 |
| Mosaik Hubble menyingkap koleksi simpul ukiran gas dan debu di sebagian kecil wilayah Nebula Kepala Monyet (juga dikenal sebagai NGC 2174 dan Sharpless Sh2-252). Nebula adalah wilayah pembentuk bintang terdiri dari awan debu gelap yang siluet terhadap gas bercahaya. Kredit: NASA, ESA, dan Hubble Heritage Team (STScI/AURA) |
Astrofisika
adalah cabang ilmu antariksa yang menerapkan hukum fisika dan kimia untuk
menjelaskan kelahiran, kehidupan dan kematian bintang, planet, galaksi,
nebula dan objek-objek lain di alam semesta. Astrofisika memiliki dua sepupu dalam
sains, astronomi dan kosmologi, juga termasuk garis kabur di antara keduanya.
Dalam
pengertian yang paling sederhana:
- Astronomi mengukur posisi, luminositas, pergerakan dan karakteristik lainnya, (luminositas adalah jumlah energi yang dipancarkan sebuah objek ke segala arah per satuan waktu).
- Astrofisika menggagas teori fisika mulai dari struktur berukuran kecil hingga berukuran sedang di alam semesta.
- Kosmologi menggagas teori fisika untuk struktur terbesar dan alam semesta secara keseluruhan.
Dalam
prakteknya, ketiga cabang ilmu antariksa ini membentuk ikatan yang sangat erat.
Apabila Anda bertanya tentang lokasi dari sebuah nebula (seperti dalam gambar), maka para astronom mungkin akan menjawabnya terlebih dahulu. Apabila Anda bertanya
tentang komposisi dan proses terbentuknya nebula, maka para astrofisikawan
akan menjawabnya. Dan apabila Anda bertanya tentang apakah data yang ada sesuai
dengan pembentukan alam semesta, maka para kosmolog yang akan menjawabnya.
Tujuan Astrofisika
Para astrofisikawan berusaha untuk memahami alam semesta dan tempat kita di
dalamnya. Tujuan astrofisika adalah “untuk menemukan bagaimana alam semesta
bekerja, mengeksplorasi tentang asal usul dan evolusi alam semesta, dan untuk mencari
kehidupan di planet-planet yang mengorbit bintang selain Matahari,” menurut
situs web NASA.
Tujuan yang ingin dicapai oleh astrofisika menghasilkan tiga pertanyaan utama:
- Bagaimana cara kerja alam semesta?
- Bagaimana kita bisa menjadi seperti sekarang ini di alam semesta?
- Apakah kita sendirian di alam semesta?
Semuanya Berawal dari Newton
Sementara
astronomi adalah salah satu sains tertua, astrofisika teoritis dimulai oleh Isaac
Newton. Sebelum Newton, para astronom hanya menggambarkan pergerakan objek langit menggunakan
model matematis yang kompleks tanpa dasar fisika. Kemudian Newton menunjukkan bagaimana sebuah
teori tunggal secara simultan dapat menjelaskan orbit Bulan dan planet di luar angkasa dan lintasan peluru meriam di Bumi. Teori tunggal ini menambah bukti
bagi kesimpulan mengejutkan bahwa langit dan Bumi ternyata tunduk oleh hukum fisika yang sama.
Mungkin yang membedakan keunikan model Newton dari model-model sebelumnya adalah karena model Newton prediktif
dan deskriptif. Berdasarkan penyimpangan orbit Uranus, para astronom
meramalkan eksistensi sebuah planet baru yang kemudian berhasil diamati secara
langsung dan diberi nama Neptunus. Prediktif dan deskriptif
adalah tanda bagi sains yang telah matang dan astrofisika ada dalam kategori ini.
Tonggak Sejarah Astrofisika
Karena
satu-satunya cara agar kita dapat berinteraksi dengan objek yang berada sangat
jauh adalah dengan mengamati radiasi yang mereka pancarkan, sebagian besar studi astrofisika terkait dengan deduksi teori untuk menjelaskan mekanisme yang menghasilkan
radiasi, sekaligus mencari cara untuk mengekstrak sebagian besar
informasi dari objek yang diamati. Gagasan pertama tentang sifat bintang muncul pada
pertengahan abad ke-19 dari metode yang paling populer saat itu, analisis spektral atau observasi frekuensi cahaya tertentu yang diserap
dan dipancarkan oleh zat-zat tertentu ketika dipanaskan. Analisis spektral dianggap penting bagi tiga serangkai sains antariksa, baik untuk memandu maupun menguji teori-teori
baru.
