Evolusi Bintang

Bintang-bintang generasi pertama dilahirkan sekitar 13 miliar tahun lalu, ketika galaksi kita mulai memadat dari proses pemuaian jagat raya. Sebagian besar diantaranya masih terbuat dari hidrogen dan helium. Kedua unsur ini memang merupakan satu-satunya elemen yang terbentuk dalam jumlah besar selama proses dentuman besar (big bang) yang diyakini menandai awal terciptanya alam semesta.

Bintang-bintang seperti halnya Matahari lahir secara berkelompok dalam kompleks-kompleks awan besar yang termampatkan yang disebut nebula. Salah satu nebula yang terkenal yang menjadi tempat kelahiran banyak bintang adalah sebuah bercak samar di rasi Orion yang dikenal sebagai Nebula Orion. Dilihat dari luar, sebuah nebula nampak gelap dan suram, namun di bagian dalamnya mereka teriluminasi dengan cemerlang oleh bintang-bintang yang baru lahir. Setelah itu, bintang-bintang muda itu akan melanglang keluar dari tempat kelahirannya di galaksi induknya.

Ke arah bintang Deneb di rasi Cygnus ada suatu gelembung super yang sangat besar dari gas yang sangat panas yang mungkin dihasilkan oleh ledakan sebuah supernova di dekat pusat gelembung itu. Pada tepiannya, materi antar bintang dimampatkan oleh gelombang supernova dan memicu keruntuhan awan dan pembentukan bintang. Dari segi ini, sebagaimana kehidupan manusia, bintang juga memiliki orangtua. Dan seperti yang kadang-kadang kita alami, orangtua juga dapat mengalami kematian ketika melahirkan anaknya.

Dalam periode remajanya, sebuah bintang biasanya masih diselubungi oleh berkas nebula gas yang berpendar, sisa-sisa dari proses pembentukan yang secara gravitasional masih melekat padanya. Contoh bintang semacam ini bisa kita lihat pada bintang-bintang di rasi Pleiades.

Mirip seperti yang dialami manusia, bintang-bintang yang beranjak dewasa berkelana jauh dari rumah, dan saudara-saudara sekandung jarang saling bertemu. Bisa jadi di suatu tempat di galaksi Bimasakti ada bintang-bintang, mungkin lusinan jumlahnya, yang merupakan saudara sekandung dari Matahari kita. Mereka terbentuk dari nebula yang sama sekitar 5 milyar tahun lalu. Tapi kita tidak tahu bintang yang manakah itu. Mereka bisa saja berada di sisi lain dari galaksi kita, atau mungkin menjadi salah satu dari bintang kecil tak berarti yang kita lihat berkelap-kelip di langit malam.

Dalam proses kelahiran sebuah bintang, tumbukan molekul gas dalam interior awan memanaskannya hingga pada akhirnya tiba ke titik dimana atom-atom hidrogen mulai bergabung menjadi helium: empat atom hidrogen bersatu untuk membentuk satu inti helium. Proses ini diikuti dengan pelepasan foton sinar gamma. Foton tersebut mengalami alternasi emisi dan absorpsi oleh materi yang terhampar, yang secara berangsur-angsur berupaya mencapai permukaan bintang.

Dalam perjalanannya, foton terus menerus mengalami kehilangan energi. Butuh waktu hingga sejuta tahun bagi foton untuk mencapai permukaan bintang dan dipancarkan ke ruang. Sang bintang kini telah menyala. Keruntuhan gravitasional awan pra-bintang telah terhenti. Beban lapisan-lapisan terluar bintang sekarang didukung oleh suhu dan tekanan tinggi yang dihasilkan di bagian interior reaksi inti. Matahari berada pada kondisi stabil seperti itu selama 5 milyar tahun terakhir. Reaksi termonuklir seperti yang terjadi pada bom hidrogen memberikan tenaga kepada matahari dalam ledakan yang kontinyu dan berwadah, mengubah sekitar 4 juta ton hidrogen tiap detiknya. Ketika kita menengadahi langit malam dan memandang kelap-kelip bintang, semua yang kita lihat bercahaya karena adanya penggabungan inti hidrogen di kejauhan.

