Dokumen ini membahas tentang materi gelap, AGN, dan objek-objek eksotik. Ia menjelaskan bahwa galaksi-galaksi mengandung gas, bintang, dan materi gelap. AGN seperti Seyfert, quasar, dan blazar diyakini memiliki lubang hitam supermasif di pusatnya yang mengeluarkan energi tinggi melalui piringan akresi dan jet partikel. Quasar dan blazar mengeluarkan radiasi energi tinggi termasuk sinar gamma.

1. Materi gelap, AGN & exotic objects
Pelatihan OAN, 7 Juli 2006
Hesti Wulandari
Prodi Astronomi - ITB

2. Dark Matter (Materi Gelap)

3. Galaksi-galaksi berisi:
- Gas
- Bintang
- Lainnya?
Dark matter di galaksi

4. “Menimbang” sebuah galaksi
Penurunan kecepatan sebuah bintang bermassa m
yang bergerak melingkar dengan radius r (massa
yang dilingkupi orbit = Mr=M(<r))
Gaya gravitasi = gaya sentrifugal
r
GM
rv
r
mv
r
mGM
r
r
=
=
)(
2
2

5. atau
G
vr
Mr
2
=
Massa yang dilingkupi oleh radius r dapat dipelajari
dengan dengan melakukan observasi untuk
mengukur v.
Bagaimana caranya?

6. Untuk sistem Tatasurya, M(<r) = Msun, sehingga
M(<r) hampir tidak berubah dengan radius
(M ~ konstan)
2
1
)(
)(
−
∝
==
rrv
r
GM
r
GM
rv r
Kecepatan orbit berkurang dengan radius
Keplerian

7. Keplerian

8. Bagaimana untuk sebuah galaksi spiral?
r
GM
rv r
=)(
Ukur kecepatan orbit v pada
radius r yang berbeda-beda
Pengukuran kecepatan:
Spektroskopi +
Pergeseran Doppler

9. λ∆∝v

11. Kurva rotasi galaksi datar
Juga berlaku untuk
Galaksi kita

12. G
vr
Mr
2
=
Ingat
Kurva rotasi datar, v ≈ konstan, sehingga
rMr ∝
Mass meningkat dengan
radius
Kebanyakan massa
ada di sini.
Tetapi hampir tidak
ada cahaya di sini !

13. Kemungkinan penjelasan:
⇒ Gravitasi tidak mengikuti hukum Newton
(hukum invers kuadrat) pada skala besar (MOND)
⇒ Galaksi2 dilingkupi awan besar yang - dark matter -
yang tidak terlihat dan tidak terdeteksi
Pengamatan

14. Definisi:
Dark matter adalah materi yang tidak luminous, yang
(saat ini) tidak dapat dideteksi secara langsung dengan
mengamati radiasi atau absorbsi electromagnetik
(cahaya tampak, UV, infra merah, x-ray), tapi yang
keberadaannya diindikasikan oleh efek gravitasinya.
Not Dark MatterDark Matter

15. M(<r) = M(stars, gas) + M(Dark Matter) ∝ r
“luminous matter”, mendominasi
kurva rotasi pada r kecil
mendominasi pada r
besar, sampai 10x rluminous
Dark Matter adalah bentuk
materi yang DOMINAN pada
galaksi2, juga pada galaksi
eliptik.

16. Kontribusi dark halo menghasilkan kurva rotasi yang flat

17. Ukuran cluster galaksi: 1000-3000 kpc,
10-30x lebih besar dari ukuran sebuah galaksi
Resep:
1.Ukur massa gravitasi total
2.Ukur massa luminous
3.Bandingkan keduanya
Dark matter di cluster galaksi

18. Fritz Zwicky
Penemuan dark matter di cluster
galaksi oleh Fritz Zwicky
•Tahun 1930-an Zwicky mengukur
kecepatan orbit galaksi2 mengelilingi
coma cluster
•Mengaplikasikan hukum Kepler untuk
menghitung massa cluster
•Menemukan massa gravitasi yang
sangat besar tapi relatif sedikit massa
luminous.
Hanya 2-6% dari massa total berupa
galaksi2.
Coma cluster

19. • Terlalu aneh untuk tahun 1930-an, jadi
diabaikan dan hanya dianggap sebagai
problem yang tidak terpecahkan.
Tidak siap untuk perubahan paradigma!

