Tataplah ke langit pada malam yang cerah, dan Anda mungkin akan melihat beberapa ribu bintang. Namun itu hampir tidak berarti apa-apa. Matahari kita hanyalah satu dari seratus miliar bintang di galaksi kita…
Narasi bahasa Inggris · Subtitle bahasa Inggris + 中文 disematkan langsung
6.1
Bumi, Matahari dan Bulan
Silabus
6.1.1 Bumi
Inti
Tambahan
1 Pahami bahwa Bumi adalah planet yang berotasi pada porosnya, yang miring, sekali dalam sekitar 24 jam, dan gunakan ini untuk menjelaskan pengamatan tentang gerakan harian semu Matahari serta siklus periodik siang dan malam
2 Pahami bahwa Bumi mengorbit Matahari sekali dalam sekitar 365 hari dan gunakan ini untuk menjelaskan sifat periodik musim-musim
4 Tentukan kecepatan orbit rata-rata dari persamaan $v = \frac{2\pi r}{T}$ di mana $r$ adalah jari-jari rata-rata orbit dan $T$ adalah periode orbit; hafalkan dan gunakan persamaan ini
3 Pahami bahwa dibutuhkan waktu sekitar satu bulan bagi Bulan untuk mengorbit Bumi dan gunakan ini untuk menjelaskan sifat periodik siklus fase Bulan
6.1.2 Sistem Tata Surya
Inti
Tambahan
1 Deskripsikan Sistem Tata Surya yang mencakup: (a) satu bintang, yaitu Matahari (b) delapan planet bernama dan ketahui urutan mereka dari Matahari (c) planet-planet kecil yang mengorbit Matahari, termasuk planet kerdil seperti Pluto dan asteroid di sabuk asteroid (d) bulan-bulan, yang mengorbit planet-planet (e) benda-benda tata surya yang lebih kecil, termasuk komet dan satelit alami
7 Pahami bahwa planet, planet-planet kecil, dan komet memiliki orbit elips, dan ingatlah bahwa Matahari tidak berada di tengah orbit elips, kecuali ketika orbit tersebut hampir berbentuk lingkaran
8 Analisis dan interpretasikan data planet mengenai jarak orbit, durasi orbit, densitas, suhu permukaan, dan kekuatan medan gravitasi seragam di permukaan planet
2 Pahami bahwa, jika dibandingkan satu sama lain, empat planet terdekat dengan Matahari bersifat batuan dan kecil, sementara empat planet terjauh dari Matahari bersifat gas dan besar, dan jelaskan perbedaan ini dengan merujuk pada model akresi untuk pembentukan Sistem Tata Surya, yang meliputi: (a) ketergantungan model terhadap gravitasi (b) keberadaan banyak unsur dalam awan antariksa gas dan debu (c) rotasi material dalam awan dan pembentukan cakram akresi
3 Pahami bahwa kekuatan medan gravitasi (a) di permukaan sebuah planet bergantung pada massa planet (b) di sekitar sebuah planet menurun seiring bertambahnya jarak dari planet tersebut
4 Hitung waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menempuh jarak signifikan seperti antara objek-objek dalam Sistem Tata Surya
5 Pahami bahwa Matahari mengandung sebagian besar massa Sistem Tata Surya dan hal ini menjelaskan mengapa planet-planet mengorbit Matahari
6 Pahami bahwa gaya yang menjaga suatu benda tetap mengorbit Matahari adalah tarikan gravitasi Matahari
9 Pahami bahwa kekuatan medan gravitasi Matahari menurun dan bahwa kecepatan orbit planet-planet menurun seiring bertambahnya jarak dari Matahari
10 Pahami bahwa benda dalam orbit elips bergerak lebih cepat ketika dekat dengan Matahari dan jelaskan hal ini menggunakan hukum kekekalan energi
Sumber: Silabus Cambridge International
Bumi berputar (rotasi) pada sumbunya sekali dalam sekitar $24$ jam. Sumbu tersebut miring (tidak tegak lurus). Putaran ini memberikan kita siang dan malam, serta membuat Matahari tampak bergerak melintasi langit setiap hari.
Bumi juga bergerak mengelilingi Matahari dalam sebuah orbit, sekali dalam sekitar $365$ hari (satu tahun). Karena sumbu miring, bagian-bagian berbeda dari Bumi condong ke arah Matahari pada waktu yang berbeda sepanjang tahun. Ini menghasilkan musim: musim panas terjadi di setengah Bumi yang condong ke arah Matahari.
Sumbu mempertahankan kemiringan yang sama sepanjang tahun, sehingga setiap belahan bumi condong ke arah Matahari selama satu setengah orbit dan menjauh untuk setengah lainnya
Bulan mengorbit Bumi sekali dalam sekitar satu bulan. Saat bergerak mengelilinginya, kita melihat berbagai bagian sisi yang terang, yang menghasilkan fase-fase Bulan (bulan baru, bulan separuh, bulan purnama).