Akhir Hidup Bintang

Proses fusi dalam bintang-bintang ini terus mengubah hidrogen menjadi helium. Ketika persediaan hidrogen habis, maka helium mulai terbakar untuk membentuk elemen yang lebih berat. Reaksi penyatuan ini akan terus berlangsung untuk memberi tenaga kepada bintang sampai seluruh intinya berubah menjadi besi. Besi tidak dapat melewati proses fusi untuk membentuk elemen yang lebih berat sehingga bahan bakar nuklir di bintang itu pun habislah.

Kecepatan bintang membakar persediaan nuklir tergantung pada masanya. Sebagai bintang bermassa sedang, Matahari kita masih belum sampai separuh jalan dalam fase pertama evolusi bintang. Matahari telah membakar hidrogen selama 5 milyar tahun dan masih akan berpijar mantap hingga 5 milyar tahun berikutnya. Sebaliknya, bintang-bintang bermassa besar (sekitar 10 kali massa matahari) akan membakar persediaan hidrogennya dengan kecepatan hingga 1000 kali kecepatan proses serupa pada bintang sekelas Matahari. Bintang semacam ini akan menghabiskan bahan bakarnya dalam tempo kurang dari 100 juta tahun.

Nasib yang disediakan bagi masing-masing tipe bintang ini di akhir hidupnya juga berbeda. Bintang sekelas Matahari akan mengakhiri hidupnya dalam sebuah proses evolusi yang lambat. Ketika persediaan hidrogennya mulai berkurang, teras bintang akan menyusut. Penyusutan itu akan menghasilkan lebih banyak energi yang menyebabkan terhentinya penyusutan, dan bintang bersangkutan akan mulai mengembang. Bintang itu akan terus membengkak hingga menjadi sebuah bintang raksasa merah (red giant).

Helium yang terbentuk dalam proses fusi bintang itu semasa hidupnya akan membeku dan membuatnya lebih mengembang. Menjelang habisnya helium, bintang tersebut akan menjadi labil. Ia akan melepas lapisan luarnya dan sisanya akan runtuh kedalam. Bintang itu akan mulai berkontraksi dan menjelma menjadi bintang kerdil putih (white dwarfs), yang berukuran kira-kira sebesar Bumi namun dengan kerapatan yang sangat tinggi. Bintang tersebut akan mengalami tahapan ini sampai suatu saat produksi energi benar-benar terhenti dan bintang itu akan menemui ajalnya sebagai sebuah bintang mati yang dingin dan gelap.

Bintang-bintang bermassa besar akan mengakhiri hidupnya secepat ia membakar persediaan hidrogennya.Dalam tempo beberapa detik setelah bahan bakar nuklirnya habis, sebuah reaksi nuklir yang lebih eksotik segera berlangsung untuk mengantarkannya sebagai sebuah supernova.

Supernova

Proses terbentuknya supernova biasanya berawal dari pembangkitan pusat besi yang masif oleh fusi silikon. Dibawah tekanan yang sangat tinggi, elektron bebas didalam interior bintang dipaksa untuk menyatu dengan proton inti besi, dimana muatan listrik yang sama dan berlawanan saling meniadakan. Bagian dalam inti bintang akan berubah menjadi suatu nukleus atom raksasa tunggal, mengisi volume yang jauh lebih kecil daripada elektron dari inti besi sebelumnya. Pusat itu meledak ke dalam dengan kuatnya, bagian eksterior menyatu kembali dan suatu ledakan supernova dihasilkan. Supernova dapat lebih cemerlang daripada keseluruhan cahaya yang dihasilkan oleh semua bintang lain dalam galaksi dimana supernova terbentuk.