20. Perubahan besar dengan
adanya studi sinar-X untuk
cluster galaksi pada tahun
1970-an
Clusters berisi gas panas
(108K) yang massanya ≈ 5x
massa galaksi
Tetapi tambahan
kontribusi ini masih tidak
cukup untuk
memenuhi “missing
mass”.
Ungu: gas; putih:

21. Hal serupa dijumpai pada studi cluster2 galaksi
yang lain.
Secara umum 80 – 85% materi dalam cluster
galaksi berupa dark matter

22. Besarnya massa menentukan
nasib akhir alam semesta kita
Hal ini tergantung pada apa
yang disebut kerapatan kritis
(critical density)
Ω<1
Ω=1
Ω>1
HubbleparameterH;
8
3 2
==
G
H
c
π
ρ
cρ
ρ
=Ω
Rasio kerapatan sebenarnya dan kerapatan kritis disebut
sebagai parameter Omega.
Dark matter pada skala kosmologi

23. Pengukuran anisotropy cosmic microwave background
dengan WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
satelit bersama pengamatan astronomis lain memberikan
nilai densitas total Ω untuk saat ini:
Kontribusi terhadap Ω total
diberikan oleh:
02.002.1 ±≈Ω
ΛΩ+Ω+Ω=Ω= mradtot1
Dapat diabaikan
saat ini
Densitas materi
Dark energy?

24. Hasil berbagai pengamatan:
Ωtot=1.02±0.02
Ωm=0.27 ± 0.04
ΩΛ=0.73 ± 0.04
Ωb=0.044 ± 0.004 ⇒ kontribusi baryonic matter
Luminous matter (bintang, gas) termasuk baryon.
Tetapi
nonbarbm Ω+Ω=Ω
01.0≈Ωlum

25. Baryonic DM
Non-baryonic DM
Baryonic & non-baryonic problems

26. Kandidat untuk baryonic dark matter
MACHOS (Massive Astrophysical Compact Halo Objekt)
▪ bola hidrogen (Jupiter like, 0.001-0.1 M ),
brown dwarf/katai coklat
→ Tidak diamati banyak
▪ sisa2 evolusi bintang (white dwarf/katai putih)
→ disk belum terlalu tua
▪ black hole
→ bintang2 pada jarak yang cukup aman akan mengelilingi
black hole tsb (microlensing)
Eksperimen: MACHO, EROS, OGLE

27. Kandidat untuk non-baryonic dark matter
Hot dark matter (HDM)
- Neutrino
Jika neutrino memiliki massa dalam rentang 10-50 eV,
maka jumlah neutrino yang tercipta selama big bang
dapat memenuhi seluruh jumlah dark matter di alam
semesta
TETAPI….

28. Eksperimen atmospheric
neutrino Super-Kamiokande
(Tokyo) dengan 50 ribu ton air,
detektor diletakkan 1km di bawah
gunung
Eksperimen osilasi neutrino dan neutrino decay
menyarankan massa neutrino < 1 eV
Neutrino tidak dapat memberikan kontribusi
yang signifikan untuk dark matter.
Selain itu hot dark matter yang relativistik (kecepatan
mendekati c mencegah pembentukan galaksi2).

29. Cold dark matter (CDM)
- WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)
WIMPs:
Semua partikel netral yang masif dan berinteraksi lemah
yang terbentuk selama big bang.
Kandidat favorit untuk WIMP: neutralino,
yaitu partikel teringan (20-1000 GeV atau 20-1000 lebih
berat dari proton) dan stabil dalam model SUSY
(Supersymmetry). Partikel SUSY yang lebih berat tidak
stabil dan meluruh.
SUSY: tiap partikel memiliki partner
photon → photino
quark → squark
electron → selectron

30. Jika massa neutralino ~ 100 GeV maka Ω ~ 1.
Accelerator LEP di CERN memberikan limit bawah
massa neutralino 34 GeV.

31. Cara mendeteksi WIMPs
Deteksi tak langsung (indirect)
Mencari produk annihilasi dari neutralino dan anti
neutralino, seperti neutrino, gamma-rays, positron
dan anti-proton
Contoh:
satelit EGRET/GLAST mencari flux partikel atau sinar
gamma dari daerah2 di mana diharapkan ada
akumulasi WIMPs (mis: terperangkap oleh gravitasi
inti Matahari).
Sejauh ini tidak ditemukan

32. Deteksi langsung (direct)
Prinsip deteksi langsung:
Mencari elastic scattering WIMP dengan inti atom-inti
atom dalam sebuah detektor
Signal:
Nuclear recoil (beberapa keV)
+
produksi partikel muatan atau
cahaya

33. Kendala deteksi langsung
Flux WIMPs besar tapi terdapat kendala untuk
mendeteksi:
Kendala Solusi
interaksi dengan materi target
sangat jarang (1.0-0.01/kg
material detektor/hari)
detektor bermassa besar
pertukaran energi selama
interaksi kecil
Threshold (ambang) energi
detektor kecil
Background events Diskriminasi signal dari
background

