Astronomi sebagai ilmu adalah salah satu yang tertua, sebagaimana diketahui dari artifak-artifak astronomis yang berasal dari era prasejarah; misalnya monumen-monumen dari
Mesir dan
Nubia, atau
Stonehenge yang berasal dari
Britania. Orang-orang dari peradaban-peradaban awal semacam
Babilonia,
Yunani,
Cina,
India, dan
Maya juga didapati telah melakukan pengamatan yang metodologis atas
langit malam. Akan tetapi meskipun memiliki sejarah yang panjang, astronomi baru dapat berkembang menjadi cabang ilmu pengetahuan modern melalui penemuan
teleskop.
Cukup banyak cabang-cabang ilmu yang pernah turut disertakan sebagai bagian dari astronomi, dan apabila diperhatikan, sifat cabang-cabang ini sangat beragam: dari
astrometri,
pelayaran berbasis angkasa, astronomi observasional, sampai dengan penyusunan
kalender dan
astrologi. Meski demikian, dewasa ini astronomi profesional dianggap identik dengan
astrofisika.
Pada abad ke-20, astronomi profesional terbagi menjadi dua cabang:
astronomi observasional dan
astronomi teoretis. Yang pertama melibatkan pengumpulan data dari pengamatan atas benda-benda langit, yang kemudian akan dianalisis menggunakan prinsip-prinsip dasar fisika. Yang kedua terpusat pada upaya pengembangan model-model komputer/analitis guna menjelaskan sifat-sifat benda-benda langit serta fenomena-fenomena alam lainnya. Adapun kedua cabang ini bersifat komplementer — astronomi teoretis berusaha untuk menerangkan hasil-hasil pengamatan astronomi observasional, dan astronomi observasional kemudian akan mencoba untuk membuktikan kesimpulan yang dibuat oleh astronomi teoretis.
Astronom-astronom amatir telah dan terus berperan penting dalam banyak penemuan-penemuan astronomis, menjadikan astronomi salah satu dari hanya sedikit ilmu pengetahuan di mana tenaga amatir masih memegang peran aktif, terutama pada penemuan dan pengamatan fenomena-fenomena sementara.
Astronomi harus dibedakan dari astrologi, yang merupakan kepercayaan bahwa nasib dan urusan manusia berhubungan dengan letak benda-benda langit seperti bintang atau rasinya. Memang betul bahwa dua bidang ini memiliki asal-usul yang sama, namun pada saat ini keduanya sangat berbeda.
[1]
Kata
astronomi berasal dari
bahasa Yunani, yaitu kata
astron (ἄστρον, "bintang") yang kemudian diberi akhiran
-nomi dari
nomos (νόμος, "hukum" atau "budaya"). Maka secara harafiah ia bermakna "hukum/budaya bintang-bintang".
[sunting]Penggunaan istilah "astronomi" dan "astrofisika"
Secara umum baik "astronomi" maupun "astrofisika" boleh digunakan untuk menyebut ilmu yang sama.
[2][3][4] Apabila hendak merujuk ke definisi-definisi kamus yang baku, "astronomi" bermakna "penelitian benda-benda langit dan materi di luar atmosfer Bumi serta sifat-sifat fisika dan kimia benda-benda dan materi tersebut"
[5] sedang "astrofisika" adalah cabang dari astronomi yang berurusan dengan "tingkah laku, sifat-sifat fisika, serta proses-proses dinamis dari benda-benda dan fenomena-fenomena langit".
[6]
Dalam kasus-kasus tertentu, misalnya pada pembukaan buku
The Physical Universe oleh
Frank Shu, "astronomi" boleh dipergunakan untuk sisi kualitatif dari ilmu ini, sedang "astrofisika" untuk sisi lainnya yang lebih berorientasi fisika.
[7] Namun demikian, penelitian-penelitian astronomi modern kebanyakan berurusan dengan topik-topik yang berkenaan dengan fisika, sehingga bisa saja kita mengatakan bahwa astronomi modern adalah astrofisika.
[2] Banyak badan-badan penelitian yang, dalam memutuskan menggunakan istilah yang mana, hanya bergantung dari apakah secara sejarah mereka berafiliasi dengan departemen-departemen fisika atau tidak.
[3] Astronom-astronom profesional sendiri banyak yang memiliki gelar di bidang fisika.
[4] Untuk ilustrasi lebih lanjut, salah satu jurnal ilmiah terkemuka pada cabang ilmu ini bernama
Astronomy and Astrophysics (Astronomi dan Astrofisika).
Pada awalnya, astronomi hanya melibatkan pengamatan beserta prediksi atas gerak-gerik benda-benda langit yang terlihat dengan mata telanjang. Pada beberapa situs seperti Stonehenge, peradaban-peradaban awal juga menyusun artifak-artifak yang diduga memiliki kegunaan astronomis.
Observatorium-observatorium purba ini jamaknya bertujuan seremonial, namun dapat juga dimanfaatkan untuk menentukan musim, cuaca, dan iklim — sesuatu yang wajib diketahui apabila ingin bercocok tanam — atau memahami panjang tahun.
[8]
Sebelum ditemukannya peralatan seperti teleskop, penelitian harus dilakukan dari atas bangunan-bangunan atau dataran yang tinggi, semua dengan mata telanjang. Seiring dengan berkembangnya peradaban, terutama di Mesopotamia, Cina, Mesir, Yunani, India, dan Amerika Tengah, orang-orang mulai membangun observatorium dan gagasan-gagasan mengenai sifat-sifat semesta mulai ramai diperiksa. Umumnya, astronomi awal disibukkan dengan pemetaan letak-letak bintang dan planet (sekarang disebut
astrometri), kegiatan yang akhirnya melahirkan teori-teori tentang pergerakan benda-benda langit dan pemikiran-pemikiran filosofis untuk menjelaskan asal-usul
Matahari,
Bulan, dan Bumi. Bumi kemudian dianggap sebagai pusat jagat raya, sedang Matahari, Bulan, dan bintang-bintang berputar mengelilinginya; model semacam ini dikenal sebagai model geosentris, atau
sistem Ptolemaik(dari nama astronom
Romawi-
Mesir Ptolemeus).