Terbentuknya supernova temasuk fenomena yang jarang terjadi. Pada umumnya, terjadinya supernova dalam sebuah galaksi adalah berkisar sekali dalam satu abad. Sepanjang hidup sebuah galaksi -- sekitar 10 milyar tahun -- 100 juta bintang akan meledak. Ini jumlah yang sangat banyak, tetapi itu baru berarti hanya satu diantara 1000 bintang yang akan berakhir sebagai sebuah supernova.

Salah satu supernova yang terkenal dicatat oleh para astronom China pada 4 Juli 1054. Dalam catatan itu disebutkan bahwa sebuah bintang baru -- mereka menyebutnya "bintang tamu" -- yang sebelumnya tidak pernah terlihat mendadak muncul di rasi Taurus dan bersinar dengan sangat terang. Konon sinarnya begitu terang sehingga dapat terlihat di siang hari, sementara di malam hari orang bisa membaca hanya dengan mengandalkan sinarnya. Objek ini terlihat hingga tiga bulan sebelum akhirnya lenyap begitu saja. Sisa-sisa peristiwa itu masih dapat kita lihat saat ini melalui teleskop sebagai sebuah nebula yang dikenal sebagai Nebula Kepiting (Crab Nebula).

Astronom lain dari beberapa kebudayaan, termasuk diantaranya astronom Arab, juga mencatat kejadian ini. Satu hal yang menarik bahwa peristiwa ini tidak tercatat pada semua kronik Eropa barat masa itu. Hal ini mungkin bisa dipahami mengingat dogma gereja masa itu menyatakan bahwa langit bersifat kekal dan tidak pernah berubah. Karenanya, bagi astronom Eropa masa itu melaporkan hal-hal yang bertentangan dengan pandangan gereja mengandung resiko dikenakan tuduhan bidah yang diancam dengan hukuman berat.

Baru pada 1572, Tycho Brahe, seorang astronom Eropa melaporkan adanya sebuah supernova lain. Ia menyebutnya nova stella, yang artinya "bintang baru". Supernova lainnya tercatat pada 1604 oleh Johannes Kepler. Sayangnya, tidak ada supernova yang teramati di galaksi kita sejak penemuan teleskop, dan selama berabad-abad para astronom dibuat penasaran oleh pencarian terhadap objek ini.

Nova

Dua buah bintang dengan massa yang hampir sama akan berevolusi hampir secara sejajar. Tetapi bintang yang lebih masif akan lebih cepat menghabiskan bahan bakar nuklirnya, lebih cepat menjadi raksasa merah, dan menjadi yang pertama mencapai kemunduran akhir kerdil putih. Karenanya, seharusnya ada banyak (dan kenyataannya memang demikian) kasus bintang ganda dimana satu komponennya adalah bintang raksasa merah, dan pasangannya berupa kerdil putih.

Sejumlah pasangan semacam itu sedemikian dekatnya hingga bersentuhan. Sebagian atmosfer mengalir dari bintang raksasa merah yang bengkak ke kerdil putih yang masif lewat suatu daerah tertentu dari permukaan kerdil putih. Hidrogen menumpuk menekan hingga tekanan dan suhunya terus meninggi karena gravitasi yang kuat dari kerdil putih. Demikian seterusnya hingga sejumlah atmosfer yang "dicuri" dari raksasa merah mengalami reaksi termonuklir, dan kerdil putih meletup sesaat menjadi lebih cemerlang.

Bintang ganda semacam itu biasa disebut sebagai nova. Secara umum, nova memiliki asal-usul yang berbeda dari supernova. Nova hanya terdapat pada sistem bintang ganda dan dimotori oleh fusi hidrogen, sedangkan supernova terjadi pada bintang tunggal dan dimotori oleh peleburan silikon.

