Alam semesta dan sejarahnya
Alam semesta terdiri dari miliaran galaksi; setiap galaksi berisi miliaran bintang; Matahari adalah salah satu bintang di Bima Sakti. Gravitasi membentuk setiap orbit, bintang lahir dan mati sesuai pola yang ditentukan oleh massanya, dan pergeseran merah pada galaksi jauh menunjukkan bahwa seluruh alam semesta sedang mengembang — bukti adanya awal: Big Bang.
Edexcel International GCSE Fisika 4PH1, Bagian 8 (pernyataan 8.1–8.18P). Pernyataan yang diakhiri P adalah ekstensi Fisika saja (Kertas 2P).
Gerak di alam semesta
Alam semesta → miliaran galaksi → masing-masing miliaran bintang → sistem tata surya kita berada di Bima Sakti. Kekuatan medan gravitasi g bervariasi tergantung massa dan ukuran — lebih lemah di Bulan, lebih kuat di Jupiter. Gravitasi menjaga setiap orbit: bulan mengorbit planet, planet dan komet mengorbit Matahari, satelit buatan mengorbit Bumi.
Orbit planet bersifat hampir bulat; orbit komet sangat eksentris — cepat saat dekat Matahari, lambat saat jauh. Kecepatan orbital berasal dari keliling ÷ periode:
Cek terarah. Satelit pada jari-jari orbit 7000 km (r diukur dari pusat Bumi) dengan periode 5800 s: $v = 2\pi \times 7.0 \times 10^6/5800 \approx 7580$ m/s ≈ 7.6 km/s.
Evolusi bintang
Bintang diklasifikasikan berdasarkan warna, yang mengikuti suhu permukaan: biru paling panas → merah paling dingin. Bintang seperti Matahari melewati fase nebula → urutan utama (fusi menyeimbangkan gravitasi selama miliaran tahun) → raksasa merah → katai putih; bintang lebih masif daripada Matahari melewati fase nebula → urutan utama → super raksasa merah → supernova → bintang neutron atau lubang hitam.
(P) Kecerahan bintang dibandingkan menggunakan magnitudo absolut pada jarak standar; diagram Hertzsprung–Russell memplot magnitudo absolut terhadap suhu, dengan urutan utama, raksasa, dan katai putih sebagai pita utamanya.
Kosmologi (P)
Sumber gelombang yang bergerak mengubah panjang gelombang yang diamati (pergeseran-merah untuk kejauhan). Pergeseran-merah galaksi meningkat seiring jarak, dan hubungannya dinyatakan sebagai:
Pekerjaan terarah. Garis spektrum pada 500 nm muncul pada 505 nm di galaksi jauh: $\Delta\lambda/\lambda_0 = 5/500 = 0.01$, sehingga $v = 0.01c = 3000$ km/s.
Pergeseran-merah yang meningkat dengan jarak berarti galaksi-galaksi menjauh lebih cepat semakin jauh posisinya — alam semesta sedang mengembang, yang mengindikasikan awal yang panas dan padat: Big Bang. Latar belakang mikrogelombang kosmik (CMB) — gelombang mikro redup dari segala arah — adalah sisa pendinginan radiasi awal tersebut, yaitu pilar kedua bukti.
Periksa diri Anda
- Urutkan berdasarkan ukuran: galaksi, sistem tata surya, alam semesta, bintang.
- Mengapa nilai g berbeda antara Bumi dan Bulan?
- Sebutkan dua bentuk orbit komet dan planet.
- Hitung kecepatan orbital satelit pada r = 42 000 km dengan T = 24 jam.
- Nyatakan dua tahap setelah sekuens utama untuk bintang bertipe Matahari.
- Apa arti warna bintang bagi Anda?
- (P) Dua besaran apa yang digambarkan dalam diagram HR?
- (P) Sebuah garis pada 400 nm bergeser menjadi 404 nm. Hitung v/c.
- (P) Nyatakan dua bukti Big Bang.
- (P) Mengapa pergeseran-merah meningkat seiring jarak?
Jawaban: 1 bintang (terkecil) → sistem tata surya → galaksi → alam semesta (terbesar); 2 g bergantung pada massa dan jari-jari benda — Bulan lebih kecil dan kurang bermassa, sehingga nilainya sekitar 1.6 N/kg; 3 planet — hampir bulat; komet — elips sangat eksentris; 4 $r = 4.2 \times 10^7$ m, $T = 86\,400$ s; $v = 2\pi \times 4.2\times10^7/86\,400 \approx 3060$ m/s ≈ 3.1 km/s; 5 raksasa merah, kemudian katai putih; 6 suhu permukaannya — biru paling panas, merah paling dingin; 7 (P) magnitudo absolut terhadap suhu (atau warna); 8 (P) $\Delta\lambda/\lambda_0 = 4/400 = 0.01 = v/c$; 9 (P) pergeseran-merah galaksi yang meningkat dengan jarak, serta radiasi latar belakang mikrogelombang kosmik; 10 (P) semakin jauh galaksinya, semakin cepat ia menjauh — ruang itu sendiri mengembang, sehingga kecepatan kejauhan bertambah seiring jarak, menggeser cahaya lebih jauh ke arah merah.