[9]
Dimulainya astronomi yang berdasarkan perhitungan matematis dan ilmiah dulu dipelopori oleh orang-orang Babilonia.
[10] Mereka menemukan bahwa
gerhana bulan memiliki sebuah siklus yang teratur, disebut siklus
saros.
[11] Mengikuti jejak astronom-astronom Babilonia, kemajuan demi kemajuan kemudian berhasil dicapai oleh komunitas astronomi Yunani Kuno dan negeri-negeri sekitarnya. Astronomi Yunani sedari awal memang bertujuan untuk menemukan penjelasan yang rasional dan berbasis fisika untuk fenomena-fenomena angkasa.
[12] Pada abad ke-3 SM,
Aristarkhos dari Samos melakukan perhitungan atas ukuran Bumi serta jarak antara Bumi dan Bulan, dan kemudian mengajukan model Tata Surya yang
heliosentris — pertama kalinya dalam sejarah. Pada abad ke-2 SM,
Hipparkhos berhasil menemukan gerak
presesi, juga menghitung ukuran Bulan dan Matahari serta jarak antara keduanya, sekaligus membuat alat-alat penelitian astronomi paling awal seperti
astrolab.
[13] Mayoritas penyusunan rasi bintang di belahan utara sekarang masih didasarkan atas susunan yang diformulasikan olehnya melalui katalog yang waktu itu mencakup 1.020 bintang.
[14] Mekanisme Antikythera yang terkenal (
ca. 150-80 SM) juga berasal dari periode yang sama:
komputer analog yang digunakan untuk menghitung letak Matahari/Bulan/planet-planet pada tanggal tertentu ini merupakan barang paling kompleks dalam sejarah sampai abad ke-14, ketika
jam-jam astronomi mulai bermunculan di Eropa.
[15]
Di Eropa sendiri selama
Abad Pertengahan astronomi sempat mengalami kebuntuan dan stagnansi. Sebaliknya, perkembangan pesat terjadi di
dunia Islam dan beberapa peradaban lainnya, ditandai dengan dibangunnya observatorium-observatorium di belahan dunia sana pada awal abad ke-9.
[16][17][18] Pada tahun 964, astronom Persia
Al-Sufi menemukan
Galaksi Andromeda (
galaksi terbesar di
Grup Lokal) dan mencatatnya dalam
Book of Fixed Stars (
Kitab Suwar al-Kawakib).
[19] Supernova SN 1006, ledakan bintang
paling terang dalam catatan sejarah, berhasil diamati oleh astronom Mesir
Ali bin Ridwan dan sekumpulan astronom Cina yang terpisah pada tahun yang sama (1006 M). Astronom-astronom besar dari era Islam ini kebanyakan berasal dari
Persia dan
Arab, termasuk
Al-Battani,
Tsabit bin Qurrah, Al-Sufi,
Ibnu Balkhi,
Al-Biruni,
Al-Zarqali,
Al-Birjandi, serta astronom-astronom dari observatorium-observatorium di
Maragha dan
Samarkand. Melalui era inilah nama-nama bintang yang berdasarkan bahasa Arab diperkenalkan.
[20][21] Reruntuhan-reruntuhan di
Zimbabwe Raya dan
Timbuktu[22] juga kemungkinan sempat memiliki bangunan-bangunan observatorium
[23] — melemahkan keyakinan sebelumnya bahwa tidak ada pengamatan astronomis di daerah
sub-Sahara sebelum era kolonial.
[24][25][26][27]
[sunting]Revolusi ilmiah
Sketsa
Bulan oleh
Galileo. Melalui pengamatan, diketahui bahwa permukaan Bulan berbukit-bukit.
Pada
Zaman Renaisans,
Copernicus menyusun model
Tata Surya heliosentris, model yang kemudian dibela dari kontroversi, dikembangkan, dan dikoreksi oleh
Galileo dan
Kepler. Galileo berinovasi dengan teleskop guna mempertajam pengamatan astronomis, sedang Kepler berhasil menjadi ilmuwan pertama yang menyusun secara tepat dan mendetail pergerakan planet-planet dengan Matahari sebagai pusatnya.
[28] Meski demikian, ia gagal memformulasikan teori untuk menjelaskan hukum-hukum yang ia tuliskan, sampai akhirnya
Newton (yang juga menemukan
teleskop refleksi untuk pengamatan langit) menjelaskannya melalui
dinamika angkasa dan hukum
gravitasi.
[29][28]
Seiring dengan semakin baiknya ukuran dan kualitas teleskop, semakin banyak pula penemuan-penemuan lebih lanjut yang terjadi. Melalui teknologi ini
Lacaille berhasil mengembangkan katalog-katalog bintang yang lebih lengkap; usaha serupa juga dilakukan oleh astronom
Jerman-
Inggris Herschel dengan memproduksi katalog-katalog nebula dan gugusan. Pada tahun 1781 ia menemukan planet
Uranus, planet pertama yang ditemui di luar planet-planet klasik.
[30] Pengukuran jarak menuju sebuah bintang pertama kali dipublikasikan pada 1838 oleh
Bessel, yang pada saat itu melakukannya melalui pengukuran
paralaks dari
61 Cygni.
[31]
Abad ke-18 sampai abad ke-19 pertama diwarnai oleh penelitian atas
masalah tiga-badan oleh
Euler,
Clairaut, dan
D'Alembert; penelitian yang menghasilkan metode prediksi yang lebih tepat untuk pergerakan Bulan dan planet-planet. Pekerjaan ini dipertajam oleh
Lagrangedan
Laplace, sehingga memungkinkan ilmuwan untuk memperkirakan massa planet dan satelit lewat perturbasi/usikannya.