Kembali ke Asal

Sepintas supernova merupakan tahap akhir dari kehidupan sebuah bintang. Namun, kita tidak boleh lupa bahwa bintang-bintang dan planet pengiringnya juga dilahirkan dari keruntuhan gravitasional awan gas dan debu antar bintang. Dengan demikian, supernova selain merupakan akhir dari riwayat sebuah bintang, di sisi lain juga merupakan pemicu tahapan evolusi bintang yang melahirkan bintang-bintang baru.

Banyak dari elemen-elemen berat yang dihasilkan selama hidup sebuah bintang atau setelah meledak menjadi sebuah supernova tersebar di ruang antar bintang. Sebagian dari "debu bintang" ini bergabung dengan gas yang runtuh dan membentuk bintang lain di suatu tempat. Miliaran tahun kemudian, generasi bintang-bintang berikutnya pun terlahir.

Masing-masing bintang bisa dikelilingi oleh lingkaran gas dan debu yang dapat menyatu dan membentuk planet berisi elemen-elemen berat seperti kalsium, karbon, dan besi. Adalah kenyataan yang menakjubkan bahwa kita semua tersusun dari elemen-elemen itu. Nitrogen dalam DNA kita, kalsium dalam tulang dan gigi kita, dan besi dalam darah kita, semua atom yang membentuk tubuh kita, terbentuk milyaran tahun yang lalu di perapian yang berasal dari keruntuhan sebuah bintang. Kita semua terbuat dari materi bintang.

Galaksi

Bintang selalu berada dalam kelompok-kelompok yang disebut galaksi, bersama dengan gas, debu, dan "materi gelap"; ~10-20% galaksi terdiri dari bintang, gas, dan debu. Galaksi terjaga oleh gaya gravitasi dan bagian galaksi yang mengorbit ke suatu pusat.

Ada beberapa bukti bahwa lubang hitam mungkin ada di pusat beberapa, atau kebanyakan galaksi. Galaksi ber-evolusi dari protogalaksi.

Galaksi merupakan kumpulan bintang-bintang yang terdapat dalam Alam Semesta. Galaksi dalam mana sistem suria, iaitu bumi dan matahari berada di dalamnya dikenali sebagai Bima Sakti.

Bintang-bintang sentiasa wujud secara berkelompok yang dikenali sebagai galaksi, bersama-sama dengan gas, debu interstellar, dan "jisim gelap"; sekitar 10-20% dari galaksi terdiri daripada bintang, gas, dan debu. Galaksi dikekalkan bersama oleh tarikan graviti dan komponen galaksi mengorbit satu pusat. Terdapat bukti bahawa lubang gelap mungkin wujud di pusat sebahagian, atau kebanyakan, galaksi. Galaksi terbentuk dari protogalaksi.

Perkataan galaksi dalam bahasa Inggeris galaxy diambil dari nama galaksi kita , Bima Sakti ( Milky Way ), menggunakan perkataan Yunani gala (umumnya galaktos) bererti susu.

Jenis galaksi

Galaksi terdapat dalam tiga bentuk utama: ellipticals, spirals, dan tidak sekata ( irregulars ). Gambaran yang lebih lengkap mengenai jenis-jenis galaksi diberikan oleh aturan Hubble ( Hubble sequence ). Galaksi kita, Bima Sakti, kadang-kala secara ringkas dipanggil Galaksi (dengan huruf besar), adalah barred spiral yang besar sekitar 30 kiloparsecs atau 100,000 tahun cahaya diameter, mengandungi hampir 300 juta bintang dan mempunyai jumlah keseluruhan jisim sekitar satu trillion kali ganda jisim matahari.