Spektroskopi memberikan bukti pertama bahwa bintang juga mengandung zat yang ditemukan di
Bumi. Spektroskopi mengungkap beberapa nebula yang hanya murni mengandung molekul gas, sementara beberapa nebula lain menyembunyikan bintang di dalamnya. Penemuan ini selanjutnya membantu melahirkan gagasan bahwa beberapa nebula sama sekali bukan nebula,
melainkan sebuah galaksi!
Pada
awal tahun 1920-an, astronom Cecilia Payne menggunakan spektroskopi untuk menemukan komposisi bintang yang didominasi hidrogen.
Spektrum bintang juga memungkinkan para astrofisikawan untuk menentukan laju pergerakan bintang, apakah bergerak ke arah atau menjauhi Bumi.
Sama seperti suara dari sebuah kendaraan bermotor yang bergerak ke arah atau menjauhi kita disebabkan oleh pergeseran Doppler, spektrum bintang juga
berubah dengan cara serupa. Pada tahun 1930-an, dengan menggabungkan
pergeseran Doppler dan teori relativitas umum Einstein, astronom Edwin Hubble membuktikan ekspansi alam semesta. Penemuan yang telah diprediksi oleh teori Einstein ini kemudian menjadi dasar bagi Teori
Big Bang.
Pada pertengahan abad ke-19, fisikawan Lord Kelvin (William Thomson) dan Gustav
Von Helmholtz menggagas prediksi keruntuhan gaya gravitasi yang dapat menjadi sumber energi
bagi Matahari, meskipun mereka akhirnya menyadari bahwa energi yang dihasilkan
dengan cara ini hanya bertahan selama 100.000 tahun. Lima
puluh tahun kemudian, persamaan terkenal Einstein, E=mc2, memberikan
para astrofisikawan petunjuk pertama tentang sumber energi tulen Matahari (walaupun keruntuhan gaya gravitasi tetap memainkan
peran penting). Seiring kemajuan sains fisika nuklir, mekanika kuantum dan fisika partikel pada paruh pertama abad ke-20, para astrofisikawan dapat merumuskan
teori tentang fusi nuklir yang menjadi sumber energi bintang, termasuk menggambarkan bagaimana bintang dilahirkan, hidup dan mati, serta distribusi tipe bintang meliputi spektrum, luminositas,
usia dan fitur-fitur lainnya.
Astrofisika
adalah fisika bintang yang mempelajari objek-objek kosmik di dekat Bumi dan yang sangat jauh. Menurut teori Big Bang, hampir seluruh komposisi bintang-bintang
generasi pertama terdiri dari hidrogen. Proses fusi
nuklir di inti bintang melebur atom hidrogen menjadi helium. Pada tahun 1957, satu tim ilmuwan yang terdiri dari pasangan suami istri astronom bernama Geoffrey dan Margaret Burbidge, bersama fisikawan William
Alfred Fowler dan Fred Hoyle, menemukan bahwa seiring pertambahan usia, bintang menghasilkan unsur logam yang lebih berat daripada hidrogen dan helium, kemudian mewariskannya kepada bintang-bintang generasi berikutnya. Hanya pada tahap akhir kehidupan bintang generasi saat ini, unsur yang membentuk Bumi, seperti besi (32,1%),
oksigen (30,1%) dan silikon (15,1 persen), diproduksi. Unsur krusial lainnya adalah karbon, yang bersama dengan oksigen membentuk sebagian besar massa organisme biologis, termasuk manusia. Jadi astrofisika seolah memberi tahu bahwa kita sebenarnya berasal dari debu bintang.
Astrofisika Sebagai Karier
Butuh waktu bertahun-tahun belajar, bekerja dan melakukan observasi untuk menjadi seorang astrofisikawan. Tapi Anda bisa mulai melibatkan diri dengan cara-cara yang sederhana, seperti bergabung dengan klub astronomi di sekolah dasar atau sekolah menengah, menghadiri
acara astronomi setempat, mengikuti kursus online gratis di bidang astronomi
dan astrofisika, dan mengikuti berita tentang astronomi baik di media massa
maupun internet.