[32] Penemuan
spektroskop dan
fotografi kemudian mendorong kemajuan penelitian lagi: pada 1814-1815,
Fraunhoffer menemukan lebih kurang 600 pita spektrum pada Matahari, dan pada 1859
Kirchhoff akhirnya bisa menjelaskan fenomena ini dengan mengatribusikannya pada keberadaan unsur-unsur. Pada masa ini bintang-bintang dikonfirmasikan sebagai Matahari-matahari lain yang lebih jauh letaknya, namun dengan perbedaan-perbedaan pada
suhu,
massa, dan ukuran.
[20]
[sunting]Astronomi observasional
Seperti diketahui, astronomi memerlukan informasi tentang
benda-benda langit, dan sumber informasi yang paling utama sejauh ini adalah
radiasi elektromagnetik, atau lebih spesifiknya,
cahaya tampak.
[34] Astronomi observasional bisa dibagi lagi menurut daerah-daerah
spektrum elektromagnetik yang diamati: sebagian dari spektrum tersebut bisa diteliti melalui permukaan
Bumi, sementara bagian lain hanya bisa dijangkau dari ketinggian tertentu atau bahkan hanya dari ruang angkasa. Keterangan lebih lengkap tentang pembagian-pembagian ini bisa dilihat di bawah:
[sunting]Astronomi radio
Astronomi observasional jenis ini mengamati radiasi dengan
panjang gelombang yang lebih dari satu milimeter (perkiraan).
[35]Berbeda dengan jenis-jenis lainnya, astronomi observasional tipe radio mengamati gelombang-gelombang yang bisa diperlakukan selayaknya
gelombang, bukan
foton-foton yang diskrit. Dengan demikian pengukuran
fase dan
amplitudonya relatif lebih gampang apabila dibandingkan dengan gelombang yang lebih pendek.
[35]
[sunting]Astronomi inframerah
Astronomi inframerah melibatkan pendeteksian beserta analisis atas radiasi
inframerah (radiasi di mana panjang gelombangnya melebihi cahaya merah). Sebagian besar radiasi jenis ini diserap oleh atmosfer Bumi, kecuali yang panjang gelombangnya tidak berbeda terlampau jauh dengan cahaya merah yang tampak. Oleh sebab itu, observatorium yang hendak mengamati radiasi inframerah harus dibangun di tempat-tempat yang tinggi dan tidak lembap, atau malah di ruang angkasa.
Spektrum ini bermanfaat untuk mengamati benda-benda yang terlalu dingin untuk memancarkan cahaya tampak, misalnya planet-planet atau
cakram-cakram pengitar bintang. Apabila radiasinya memiliki gelombang yang cenderung lebih panjang, ia dapat pula membantu para astronom mengamati bintang-bintang muda pada
awan-awan molekul dan inti-inti galaksi — sebab radiasi seperti itu mampu menembus debu-debu yang menutupi dan mengaburkan pengamatan astronomis.
[36] Astronomi inframerah juga bisa dimanfaatkan untuk mempelajari struktur kimia benda-benda angkasa, karena beberapa molekul memiliki pancaran yang kuat pada panjang gelombang ini. Salah satu kegunaannya yaitu mendeteksi keberadaan air pada komet-komet.
[37]
[sunting]Astronomi optikal
Dikenal juga sebagai astronomi cahaya tampak, astronomi optikal mengamati radiasi elektromagnetik yang tampak oleh mata telanjang manusia. Oleh sebab itu, ini merupakan cabang yang paling tua, karena tidak memerlukan peralatan.
[38] Mulai dari penghujung abad ke-19 sampai kira-kira seabad setelahnya, citra-citra astronomi optikal memakai teknik fotografis, namun sebelum itu mereka harus digambar menggunakan tangan. Dewasa ini detektor-detektor digitallah yang dipergunakan, terutama yang memakai
CCD (
charge-coupled devices, peranti tergandeng-muatan).
Cahaya tampak sebagaimana diketahui memiliki panjang dari 4.000
Å sampai 7.000 Å (400-700
nm).
[38] Namun demikian, alat-alat pengamatan yang dipakai untuk mengamati panjang gelombang demikian dipakai pula untuk mengamati gelombang
hampir-ultraungu dan
hampir-inframerah.
[sunting]Astronomi ultraungu
Ultraungu yaitu radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang lebih kurang 100 sampai 3.200 Å (10-320 nm).
[35] Cahaya dengan panjang seperti ini diserap oleh atmosfer Bumi, sehingga untuk mengamatinya harus dilakukan dari lapisan atmosfer bagian atas, atau dari luar atmosfer (ruang angkasa). Astronomi jenis ini cocok untuk mempelajari radiasi termal dan garis-garis spektrum pancaran dari bintang-bintang biru yang bersuhu sangat tinggi (
klasifikasi OB), sebab bintang-bintang seperti itu sangat cemerlang radiasi ultraungunya — penelitian seperti ini sering dilakukan dan mencakup bintang-bintang yang berada di galaksi-galaksi lain. Selain bintang-bintang OB, benda-benda langit yang kerap diamati melalui astronomi cabang ini antara lain
nebula-nebula planet,
sisa-sisa supernova, atau inti-inti galaksi aktif. Diperlukan penyetelan yang berbeda untuk keperluan seperti demikian sebab cahayanya mudah tertelan oleh
debu-debu antarbintang.
[35]
[sunting]Astronomi sinar-X
Benda-benda bisa memancarkan cahaya berpanjang gelombang
sinar-X melalui
pancaran sinkrotron (berasal dari elektron-elektron yang berkisar di sekeliling medan magnet) atau melalui pancaran termal
gas pekat dan
gas encer pada 10
7 K.
[35] Sinar-X juga diserap oleh
atmosfer, sehingga pengamatan harus dilakukan dari atas balon, roket, atau satelit penelitian. Sumber-sumber sinar-X antara lain
bintang biner sinar-X (
X-ray binary), pulsar, sisa-sisa supernova,
galaksi elips,
gugusan galaksi, serta inti galaksi aktif.