Dalam spiral galaksi, the spiral arms mempunyai bentuk bersamaan logarithmic spiral, pola yang boleh dibuktikan secara teorinya hasil dari gangguan dalam jisim bintang berputar secara sekata. Seperti bintang, lengan spiral juga berputar pada satu pusat, tetapi ia berlaku pada angular velocity tetap. Ini bererti bahawa bintang bergerak kedalam dan keluar lengan spiral. Lengan spiral dijangkakan sebagai kawasan kepadatan tinggi atau gelombang kepadatan. Ketika bintang bergerak ke dalam lengan, ia menjadi perlahan, dengan itu menghasilkan kepadatan lebih tinggi; ia menyerupai "gelombang" pergerakan perlahan sepanjang highway yang dipenuhi kereta.

Lengan galaksi jelas kelihatan disebabkan kepadatan tinggi memudahkan pembentukan bintang dan dengan itu ia mempunyai banyak bintang muda dan terang.

Struktur berskala besar

Ruang antara galaksi hampir kosong, kecuali bagi awan gas intergalaktik.

Hanya sebahagian kecil galaksi wujud secara bersendirian; dan ia dikenali sebagai galaksi lapangan ('field Galaksi'). Kebanyakan galaksi terikat oleh daya tarikan graviti dengan beberapa galaksi yang lain. Struktur yang mengandungi sehingga 50 galaksi dipanggil sebagai kelompok galaksi ( groups of galaksi ), dan struktur mengandungi beribu-ribu galaksi terkandung dalam kawasan beberapa megaparsec melintang dikenali sebagai gugusan galaksi. Gugusan super ( Supercluster ) adalah satu kumpulan besar bintang yang mengandungi beribu juta galaksi, dalam gugusan, kelompok, dan kadang-kala bersendirian; sepanjang yang kita ketahui alam sejagat adalah sekata pada skala lebih dari ini.

Galaksi kita merupakan ahli Kumpulan Tempatan ( Local Group ), dan bersama-sama dengan Galaksi Andromeda menguasainya; pada keseluruhannya Kumpulan Tempatan mengandungi sekitar 30 galaksi dalam ruang sekitar ten megaparsecs melintang. Kumpulan Tempatan merupakan sebahagian dari Gugusan super tempatan ( Local Supercluster ), juga dikenali sebagai Virgo Supercluster.

Sejarah

Pada tahun 1610, Galileo Galilei menggunakan teleskop untuk mengkaji jalur terang di langit yang dikenali sebagai Milky Way dan mendapati bahawa ia terdiri daripada bintang malap yang banyak. Dalam treatise pada tahun 1755, Immanuel Kant, menggunakan hasil kerja awal oleh astronomi Thomas Wright, menjangkakan (secara benar) bahawa galaksi terdiri daripada sejumlah besar bintang yang berputar, dikekalkan oleh daya tarikan graviti seumpama dengan sistem suria tetapi pada skala yang lebih besar. Cakera bintang yang terhasil akan dilihat sebagai jalur di langit dari sudut pandangan kita pada kedudukan dalam cakera. Kant juga menjangkakan bahawa sebahagian nebula yang kelihatan di langit mungkin galaksi yang terasing.

Pada akhir abad ke 18, Charles Messier mengumpulkan katalog mengandungi 109 nebulae paling jelas, kemudian diikuti dengan katalog 5000 nebulae dihimpun oleh William Herschel. Pada tahun 1845, Lord Rosse membina teleskop baru dan mampu membezakan antara nebulae elliptical dan spiral nebulae. Dia juga berjaya mengenal pasti sumber titik individu sebahagian dari nebulae ini, menyokong jangkaan Kant yang lebih awal. Bagaimanapun, nebulae tidak diterima umum sebagai galaksi terasing jauh sehingga pekara itu diselesaikan oleh Edwin Hubble pada awal 1920an dengan menggunakan teleskop baru. Dia berjaya menyelesaikan bahagian luar sesetengah spiral nebulae sebagai kumpulan bintang individual dan mengenal pasti sebahagian pengubah Cepheid ( Cepheid variable ), dengan itu membenarkan anggaran mengenai jarak kepada nebulae: ia terlalu jauh untuk menjadi sebahagian Bima Sakti Milky Way. Pada tahun 1936, Hubble menghasilkan sistem pengkelasan untuk Galaksi yang masih digunakan sehingga hari ini, aturan Hubble.