Di
perguruan tinggi, seorang mahasiswa harus menyelesaikan studi untuk meraih gelar
doktor dalam bidang ilmu astrofisika, untuk kemudian mengambil posisi paska
doktoral dalam astrofisika. Astrofisikawan dapat bekerja untuk pemerintah,
laboratorium universitas, dan terkadang di organisasi swasta. (Paska
doktoral adalah seseorang pemegang gelar doktor yang terlibat dalam proyek
riset).
Secara
lebih lanjut, situs study.com merekomendasikan langkah-langkah berikut untuk
menempatkan Anda pada jalur menjadi seorang astrofisikawan di Amerika Serikat:
Ambil
kelas matematika dan sains di SMA. Pastikan untuk mengambil berbagai macam
kelas sains. Astronomi dan astrofisika sering memadukan unsur dari biologi, kimia
dan disiplin ilmu lainnya untuk lebih memahami fenomena di alam semesta. Ikuti juga
ekstra kurikuler musim panas atau magang di bidang matematika atau sains, bahkan menjadi sukarelawan pun dapat membantu meningkatkan resume Anda.
Selesaikan
gelar sarjana di bidang matematika atau sains. Sementara gelar sarjana di
bidang astrofisika dianggap sangat ideal, namun ada banyak jalur untuk
menuju ke sana. Anda bisa melakukan studi pasca sarjana di bidang komputasi, misalnya, yang sangat penting untuk membantu Anda dalam menganalisis
data. Sebaiknya Anda berkonsultasi dengan bimbingan konseling di SMA atau
universitas setempat untuk mengetahui program gelar apa yang akan membantu
Anda.
Ambil
peluang untuk terlibat dalam penelitian. Banyak universitas memiliki
laboratorium yang melibatkan mahasiswa untuk berpartisipasi dalam berbagai penemuan
baru. Instansi seperti NASA juga
menawarkan magang dari waktu ke waktu.
Selesaikan
gelar doktor dalam astrofisika. Gelar Ph.D. membutuhkan jalan yang panjang,
namun Biro Statistik Tenaga Kerja di Amerika Serikat menunjukkan bahwa sebagian besar astrofisikawan memiliki gelar doktor. Pastikan untuk menyertakan juga
kursus astronomi, komputasi, matematika, fisika dan statistik untuk
memiliki basis pengetahuan yang luas.
Astrofisikawan Natalie
Hinkel saat berada di Universitas Negeri Arizona diwawancarai oleh situs Lifehacker pada tahun 2015. Ia memberikan
gambaran sekilas tentang penghargaan dan tantangan yang harus dihadapi oleh seorang astrofisikawan junior. Hinkel menjelaskan tentang berapa lama dia harus melakukan penelitian,
seringnya beralih shift jam kerja dan bagaimana rasanya menjadi seorang wanita
di bidang yang kompetitif. Hinkel juga memberikan wawasan menarik tentang apa
yang sebenarnya dia lakukan dari hari ke hari, dan hanya sangat sedikit waktu
yang dihabiskannya untuk melakukan pengamatan menggunakan teleskop.
“Saya
menghabiskan sebagian besar waktu untuk pemrograman. Kebanyakan orang menganggap para astronom menghabiskan seluruh waktunya di teleskop, tapi
itu hanya sebagian kecil dari pekerjaan, jika tidak sama sekali. Benar saya
melakukan beberapa pengamatan menggunakan teleskop, namun dalam beberapa tahun
terakhir saya hanya melakukan dua kali pengamatan dalam waktu sekitar dua
minggu,” ungkap Hinkel kepada Lifehacker.
"Setelah
mendapatkan data, Anda harus menguranginya (misalnya mengambil bagian-bagian
yang buruk dan memprosesnya untuk mendapatkan informasi yang sebenarnya),
biasanya menggabungkannya dengan data lain untuk melihat gambaran secara utuh. Lalu menulis makalah studi tentang apa yang Anda temukan. Karena setiap
pengamatan kerap menghasilkan data dari banyak bintang, maka Anda tidak
perlu menghabiskan seluruh waktu di teleskop untuk menyelesaikan pekerjaan.”