[35]
[sunting]Astronomi sinar-gamma
Astronomi sinar-gamma mempelajari benda-benda astronomi pada panjang gelombang paling pendek (
sinar-gamma). Sinar-gamma bisa diamati secara langsung melalui satelit-satelit seperti
Observatorium Sinar-Gamma Compton (CGRO), atau dengan jenis teleskop khusus yang disebut
teleskop Cherenkov (IACT).
[35] Teleskop jenis itu sebetulnya tidak mendeteksi sinar-gamma, tapi mampu mendeteksi percikan cahaya tampak yang dihasilkan dari proses penyerapan sinar-gamma oleh atmosfer.
[39]
Kebanyakan sumber sinar-gamma hanyalah berupa
ledakan sinar-gamma, yang hanya menghasilkan sinar tersebut dalam hitungan milisekon sampai beberapa puluh detik saja. Sumber yang permanen dan tidak sementara hanya sekitar 10% dari total jumlah sumber, misalnya sinar-gamma dari pulsar,
bintang neutron, atau inti galaksi aktif dan kandidat-kandidat
lubang hitam.
[35]
[sunting]Cabang-cabang yang tidak berdasarkan panjang gelombang
Terdapat pula cabang baru yang menggunakan detektor-detektor gelombang gravitasional untuk mengumpulkan data tentang benda-benda rapat:
astronomi gelombang gravitasional. Observatorium-observatorium untuk bidang ini sudah mulai dibangun, contohnya observatorium
LIGO di
Louisiana,
AS. Tetapi astronomi seperti ini sulit, sebab
gelombang gravitasional amat sukar untuk dideteksi.
[41]
Ahli-ahli astronomi planet juga banyak yang mengamati fenomena-fenomena angkasa secara langsung, yaitu melalui wahana-wahana antariksa serta misi-misi pengumpulan sampel. Beberapa hanya bekerja dengan sensor jarak jauh untuk mengumpulkan data, tapi beberapa lainnya melibatkan pendaratan —dengan kendaraan antariksa yang mampu bereksperimen di atas permukaan. Metode-metode lain misalnya detektor material terbenam atau melakukan eksperimen langsung terhadap sampel yang dibawa ke Bumi sebelumnya.
[sunting]Astrometri dan mekanika benda langit
Pengukuran letak benda-benda langit, seperti disebutkan, adalah salah satu cabang astronomi (dan bahkan sains) yang paling tua. Kegiatan-kegiatan seperti
pelayaran atau penyusunan
kalender memang sangat membutuhkan pengetahuan yang akurat mengenai letak Matahari, Bulan, planet-planet, serta bintang-bintang di langit.
Dari proses pengukuran seperti ini dihasilkan pemahaman yang baik sekali tentang
usikan gravitasi dan pada akhirnya astronom-astronom dapat menentukan letak benda-benda langit dengan tepat pada masa lalu dan masa depan — cabang astronomi yang mendalami bidang ini dikenal sebagai
mekanika benda langit. Dewasa ini penjejakan atas
benda-benda yang dekat dengan Bumi juga memungkinkan prediksi-prediksi akan pertemuan dekat, atau bahkan benturan.
[42]
Kemudian terdapat pengukuran
paralaks bintang. Pengukuran ini sangat penting karena memberi nilai basis dalam metode
tangga jarak kosmik; melalui metode ini ukuran dan skala alam semesta bisa diketahui. Pengukuran paralaks bintang yang relatif lebih dekat juga bisa dipakai sebagai basis absolut untuk ciri-ciri bintang yang lebih jauh, sebab ciri-ciri di antara mereka dapat dibandingkan.
Kinematika mereka lalu bisa kita susun lewat pengukuran
kecepatan radial serta
gerak diri masing-masing. Hasil-hasil astrometri dapat pula dimanfaatkan untuk pengukuran
materi gelap di dalam galaksi.
[43]
[sunting]Astronomi teoretis
Terdapat banyak jenis-jenis metode dan peralatan yang bisa dimanfaatkan oleh seorang astronom teoretis, antara lain
model-model analitik (misalnya
politrop untuk memperkirakan perilaku sebuah
bintang) dan
simulasi-simulasi numerik komputasional; masing-masing dengan keunggulannya sendiri. Model-model analitik umumnya lebih baik apabila peneliti hendak mengetahui pokok-pokok persoalan dan mengamati apa yang terjadi secara garis besar; model-model numerik bisa mengungkap keberadaan fenomena-fenomena serta efek-efek yang tidak mudah terlihat.
[45][46]
Para teoris berupaya untuk membuat model-model teoretis dan menyimpulkan akibat-akibat yang dapat diamati dari model-model tersebut. Ini akan membantu para pengamat untuk mengetahui data apa yang harus dicari untuk membantah suatu model, atau memutuskan mana yang benar dari model-model alternatif yang bertentangan. Para teoris juga akan mencoba menyusun model baru atau memperbaiki model yang sudah ada apabila ada data-data baru yang masuk. Apabila terjadi pertentangan/inkonsistensi, kecenderungannya adalah untuk membuat modifikasi minimal pada model yang bersangkutan untuk mengakomodir data yang sudah didapat. Kalau pertentangannya terlalu banyak, modelnya bisa dibuang dan tidak digunakan lagi.
Beberapa contoh proses:
Wacana yang tengah hangat dalam astronomi pada beberapa tahun terakhir adalah
materi gelap dan
energi gelap — penemuan dan kontroversi mengenai topik-topik ini bermula dari penelitian atas galaksi-galaksi.