34. Cara meminimalisasi background
• Menempatkan detektor di
laboratorium bawah tanah
• Membuat radioaktivitas dalam detektor sekecil mungkin
(materi dipilih dengan teliti)
• Menggunakan high purity
shields (mis: tangki air
berisi 200 ton air murni,
Pb, Cu, polythene)

37. Puluhan eksperimen, hanya DAMA melaporkan mendeteksi
WIMPs berupa annual modulation
Total exposure: 107731 kgd

38. Exclusion Plot
DAMA
CDMS SUF
EDELWEISS
CDMS Soudan
Sayangnya DAMA evidence tidak didukung oleh
hasil eksperimen lain

39. Kesimpulan
• Dark matter ada!
• Mayoritas dark matter non baryonic
• Dark matter harus ‘dingin’ (CDM)
• Hasil DAMA masih kontroversial untuk dianggap
sebagai bukti final
• Detektor2 makin baik, sensitivitas perlu ditingkatkan
untuk bisa memeriksa daerah yang lebih besar pada
exclusion plot.

40. Jika anda dapat membuktikan keberadaan
dark matter, anda pasti akan mendapat
hadiah Nobel!

41. Active Galactic Nuclei & Quasar

42. Active Galaxy/Active Galactic Nuclei (AGN):
Galaksi yang memiliki inti yang aktif (mengemisikan
sejumlah besar energi dan/atau variabel).
Kemungkinan inti galaksi tsb berupa suatu supermassive
black hole (massa 106
– 109
M ).
Materi antar bintang, galaksi yang ‘dimakan’ dan bintang
yang tersasar yang jatuh ke arah black hole membentuk
piringan akresi yang mengemisikan sejumlah besar
energi dari infra merah sampai gamma rays.
Galaksi ‘normal’ AGN
Total energi yang
diemisikan=jumlah yang
diemisikan bintang2
Energi = bintang2+ekses
energi dalam infra merah,
radio, UV, dan X-ray

43. Diagram sebuah active galaxy,
menunjukkan komponen2 utama
Ground Based dan Hubble Space Telescope
image Active Galaxy NGC 4261

44. Tipe-tipe AGN:
• Seyfert
• Quasar
• Blazar
Meskipun tipe2 ini kelihatan sangat berbeda,
kemungkinan mereka adalah obyek sejenis yang
terlihat dari arah yang berbeda

45. • Seyfert
- Galaksi2 Seyfert merupakan low-energy gamma sources
(sampai sekitar 100 keV)
- Yang pertama ditemukan adalah NGC 4151 (oleh Carl Seyfert
(1940)), sebuah galaksi spiral berjarak 15 Mpc dari kita.
• Quasar
- Pada tahun 1960-an, beberapa sumber radio, kelihatan
berasosiasi dengan ‘bintang’ sehingga disebut
quasi-stellar radio sources atau quasars.
- Tetapi obyek2 ini memiliki spektra mirip inti galaksi Seyfert.
Ternyata obyek2 ini adalah Seyferts dan galaksi radio
yang intinya lebih terang 10-1000 dari seluruh bintang2nya.
Luminositasnya dapat mencapai 1012
L.
- Tidak seperti Seyfert, quasar dideteksi pada energi tinggi,
biasanya 100MeV atau lebih (bahkan GeV atau TeV).

46. • Dipercaya bahwa galaksi Seyfert dan quasar pada dasarnya
adalah tipe obyek yang sama, hanya dilihat pada arah yang
berbeda.
• Observasi AGN pada panjang gelombang radio sering
menunjukkan jet, yaitu pancaran partikel yang keluar dari pusat.
Partikel2 bermuatan dipercepat hingga mendekati kecepatan
cahaya dalam jet ini.
• Quasar diamati dengan jet mengarah ke kita, yang
memungkinkan kita untuk melihat radiasi energi tinggi.
Pada Seyfert kita melihat dari sisi dan tidak melihat radiasi
energi tinggi yang keluar dalam jet ke arah kita.

47. Daerah di langit yang memuat quasar PKS 0528+134, ditunjukkan pada
Dua saat yang berbeda menggunakan instrumen EGRET instrument
pada Compton Gamma Ray Observatory.

48. • Blazar
- mirip (salah satu relativistic jetnya mengarah ke Bumi)
tapi tidak seterang quasar.
- Di antara tipe-tipe AGN, blazar mengemisikan energi
pada daerah frekuensi yang paling lebar (radio sampai
gamma ray).
- Emisi blazar pada daerah visual dan gamma ray berubah-
ubah (variabel) dengan skala waktu menit – hari.
Dari pergeseran Doppler diketahui bahwa di antara
tipe-tipe AGN quasar terletak paling jauh dan Seyfert
paling dekat