KORELASI ANTARA SPECTRAL BEHAVIOUR DAN TIMING

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 : 10304005
Program Studi Astronomi
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2008
PENGESAHAN
KORELASI ANTARA SPECTRAL
BEHAVIOUR DAN TIMING PROPERTIES
PADA LOW MASS X-RAY BINARIES
(LMXBs)
Oleh
Crystal Nuansa Aini
NIM : 103 04 005
Program Studi Astronomi
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung
Menyetujui
Pembimbing
Tanggal ................................
Pembimbing
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
PERUNTUKKAN
Life is a road and I want to keep going on,,,
iii
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
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, Ich-
v
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, anak2 2005 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
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
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 sinarX untuk sumber Z, Cyg X-2. Kemudian didapatkan laju akresi massa yang
meningkat dari Horizontal Branch ke Flaring Branch. Untuk sumber Atoll,
viii
Gierlinski dan Done (2001) mengambil data dari RXTE, yaitu Aql X-1, 4U
1608 - 52, 4U 1705 - 44, dan mendapatkan bahwa laju akresi massa meningkat
dari Island State ke Banana State.
Kata kunci: LMXB, QPO, Sumber Z, Sumber Atoll
ix
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, 4U1608-52 and 4U1705-44, from RXTE.
Keywords: LMXB, QPO, Z source, Atoll source
x
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
Bab I
xvii
PENDAHULUAN
1
I.1
Latar Belakang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
I.2
Rumusan Masalah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
I.3
Metodologi
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
I.4
Sistematika Penulisan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Bab II
Low Mass X-ray Binary
4
II.1 Bintang Kompak Dalam LMXB . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
II.2 Bintang Pasangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
xi
II.3 Piringan Akresi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bab III
9
SATELIT SEBAGAI INSTRUMEN PENDUKUNG AS-
TRONOMI SINAR-X
14
III.1 Misi EXOSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
III.1.1 Low Energy Imaging Telescope(LEIT)
. . . . . . . . . . 17
III.1.2 Medium Energy Proportional Counter(MEPC) . . . . . . 18
III.1.3 Gas Scintillation Proportional Counter(GSPC) . . . . . 18
Bab IV
SUMBER Z DAN SUMBER ATOLL
20
IV.1 Timing Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
IV.2 Spectral Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
IV.3 Analisis Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
IV.3.1 Quasi Periodic Oscillation (QPO) . . . . . . . . . . . . 24
IV.4 Sumber Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
IV.4.1 Horizontal Branch (HB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
IV.4.2 Normal Branch(NB) dan Flaring Branch(FB) . . . . . . 28
IV.5 Sumber Atoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
IV.5.1 Banana State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
IV.5.2 Island State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Bab V
PEMBAHASAN
37
xii
V.1 Telaah Terhadap Sumber Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
V.2 Telaah Terhadap Sumber Atoll
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
V.3 Teori Laju Akresi Massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Bab VI
PENUTUP
50
VI.1 Kesimpulan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
VI.2 Saran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
DAFTAR PUSTAKA
52
xiii
DAFTAR GAMBAR
II.1
Properti LMXB Dengan Berbagai Sudut Inklinasi . . . . . . .
4
II.2
Geometri Roche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
II.3
Proses terjadinya transfer massa dari bintang sekunder ke bintang primer akibat Roche Lobe Overflow. (Charles dan Seward, 1995) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II.4
6
Kurva cahaya dari EXO 2030 + 375 pada saat terjadinya
burst. Ledakan termonuklir dari permukaan Bintang Neutron
diinterpretasikan sebagai penyebab terjadinya burst. (Charles
dan Seward, 1995) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II.5
7
Peristiwa burst pada Rapid Burster memiliki mekanisme yang
berbeda dengan X-ray Burster tipe I. (Charles dan Seward,
1995) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III.1
8
Spektrum gelombang elektromagnetik terhadap ketinggian atmosfer Bumi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
III.2
Misi satelit dari tahun ke tahun. Blok berwarna ungu merupakan waktu operasi satelit yang bersangkutan
. . . . . . . . 15
III.3
EXOSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
III.4
Skema Low Energy Imaging Telescope . . . . . . . . . . . . . . 17
III.5
Skema GSPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
IV.1
count rate GX 5-1 sebagai fungsi waktu
xiv
. . . . . . . . . . . . 21
IV.2
(atas) Contoh spektrum dari Sco X-1 dengan jeda waktu pengamatan 60 menit. (bawah) Ratio kedua spektrum di atas
dalam fungsi energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
IV.3
Kurva cahaya GX 5-1 diambil oleh satelit Tenma
. . . . . . . 23
IV.4
Kurva Cahaya dan Digram Dua Warna . . . . . . . . . . . . . 24
IV.5
Kurva Power Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
IV.6
Sumber Z dari Cyg X-2 yang menunjukkan ketiga cabangnya . 26
IV.7
Sumber Z dari RXTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
IV.8
NB dan FB pada Cyg X-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
IV.9
Sumber Atoll yang terdiri dari Island State (I), Lower Banana
(LB) dan Upper Banana (UB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
IV.10 Diagram dua warna untuk sumber-sumber Atoll . . . . . . . . 30
IV.11 Banana State yang mirip dengan fuzzy banana . . . . . . . . . 31
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 . . . . . . . . . . . . . 32
IV.14 HFN tampak sangat dominan pada PD dibandingkan dengan
LFN ataupun VLFN yang sangat lemah dan hampir dapat
diabaikan
V.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Magnetosfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
xv
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 . . . . . . . . . . . . 42
V.3
Contoh yang diambil IUE menunjukkan perbedaan dalam spectral behavior selama 3 kondisi: HB, NB, dan FB . . . . . . . . 43
V.4
3 sumber Atoll yang diambil dari RXTE, dengan pola yang
mirip dengan huruf Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
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 . . . . . . . . . 45
V.6
Luminositas yang bergantung terhadap fungsi jarak S
xvi
. . . . 46
DAFTAR TABEL
II.1
Data pengamatan Low Mass X-ray Binaries dengan Propertinya (Charles Seward, 1995, Tab. 8.1 . . . . . . . . . . . . . 13
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
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Parameter harga untuk laju akresi massa setelah dilakukan fit
terhadap fluks yang didapatkan dari pengamatan . . . . . . . 49
xvii