[47]
[sunting]Cabang-cabang spesifik
[sunting]Astronomi surya
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Matahari
Matahari adalah bintang yang terdekat dari Bumi pada sekitar 8 menit cahaya, dan yang paling sering diteliti; ia merupakan
bintang katai pada
deret utama dengan
klasifikasi G2 V dan usia sekitar 4,6 milyar tahun. Walau tidak sampai tingkat
bintang variabel, Matahari mengalami sedikit perubahan cahaya melalui aktivitas yang dikenal sebagai
siklus bintik Matahari — fluktuasi pada angka
bintik-bintik Matahari selama sebelas tahun. Bintik Matahari ialah daerah dengan suhu yang lebih rendah dan aktivitas magnetis yang hebat.
[48]
Luminositas Matahari terus bertambah kuat secara tetap sepanjang hidupnya, dan sejak pertama kali menjadi bintang deret utama sudah bertambah sebanyak 40%. Matahari juga telah tercatat melakukan perubahan periodik dalam luminositas, sesuatu yang bisa menyebabkan akibat-akibat yang signifikan atas kehidupan di atas Bumi.
[49] Misalnya periode
minimum Maunder, yang sampai menyebabkan fenomena
zaman es kecil pada
Abad Pertengahan.
[50]
Permukaan luar Matahari yang bisa kita lihat disebut
fotosfer. Di atasnya ada lapisan tipis yang biasanya tidak terlihat karena terangnya fotosfer, yaitu
kromosfer. Di atasnya lagi ada lapisan transisi di mana suhu bisa naik secara cepat, dan di atasnya terdapatlah
korona yang sangat panas.
Di tengah-tengah Matahari ialah daerah inti; ada tingkat suhu dan tekanan yang cukup di sini sehingga
fusi nuklir dapat terjadi. Di atasnya terdapat
zona radiatif; di sini plasma akan menghantarkan panas melalui proses radiasi. Di atas
zona radiatif adalah zona konvektif; materi gas di zona ini akan menghantarkan energi sebagian besar lewat pergerakan materi gas itu sendiri. Zona inilah yang dipercaya sebagai sumber aktivitas magnetis penghasil bintik-bintik Matahari.
[48]
Terdapat angin surya berupa partikel-partikel plasma yang bertiup keluar dari Matahari secara terus-menerus sampai mencapai titik
heliopause. Angin ini bertemu dengan
magnetosfer Bumi dan membentuk
sabuk-sabuk radiasi Van Allen dan — di mana garis-garis medan magnet Bumi turun menujur atmosfer — menghasilkan
aurora.
[51]
[sunting]Ilmu keplanetan
Cabang astronomi ini meneliti susunan
planet,
bulan,
planet katai,
komet,
asteroid, serta benda-benda langit lain yang mengelilingi bintang, terutama Matahari, walau ilmu ini meliputi juga planet-planet luar surya.
Tata Surya kita sendiri sudah dipelajari secara mendalam — pertama-tama melalui teleskop dan kemudian menggunakan
wahana-wahana antariksa — sehingga pemahaman sekarang mengenai formasi dan evolusi sistem keplanetan ini sudah sangat baik, walaupun masih ada penemuan-penemuan baru yang terjadi.
[52]
Titik hitam di atas ialah sebuah
setan debu (
dust devil) yang tengah memanjat suatu kawah di
Mars. Ini serupa dengan
tornado yang berpilin dan berpindah-pindah, menghasilkan "ekor" yang panjang dan gelap. Citra oleh
NASA.
Terbentuknya planet-planet bermula pada sebuah
cakram protoplanet yang mengitari Matahari pada periode-periode awalnya. Dari cakram ini terwujudlah gumpalan-gumpalan materi melalui proses yang melibatkan tarikan gravitasi, benturan, dan akresi; gumpalan-gumpalan ini kemudian lama-kelamaan menjadi kumpulan protoplanet. Karena
tekanan radiasi dari
angin surya terus mendorong materi-materi yang belum menggumpal, hanya planet-planet yang massanya cukup besar yang mampu mempertahankan atmosfer berbentuk gas. Planet-planet muda ini terus menyapu dan memuntahkan materi-materi yang tersisa, menghasilkan sebuah periode penghancuran yang hebat. Sisa-sisa periode ini bisa dilihat melalui banyaknya
kawah-kawah tabrakan di permukaan Bulan. Adapun dalam jangka waktu ini sebagian dari protoplanet-protoplanet yang ada mungkin bertabrakan satu sama lain;
kemungkinan besar tabrakan seperti itulah yang melahirkan Bulan kita.
[54]
Ketika suatu planet mencapai massa tertentu, materi-materi dengan massa jenis yang berlainan mulai saling memisahkan diri dalam proses yang disebut
diferensiasi planet. Proses demikian bisa menghasilkan inti yang berbatu-batu atau terdiri dari materi-materi logam, diliputi oleh lapisan mantel dan lalu permukaan luar. Inti planet ini bisa terbagi menjadi daerah-daerah yang padat dan cair, dan beberapa mampu menghasilkan
medan magnet mereka sendiri, sehingga planet dapat terlindungi dari angin surya.
[55]
Panas di bagian dalam sebuah planet atau bulan datang dari benturan yang dihasilkan sendiri oleh planet/bulan tersebut, atau oleh materi-materi radioaktif (misalnya
uranium,
torium, atau
26Al), atau
pemanasan pasang surut. Beberapa planet dan bulan berhasil mengumpulkan cukup panas untuk menjalankan proses-proses geologis seperti
vulkanisme dan aktivitas-aktivitas tektonik. Apabila planet/bulan tersebut juga memiliki
atmosfer, maka
erosi pada permukaan (melalui angin atau air) juga dapat terjadi. Planet/bulan yang lebih kecil dan tanpa pemanasan pasang surut akan menjadi dingin lebih cepat dan kegiatan-kegiatan geologisnya akan berakhir, terkecuali pembentukan kawah-kawah tabrakan.