Saat ini, upaya survei Decadal 2020 telah dimulai.
Divisi Astrofisika NASA
 |
| Kredit: NASA |
Berada di bawah naungan Direktorat Misi Sains
(SMD) NASA, tujuan sains yang ingin digapai oleh Divisi Astrofisika sungguh menakjubkan, karena berusaha mempelajari tentang alam semesta dan tempat kita di dalamnya. Mulai dari penelitian asal usul alam semesta, sejarah evolusi
bintang dan galaksi, bagaimana sebuah sistem planet terbentuk, hingga
seperti apa lingkungan kosmik ideal yang ramah terhadap kehidupan. Divisi Astrofisika NASA akan terus mencari jejak biologis di luar Bumi, untuk
mengetahui bahwa kita tidak sendirian.
Tujuan NASA di bidang astrofisika adalah
untuk “menemukan cara kerja alam semesta, mengeksplorasi bagaimana alam semesta
dimulai dan berevolusi, dan untuk mencari kehidupan di planet-planet yang mengorbit
bintang selain Matahari”.
Tiga pertanyaan utama astrofisika
bersumber dari tujuan yang ingin dicapai oleh NASA ini.
1. Bagaimana cara kerja alam semesta?
Menyelidiki asal usul dan takdir pamungkas
alam semesta kita, termasuk sifat lubang hitam, energi gelap, materi gelap, dan
gravitasi.
2. Bagaimana kita bisa sampai disini?
Menjelajahi asal usul dan evolusi galaksi,
bintang, dan planet yang membentuk alam semesta kita.
3. Apakah kita sendirian?
Menemukan dan mempelajari planet yang
mengorbit bintang selain Matahari dan menjelajahi apakah mereka bisa menjadi
tempat perlindungan bagi kehidupan.
Program Astrofisika NASA Saat Ini
Divisi Astrofisika NASA terdiri dari tiga program
terfokus dan dua program lintas sektoral. Ketiga program terfokus menyediakan
kerangka kerja intelektual untuk memajukan sains dan melakukan perencanaan
strategis, di antaranya adalah fisika kosmos, asal usul alam semesta dan
eksplorasi eksoplanet.
1. Fisika Kosmos
Upaya pencarian untuk memahami cara kerja
alam semesta. Dimulai dengan studi tentang building
block fundamental eksistensi kita, yakni materi, energi, ruang dan
waktu, dan bagaimana bagaimana mereka berperilaku di bawah kondisi fisik
ekstrem yang menjadi ciri alam semesta awal.
Program Fisika Kosmos (PCOS) menggabungkan kosmologi, astrofisika berenergi tinggi, dan proyek fisika fundamental untuk secara langsung menjawab pertanyaan sentral tentang sifat fenomena
astrofisika kompleks seperti lubang hitam, bintang neutron, energi gelap dan
gelombang gravitasi. Menggunakan armada misi berbasis antariksa yang
beroperasi di seluruh spektrum elektromagnetik, tujuan utama PCOS adalah untuk
mempelajari asal usul dan takdir pamungkas kosmos.
2. Asal Usul Kosmik
Untuk memahami tahap evolusi alam semesta, dari keadaan awalnya yang sangat sederhana setelah Big Bang ke alam
semesta menakjubkan yang kita lihat saat ini, kita harus memahami bagaimana
bintang, galaksi dan planet terbentuk dari waktu ke waktu.
Komposisi alam semesta didominasi oleh hidrogen dan helium. Kedua unsur ini menyusun 98% dari materi kasat mata di alam semesta, meskipun komposisi dunia kita dan segala yang
dikandungnya --bahkan kehidupan itu sendiri-- tercipta oleh unsur yang
lebih berat dari hidrogen dan helium, seperti karbon, nitrogen, oksigen,
silikon, besi, dll.
Berapa lama waktu yang dibutuhkan oleh
bintang-bintang generasi pertama untuk menabur benih di alam semesta kita
dengan unsur-unsur berat yang kita temukan di Bumi saat ini? Kapan alam semesta
menyediakan unsur-unsur berat yang memungkinkan pembentukan molekul prebiotik
dan planet teresterial (berbatu) yang menjadi tempat bagi molekul untuk bergabung dan menciptakan kehidupan?