Cubaan pertama menjelaskan bentuk Bima Sakti dan kedudukan matahari di dalamnya dijalankan oleh William Herschel pada tahun 1785 dengan mengira dengan cermat jumlah bintang pada kedudukan berlainan di langit. Menggunakan pendekatan yang lebih baik, Kapteyn pada tahun 1920 arrived at the picture of a small (diameter ~15 kiloparsecs) ellipsoid galaxy with the sun close to the center. Kaedah berlainan digunakan oleh Harlow Shapley berasaskan pengkatalog globular cluster mendorong kepada gambaran berlainan: cakera leper dengan diameter sekitar ~70 kiloparsecs dan matahari jauh dari pusat. Kedua analisa gagal mengambil kira penyerapan cahaya oleh habuk interstellar dust yang hadir dalam galactic plane; apabila Robert Julius Trumpler mengambil kira kesan ini pada 1930 dengan mengkaji open cluster, gambar galaksi kita hari ini seperti digambarkan di atas muncul.

Pada tahun 1944, Hendrik van de Hulst menjangkakan radiasi microwave pada jarak gelombang 21 sentimeter, terhasil dari gas hidrogen atomik interstellar atomic; radiasi ini dikesan pada tahun 1951. Radiasi ini membenarkan kajian mengenai Galaksi yang lebih baik kerana ia tidak terjejas oleh penyerapan debu dan Doppler shiftnya boleh digunakan untuk memetakan pergerakan gas dalam Galaksi. Pemerhatian ini membawa kepada postulation of a rotating bar structure dipusat Galaksi. Dengan teleskop radio yang lebih baik, gas hidrogen boleh dijejak dalam Galaksi lain. Pada tahun 1970-an ia disedari bahawa jumlah keseluruhan jisim yang dapat dilihat (dari bintang dan gas) tidak memberikan kelajuan putaran gas, dengan itu mendorong kepada postulation jisim gelap ( dark matter ).

Bermula pada 1990-an, Teleskop Angkasa Hubble ( Hubble Space Telescope ) menghasilkan pemantauan lebih baik. Antara lain, ia mengesahkan bahawa jisim gelap yang hilang dalam galaksi kita tidak semata-mata terdiri dari bintang kecil yang malap. Ia mengambil gambar Hubble Deep Field, memberikan bukti bahawa dalam alam yang dapat dilihat sahaja, wujudnya beratus juta Galaksi.

Pada tahun 2004, galaksi Abell 1835 IR1916 menjadi galaksi terjauh pernah dilihat manusia.

Alam semesta

Pada pertengahan pertama abad ke 20, kata alam semesta digunakan untuk menjelaskan seluruh ruang waktu kontinu dimana kita berada, dengan energi dan materi yang dimilikinya. Usaha untuk memahami pegertian alam semesta dalam lingkup ini pada skala terbesar yang memungkinkan, ada pada kosmologi, ilmu pengetahuan yang berkembang dari fisika dan astronomi.

Pada pertengahan terakhir abad ke 20, perkembangan kosmologi berdasarkan pengamatan, juga disebut fisika kosmologi, mengarahkan pada pembagian kata alam semesta, antara kosmologi pengamatan dan kosmologi teoritis; yang (biasanya) para ahli menyatakan tidak ada harapan untuk mengamati keseluruhan dari ruang waktu kontinu, kemudian harapan ini dimunculkan, mencoba untuk menemukan spekulasi paling beralasan untuk model keseluruhan dari ruang waktu, mencoba mengatasi kesulitan dalam mengimajinasikan batasan empiris untuk spekulasi tersebut dan resiko pengabaian menuju metafisika.