[56]
[sunting]Astronomi bintang
Artikel utama untuk bagian ini adalah:
Bintang
Nebula Semut. Gas yang dimuntahkan dari bintang sekarat di tengahnya tidak biasa karena membentuk pola yang simetris, bukan semrawut seperti ledakan pada umumnya.
Untuk memahami alam semesta, penelitian atas
bintang-bintang dan bagaimana mereka
berevolusi sangatlah fundamental. Astrofisika yang berkenaan dengan bintang sendiri bisa diketahui baik lewat segi pengamatan maupun segi teoretis, serta juga melalui simulasi komputer.
[57]
Bintang
terbentuk pada
awan-awan molekul raksasa, yaitu daerah-daerah yang padat akan debu dan gas. Ketika kehilangan kestabilannya, serpihan-serpihan dari awan-awan ini bisa runtuh di bawah gaya gravitasi dan membentuk
protobintang. Apabila bagian intinya mencapai kepadatan dan suhu tertentu,
fusi nuklir akan dipicu dan akan terbentuklah sebuah bintang
deret utama.
[58]
Nyaris semua unsur yang lebih berat dari
hidrogen dan
helium merupakan hasil dari
proses yang terjadi di dalam inti bintang-bintang.
[57]
Ciri-ciri yang akan dimiliki oleh suatu bintang secara garis besar ditentukan oleh massa awalnya: semakin besar massanya, maka semakin tinggi pula luminositasnya, dan semakin cepat pula ia akan menghabiskan bahan bakar hidrogen pada inti. Lambat laun, bahan bakar hidrogen ini akan diubah menjadi helium, dan bintang yang bersangkutan akan mulai berevolusi. Untuk melakukan fusi helium, diperlukan suhu inti yang lebih tinggi, oleh sebab itu intinya akan semakin padat dan ukuran bintang pun berlipat ganda — bintang ini telah menjadi sebuah
raksasa merah. Fase raksasa merah ini relatif singkat, sampai bahan bakar heliumnya juga sudah habis terpakai. Kalau bintang tersebut memiliki massa yang sangat besar, maka akan dimulai fase-fase evolusi di mana ia semakin mengecil secara bertahap, sebab terpaksa melakukan fusi nuklir terhadap unsur-unsur yang lebih berat.
[59]
Adapun nasib akhir sebuah bintang bergantung pula pada massa. Jika massanya lebih dari sekitar delapan kali lipat Matahari kita, maka gravitasi intinya akan runtuh dan menghasilkan sebuah
supernova;
[60] jika tidak, akan menjadi
nebula planet, dan terus berevolusi menjadi sebuah
katai putih.
[61] Yang tersisa setelah supernova meletus adalah sebuah
bintang neutron yang sangat padat, atau, apabila materi sisanya mencapai tiga kali lipat massa Matahari,
lubang hitam.
[62] Bintang-bintang biner yang saling berdekatan evolusinya bisa lebih rumit lagi, misalnya, bisa terjadi pemindahan massa ke arah bintang rekannya yang dapat menyebabkan supernova.
[63]
Nebula-nebula planet dan supernova-supernova diperlukan untuk proses distribusi
logam di
medium antarbintang; kalau tidak demikian, seluruh bintang-bintang baru (dan juga sistem-sistem planet mereka) hanya akan tersusun dari hidrogen dan helium saja.
[64]
[sunting]Astronomi galaksi
Struktur lengan-lengan spiral
Bima Saktiyang sudah teramati.
Tata Surya kita beredar di dalam
Bima Sakti, sebuah
galaksi spiral berpalang di
Grup Lokal. Ia merupakan salah satu yang paling menonjol di kumpulan galaksi tersebut. Bima Sakti merotasi materi-materi gas, debu, bintang, dan benda-benda lain, semuanya berkumpul akibat tarikan gaya gravitasi bersama. Bumi sendiri terletak pada sebuah lengan galaksi berdebu yang ada di bagian luar, sehingga banyak daerah-daerah Bima Sakti yang tidak terlihat.
Pada pusat galaksi ialah bagian inti, semacam tonjolan berbentuk seperti batang; diyakini bahwa terdapat sebuah
lubang hitam supermasif di bagian pusat ini. Bagian ini dikelilingi oleh empat lengan utama yang melingkar dari tengah menuju arah luar, dan isinya kaya akan fenomena-fenomena pembentukan bintang, sehingga memuat banyak bintang-bintang muda (
metalisitas populasi I). Cakram ini lalu diliputi oleh
cincin galaksi yang berisi bintang-bintang yang lebih tua (
metalisitas populasi II) dan juga
gugusan-gugusan bintang berbentuk bola (
globular), yaitu semacam kumpulan-kumpulan bintang yang relatif lebih padat.
[65]
Ketika sudah banyak bintang besar yang muncul, mereka akan mengubah awan molekul menjadi awan
daerah H II, yaitu awan dengan gas berpijar dan plasma. Pada akhirnya
angin serta ledakan supernova yang berasal dari bintang-bintang ini akan memencarkan awan yang tersisa, biasanya menghasilkan sebuah (atau lebih dari satu)
gugusan bintang terbuka yang baru. Gugusan-gugusan ini lambat laun berpendar, dan bintang-bintangnya bergabung dengan Bima Sakti.
[66]
Sejumlah penelitian kinematika berkenaan dengan materi-materi di Bima Sakti (dan galaksi lainnya) menunjukkan bahwa materi-materi yang tampak massanya kurang dari massa seluruh galaksi. Ini menandakan terdapat apa yang disebut
materi gelap yang bertanggung jawab atas sebagian besar massa keseluruhan, tapi banyak hal yang belum diketahui mengenai materi misterius ini.
[67]
[sunting]Astronomi ekstragalaksi
Citra di atas menampilkan beberapa benda biru berbentuk lingkaran; ini adalah gambar-gambar dari galaksi yang sama, tergandakan oleh efek
lensa gravitasionalyang disebabkan oleh gugusan galaksi-galaksi kuning pada bagian tengah foto. Efek lensa itu dihasilkan medan gravitasi gugusan dan membelokkan cahaya sehingga gambar salah satu benda yang lebih jauh diperbesar dan terdistorsi.