Pertanyaan besar Divisi Astrofisika NASA
adalah “Bagaimana alam semesta tercipta dan berevolusi sehingga menghasilkan
galaksi, bintang dan planet seperti yang kita lihat hari ini?”
3. Eksplorasi Eksoplanet
Program eksplorasi eksoplanet NASA memimpin
umat manusia menempuh perjalanan untuk menuntaskan dua pertanyaan klasik
yang belum terjawab. Dari mana kita berasal dan apakah kita sendirian?
Tujuan utama program adalah untuk
menemukan dan mengkarakterisasi sistem planet dan planet mirip Bumi di sekitar
bintang terdekat. Misi dirancang untuk menemukan planet layak huni dan
bukti kehidupan di luar Bumi.
Tahap pertama eksplorasi harus mempersiapkan
pemahaman tentang seberapa banyak dan apa tipe sistem planet yang disediakan oleh
alam. Tahap pertama telah banyak dilakukan oleh jajaran teleskop berbasis
darat di seluruh dunia yang mendorong batas kemampuan mereka untuk menembus
turbulensi lapisan atmosfer Bumi guna mendeteksi planet-planet seukuran Bumi.
Sedangan teleskop berbasis antariksa, seperti
Kepler, terus menatap ruang angkasa untuk menemukan planet-planet
berukuran kecil mirip Bumi yang mengorbit bintang induk masing-masing. Misi
antariksa masa depan oleh NASA maupun badan antariksa internasional lainnya dan
observatorium darat yang lebih besar dan lebih sensitif akan memperluas sensus
eksoplanet.
Pada saat yang sama, investigasi penting akan
memberi tahu kita tentang lingkungan kosmik di sekitar bintang beserta
eksoplanet yang mengorbitnya, seperti debu dan puing-puing debu cakram protoplanet
yang menyulitkan observasi.
Tujuan utama program eksplorasi eksoplanet
adalah untuk melihat apakah ada planet di luar tata surya yang menunjukkan jejak biologis (seperti yang kita kenal ataukah harus ditafsirkan terlebih dahulu). Bukti akan diperoleh terutama dalam bentuk studi spektroskopi
lapisan atmosfer eksoplanet. Agar berpotensi menampung kehidupan, maka sebuah planet seharusnya memiliki air cair di permukaan.
Kita tidak berani berasumsi planet akan
mirip dengan Bumi, tapi setidaknya terletak di lintasan orbit yang tidak terlalu dekat
atau terlalu jauh dari bintang induk, sehingga memungkinkan keberadaan air
cair dalam rentang waktu geologis, ditambah lapisan atmosfer yang mengandung
keseimbangan gas ideal untuk menopang kehidupan.
Selain itu, atmosfer planet bisa saja diubah
oleh organisme biologis yang dapat menjelaskan tingkat molekul gas yang luar
biasa tinggi di atmosfernya. (Bukannya para ilmuwan menolak segala kemungkinan
bentuk kehidupan selain dari yang kita kenal di Bumi, tetapi kita belum tahu
seperti apa bentuk kehidupan lain yang mampu eksis atau bagaimana mencarinya).
Volume ruang angkasa yang akan dieksplorasi
hanya terbatas di wilayah bintang-bintang tetangga terdekat. Dalam konteks ini, “jarak
dekat” dalam skala astronomi dipahami sebagai bintang yang berjarak sekitar 20
parsec (60 tahun cahaya) dari Matahari kita. Jarak ini bisa kita jelajahi
menggunakan teknologi dalam satu dekade berikutnya.
Misi Astrofisika Saat Ini
 |
| Kredit: Youtube |
Misi astrofisika saat ini yang terus
digencarkan oleh NASA termasuk misi yang dilakukan oleh tiga Observatorium
Besar. Rangkaian Observatorium Besar NASA yang masih beroperasi saat ini adalah Teleskop Antariksa Hubble, Observatorium Sinar-X Chandra dan Teleskop Antariksa Spitzer.
Selain itu, Teleskop Antariksa Sinar Gamma
Fermi terus menjelajah kosmos pada ujung spektrum berenergi tinggi. Misi lain yang
dianggap inovatif dan terus menghasilkan penemuan baru seperti Neil Gehrels Swift Observatory, NuSTAR,
TESS, dan Mission of Opportunity NICER,
turut melengkapi misi strategis astrofisika.
