cahaya bintang biner harus memasukkan efek penggelapan gravitasi agar hasil simulasi kecerahan sesuai dengan data pengamatan.

Penggelapan gravitasi juga berperan dalam menjelaskan fenomena bintang variabel elipsoidal. Pada sistem ini, bentuk bintang telah terdistorsi menjadi memanjang (elipsoidal) akibat gaya gravitasi dari pasangan bintangnya. Saat sistem tersebut berotasi, luas permukaan yang tampak dari Bumi berubah-ubah, menyebabkan fluktuasi periodik pada kecerahan. Tidak seperti sistem bintang gerhana, variasi cahaya pada bintang variabel elipsoidal tidak disebabkan oleh saling menutupi, melainkan oleh perubahan tampilan bentuk bintang yang terdistorsi dan distribusi kecerahan akibat penggelapan gravitasi.

 Penyebab Fisis 
Bintang yang berotasi mengalami gaya sentrifugal yang menimbulkan perbedaan tekanan antara ekuator dan kutub. Secara matematis, gaya ini dinyatakan sebagai :

dengan m adalah massa unsur kecil bintang, Ω kecepatan sudut rotasi, dan ρ jarak dari sumbu rotasi.  Nilai ρ terbesar di ekuator, sehingga gaya sentrifugal paling kuat di wilayah ekuator. Hal ini mengurangi gravitasi efektif dan menurunkan suhu pada wilayah ekuatorial, sedangkan kutub tetap lebih panas dan terang.

 Referensi