Persis seperti namanya, galaksi elips berbentuk seperti
elips. Bintang-bintang berputar pata garis edarnya secara
acak tanpa menuju arah yang jelas. Galaksi-galaksi seperti ini kandungan debu antarbintangnya sangat sedikit atau malah tidak ada; daerah penghasil bintangnya tidak banyak; dan rata-rata penghuninya bintang-bintang yang sudah tua. Biasanya galaksi elips ditemukan pada bagian inti gugusan galaksi, dan bisa terlahir melalui peleburan galaksi-galaksi besar.
Galaksi spiral membentuk cakram gepeng yang berotasi, biasanya dengan tonjolan atau batangan pada bagian tengah dan lengan-lengan spiral cemerlang yang timbul dari bagian tersebut. Lengan-lengan ini ialah lapangan berdebu tempat lahirnya bintang-bintang baru, dan penghuninya adalah bintang-bintang muda yang bermassa besar dan berpijar biru. Umumnya, galaksi spiral akan dikelilingi oleh cincin yang tersusun atas bintang-bintang yang lebih tua. Contoh galaksi semacam ini adalah
Bima Saktidan
Andromeda.
Galaksi-galaksi tak beraturan bentuknya kacau dan tidak menyerupai bangun tertentu seperti spiral atau elips. Kira-kira seperempat dari galaksi-galaksi tergolong tak beraturan, barangkali disebabkan oleh interaksi gravitasi.
Sebuah galaksi dikatakan aktif apabila memancarkan jumlah energi yang signifikan dari sumber selain bintang-bintang, debu, atau gas; juga, apabila sumber tenaganya berasal dari daerah padat di sekitar inti — kemungkinan sebuah lubang hitam supermasif yang memancarkan radiasi benda-benda yang ia telan.
Apabila sebuah galaksi aktif memiliki radiasi spektrum
radio yang sangat terang serta memancarkan jalaran gas dalam jumlah besar, maka galaksi tersebut tergolong
galaksi radio. Contoh galaksi seperti ini adalah
galaksi-galaksi Seyfert,
kuasar, dan
blazar. Kuasar sekarang diyakini sebagai benda yang paling dapat dipastikan sangat cemerlang; tidak pernah ditemukan spesimen yang redup.
[69]
Struktur skala besar dari alam semesta sekarang digambarkan sebagai kumpulan dari grup-grup dan gugusan-gugusan galaksi. Struktur ini diklasifikasi lagi dalam sebuah hierarki pengelompokan; yang terbesar adalah
maha-gugusan (
supercluster). Kemudian kelompok-kelompok ini disusun menjadi
filamen-filamen dan dinding-dinding galaksi, dengan
kehampaan di antara mereka.
[70]
Kosmologi, berasal dari bahasa Yunani kosmos (κόσμος, "dunia") dan akhiran -logia dari logos (λόγος, "pembelajaran") dapat dipahami sebagai upaya meneliti alam semesta secara keseluruhan.
Pengamatan atas struktur skala besar alam semesta, yaitu cabang yang dikenal sebagai
kosmologi fisik, telah menyumbangkan pemahaman yang mendalam tentang formasi dan evolusi jagat raya. Salah satu teori yang paling penting (dan sudah diterima luas) adalah teori
Dentuman Besar, yang menyatakan bahwa dunia bermula pada satu titik dan mengembang selama 13,7 milyar tahun sampai ke masa sekarang.
[71] Gagasan ini bisa dilacak kembali pada penemuan
radiasi latar belakang gelombang mikro kosmispada tahun 1965.
[71]
Selama proses pengembangan ini, alam telah mengalami beberapa tingkat evolusi. Pada awalnya, diduga bahwa terdapat
inflasi kosmik yang sangat cepat, mengakibatkan homogenisasi pada kondisi-kondisi awal. Setelah itu melalui
nukleosintesis dihasilkan ketersediaan unsur-unsur untuk periode awal alam semesta.
[71] (Lihat juga
nukleokosmokronologi.)
Ketika atom-atom pertama bermunculan, antariksa menjadi transparan terhadap radiasi, melepaskan energi yang sekarang dikenal sebagai radiasi CMB. Alam semesta yang tengah mengembang pun memasuki Zaman Kegelapan, sebab tidak ada sumber daya bintang yang bisa memancarkan cahaya.
[72]
Susunan materi yang hierarkis mulai terbentuk lewat variasi-variasi kecil pada massa jenis. Materi lalu terhimpun pada daerah-daerah dengan massa jenis yang paling tinggi, melahirkan awan-awan gas dan bintang-bintang yang paling purba (
metalisitas III). Bintang-bintang besar ini memicu proses
reionisasi dan dipercaya telah menciptakan banyak unsur-unsur berat pada alam semesta dini; unsur-unsur ini cenderung meluruh kembali menjadi unsur-unsur yang lebih ringan, memperpanjang siklus.
[73]
Pengumpulan yang dipicu oleh gravitasi mengakibatkan materi membentuk filamen-filamen dan menyisakan ruang-ruang hampa di antaranya. Lambat laun, gas dan debu melebur dan membentuk galaksi-galaksi primitif. Lama-kelamaan semakin banyak materi yang ditarik, dan tersusun menjadi grup dan gugusan galaksi. Pada akhirnya, maha-gugusan yang lebih besar pun terwujud.
[74]
Benda-benda lain yang memegang peranan penting dalam struktur alam semesta adalah
materi gelap dan
energi gelap. Benda-benda inilah yang ternyata merupakan komponen utama dunia kita, di mana massa mereka mencapai 96% dari massa keseluruhan alam semesta. Oleh sebab itu, upaya-upaya terus dibuat untuk meneliti dan memahami segi fisika benda-benda ini.