SOFIA, observatorium terbang astronomi inframerah juga sedang dalam tahap operasional. Keseluruhan misi
bertanggung jawab atas peningkatan akumulasi sains tentang kosmos. Semua misi dimaksud telah mencapai tujuan sains utama yang ditentukan, namun tidak pernah berhenti memberikan hasil spektakuler dalam operasional misi yang
diperluas.
Para peneliti yang dibiayai oleh NASA juga
turut berpartisipasi dalam pengamatan, analisis data dan pengembangan
instrumen untuk misi astrofisika bersama mitra internasional, termasuk ESMM
XMM-Newton.
Misi Astrofisika dalam Waktu Dekat
Masih dalam tahap pengembangan, Teleskop Antariksa James Webb besutan NASA memiliki cakupan spektrum elektromagnetik yang lebih luas. Selain
itu, ada juga detektor untuk misi Euclid ESA dan perangkat keras untuk XRISM
X-Ray JAXA (X-Ray Imaging and
Spectroscopy) yang menyediakan terobosan dalam studi pembentukan struktur
alam semesta, aliran yang keluar dari inti galaksi dan materi gelap.
Menyelesaikan misi yang masih dalam tahap
pengembangan tentunya mendukung misi yang telah beroperasi, sementara pendanaan program
penelitian dan analisis mengkonsumsi sebagian besar sumber daya Divisi Astrofisika NASA.
Pada bulan Februari 2016, NASA secara resmi
memulai rekomendasi decadal
Astro2010, yakni Wide Field Infrared
Survey Telescope (WFIRST) yang akan membantu para peneliti dalam
mengungkap rahasia energi gelap dan materi gelap, serta menjelajahi evolusi
kosmos. WFIRST juga akan menemukan dunia-dunia baru di luar tata surya kita dan
memajukan upaya pencarian planet-planet layak huni yang ramah terhadap
kehidupan.
Pada bulan Januari 2017, NASA memilih misi
baru Small Explorer (SMEX) IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) yang
akan menggunakan polarisasi cahaya dari sumber astrofisika untuk memberikan
wawasan tentang produksi sinar-X dari objek kosmik seperti bintang neutron,
nebula angin pulsar dan lubang hitam supermasif.
Pada bulan Maret 2017, NASA memilih Explorer Mission of Opportunity GUSTO (Galactic/Extragalactic ULDB Spectroscopic
Terahertz Observatory) untuk mengukur emisi dari medium antarbintang. GUSTO
akan membantu para ilmuwan menentukan siklus hidup molekul gas antarbintang di galaksi
Bima Sakti kita, menyaksikan pembentukan dan penghancuran awan kosmik pembentuk bintang, serta memahami dinamika dan aliran gas di sekitar pusat galaksi kita.
Misi Astrofisika Masa Depan
Sejak survei decadal 2001, cara pandang terhadap alam semesta telah berubah
secara dramatis. Lebih dari 3.800 planet telah ditemukan mengorbit
bintang-bintang jauh. Lubang hitam kini diketahui bersemayam di pusat sebagian
besar galaksi, termasuk galaksi Bima Sakti.
Usia, ukuran dan bentuk alam semesta telah
dipetakan berdasarkan radiasi purba (latar belakang mikro kosmik) yang
ditinggalkan oleh Big Bang. Turut diungkap sebagian besar penyusun
komposisi alam semesta (materi gelap dan energi gelap), termasuk akselerasi laju ekspansi alam semesta.
Pada masa yang akan datang, tujuan astrofisika ditentukan berdasarkan hasil survei New Worlds, New Horizons in Astronomy and Astrophysics Decadal 2010.
Prioritas tujuan sains yang dipilih oleh komite survei meliputi: pencarian
bintang, galaksi dan lubang hitam generasi pertama; pencarian planet layak huni
terdekat; dan meningkatkan pemahaman tentang fisika fundamental alam semesta.
Ditulis
oleh: Ariel Balter, kontributor www.space.com dan staf www.nasa.gov
Laporan
tambahan oleh Elizabeth Howell, kontributor www.space.com
Sumber:
What is Astrophysics? dan NASA Astrophysics
👍
BalasHapus👍
BalasHapus