[75]
[sunting]Penelitian-penelitian interdisipliner
Astronomi dan astrofisika telah mengambangkan hubungan yang kuat dengan cabang-cabang ilmu pengetahuan lainnya. Misalnya
arkeoastronomi, yang mempelajari astronomi kuno atau tradisional dalam konteks budaya masing-masing mempergunakan bukti-bukti
arkeologis dan
antropologis. Atau
astrobiologi, kali ini mempelajari kelahiran dan perkembangan sistem-sistem biologis di alam semesta; terutama sekali pada topik kehidupan di planet lain.
Ada juga cabang yang meneliti
zat-zat kimia yang ditemukan di luar angkasa; bagaimana mereka terwujud, berperilaku, dan terhancurkan. Ini dinamakan
astrokimia. Zat-zat yang hendak dipelajari biasanya ditemukan pada
awan molekul, walau ada juga yang terdapat di bintang bersuhu rendah,
katai coklat, atau planet. Lalu
kosmokimia, ilmu serupa yang lebih mengarah ke penelitian unsur-unsur dan variasi-variasi rasio
isotop pada Tata Surya. Ilmu-ilmu ini bisa menggambarkan persinggungan dari ilmu-ilmu astronomi dan kimia. Bahkan sekarang ada
astronomi forensik, di mana metode-metode astronomi dipakai untuk memecahkan masalah-masalah hukum dan sejarah.
[sunting]Astronomi amatir
Astronom amatir bisa membangun peralatan mereka sendiri dan menyelenggarakan pesta-pesta dan pertemuan astronomi, contohnya komunitas
Stellafane.
Sebagaimana disebutkan, astronomi ialah salah satu dari sedikit cabang ilmu di mana tenaga amatir dapat berkontribusi banyak.
[76] Secara keseluruhan, astronom-astronom amatir mengamati berbagai benda dan fenomena angkasa, terkadang bahkan dengan
peralatan yang mereka buat sendiri. Yang jamak diamati yaitu Bulan, planet, bintang, komet, hujan meteor, dan
benda-benda langit dalam seperti gugusan bintang, galaksi, dan nebula. Salah satu cabang astronomi amatir adalah
astrofotografi amatir, yang melibatkan mengambilan foto-foto langit malam. Banyak yang memilih menjadi astrofotografer yang berspesialis dalam obyek atau peristiwa tertentu.
[77][78]
Kebanyakan astronom amatir bekerja dalam astronomi optikal, walau sebagian kecil ada juga yang mencoba bereksperimen dengan panjang gelombang di luar cahaya tampak, misalnya dengan penyaring inframerah pada teleskop biasa, atau penggunaan teleskop radio. Pelopor radio astronomi amatir adalah
Karl Jansky, yang memulai kegiatan ini pada dekade 1930-an. Amatir jenis seperti Jansky ini memakai teleskop buatan sendiri atau teleskop radio profesional yang sekarang sudah boleh diakses oleh amatir seperti halnya
Teleskop Satu Mil (
One-Mile Telescope).
[79][80]
Sumbangsih astronom amatir tidak sepele, sebab banyak hal — seperti pengkuran okultasi guna mempertajam catatan garis edar planet-planet kecil — bergantung pada pekerjaan astronomi amatir. Para amatir dapat pula menemukan komet atau melakukan penelitian rutin atas
bintang-bintang variabel. Seiring dengan perkembangan teknologi digital, astrofotografi amatir juga semakin efektif dan semakin giat memberikan sumbangan ilmu.
[81][82][83]
[sunting]Daftar persoalan astronomi yang belum terpecahkan
Meskipun sebagai ilmu pengetahuan astronomi telah mengalami kemajuan-kemajuan yang sangat pesat dan membuat terobosan-terobosan yang sangat besar dalam upaya memahami alam semesta dan segala isinya, masih ada beberapa pertanyaan penting yang belum bisa terjawab. Untuk memecahkan permasalahan seperti ini, boleh jadi diperlukan pembangunan peralatan-peralatan baru baik di permukaan Bumi maupun di antariksa. Selain itu, mungkin juga diperlukan perkembangan baru dalam fisika teoretis dan eksperimental.
- Apakah asal-usul spektrum massa bintang? Maksudnya, mengapa astronom terus mengamati persebaran massa yang sama — yaitu, fungsi massa awal yang sama — walaupun keadaan awal terwujudnya bintang-bintang berbeda-beda?[84] Diperlukan pemahaman yang lebih dalam akan pembentukan bintang dan planet.
- Adakah wujud kehidupan lain di alam semesta? Adakah wujud kehidupan cerdas lain di alam semesta? Kalau ada, apa jawaban dari paradoks Fermi? Apabila ada kehidupan lain di luar Bumi, implikasinya, baik ilmiah maupun filosofis, sangat penting.[85][86] Apakah Tata Surya kita termasuk normal ataukah ternyata tidak biasa?
- Apa yang menyebabkan terbentuknya alam semesta? Apakah premis yang melandasi hipotesis "alam semesta yang tertala dengan baik" (fine-tuned universe) tepat? Apabila tepat, apakah ada semacam seleksi alam dalam skala kosmologis? Apa sebenarnya yang menyebabkan inflasi kosmik dini, sehingga alam menjadi homogen? Kenapa terdapat asimetri barion di alam semesta?
- Apa hakikat sebenarnya dari materi gelap dan energi gelap? Mereka telah mendominasi proses perkembangan dan, pada akhirnya, nasib dari jagat raya, tapi sifat-sifat mendasar mereka tetap belum dipahami.[87] Apa yang akan terjadi di penghujung waktu?[88]
- Bagaimana galaksi-galaksi pertama terbentuk? Bagaimana lubang-lubang hitam supermasif terbentuk?
- Apa yang menghasilkan sinar kosmik berenergi ultra-tinggi?