Setengah Bulan yang terang selalu menghadap Matahari, jadi saat mengorbit kita melihat berbagai bagiannya: bulan baru di antara kita dan Matahari, bulan purnama di seberang Matahari, dan bulan separuh di antaranya
Jadi, dari terpendek hingga terpanjang: satu hari (putaran Bumi) < satu bulan (orbit Bulan) < satu tahun (orbit Bumi).
Bulan purnama, satelit alami Bumi
Jelajahi
Mengapa Bulan berubah bentuk
Matahari selalu menerangi separuh Bulan; fase hanyalah seberapa banyak bagian yang terang itu menghadap kita saat Bulan mengorbit — bukan bayangan Bumi.
Untuk objek yang bergerak mengelilingi lingkaran, jarak untuk satu orbit penuh adalah keliling$2\pi r$, di mana $r$ adalah jari-jari orbit. Kecepatan orbit adalah jarak ini dibagi dengan periode$T$ (waktu untuk satu orbit):
$$v = \frac{2\pi r}{T}$$
Persamaan yang sama berlaku untuk planet, bulan, dan satelit.
Contoh terpecahkan. Sebuah stasiun luar angkasa mengorbit Bumi pada jari-jari $r = 7000\ \text{km}$ dan membutuhkan waktu $T = 5800\ \text{s}$ untuk satu orbit. Temukan kecepatan orbitnya.
Pertama konversikan jari-jari ke meter: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. Kemudian
Sistem Tata Surya memiliki satu bintang, yaitu Matahari, di pusatnya. Di sekelilingnya bergerak delapan planet. Berdasarkan urutan dari Matahari, mereka adalah: Merkurius, Venus, Bumi, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, dan Neptunus.
Empat planet terdekat dengan Matahari berukuran kecil dan berbatu.
Empat planet terjauh dari Matahari berukuran besar dan gas — mereka terdiri sebagian besar dari gas, tanpa permukaan padat untuk berdiri.
Dua raksasa yang lebih dekat, Jupiter dan Saturnus, adalah raksasa gas. Dua raksasa terluar, Uranus dan Neptunus, adalah raksasa es: mereka menyimpan lebih banyak es, sehingga bukan benar-benar raksasa gas.
Matahari dan delapan planetnya secara berurutan: empat planet kecil berbatu, kemudian sabuk asteroid, lalu empat planet besar gas — raksasa gas Jupiter dan Saturnus serta raksasa es Uranus dan Neptunus (tidak sesuai skala)Mars, planet merah, salah satu planet dalam berbatuJupiter, planet terbesar, dengan pita gas berputarnyaSaturnus dan cincangnya, difoto oleh pesawat ruang angkasa Cassini
Sistem Tata Surya juga berisi:
planet-planet kecil, seperti planet kerdil seperti Pluto, dan asteroid (sebagian besar terletak di sabuk asteroid antara Mars dan Jupiter);
bulan (satelit alami) yang mengorbit planet-planet;
komet dan benda-benda kecil lainnya.
Orbit dan gravitasi
Matahari memegang sebagian besar massa Sistem Tata Surya. Gravitasi (tarikan gravitasionalnya) merenggang dan menjaga planet-planet tetap dalam orbit mereka. Gaya ini adalah tarikan gravitasi Matahari.
Kekuatan medan gravitasi memberi tahu Anda seberapa kuat gravitasi tersebut:
di permukaan planet, nilainya lebih besar untuk planet dengan massa lebih banyak;
di sekitar planet, nilainya melemah semakin jauh Anda bergerak.
Dengan cara yang sama, gravitasi Matahari menjadi lebih lemah semakin jauh ke luar, sehingga planet-planet bagian luar bergerak lebih lambat (kecepatan orbit lebih kecil) dibandingkan planet-planet bagian dalam.
Data planet
Soal ujian sering memberikan tabel seperti ini dan meminta Anda untuk membaca pola dari dalamnya.
Planet
Jarak dari Matahari / juta km
Periode orbit
Kepadatan / g/cm³
Suhu permukaan / °C
Medan gravitasi $g$ / N/kg
Merkurius
58
88 hari
5.4
170
3.7
Venus
108
225 hari
5.2
460
8.9
Bumi
150
365 hari
5.5
15
9.8
Mars
228
687 hari
3.9
−60
3.7
Jupiter
779
11.9 tahun
1.3
−110
23
Saturnus
1430
29.5 tahun
0.7
−140
9.0
Uranus
2870
84 tahun
1.3
−195
8.7
Neptunus
4500
165 tahun
1.6
−200
11
Pola yang perlu diperhatikan: semakin jauh sebuah planet dari Matahari, semakin panjang periode orbitnya dan semakin rendah suhu permukaannya. Empat planet bagian dalam memiliki kepadatan tinggi (batu dan logam), sementara empat planet bagian luar memiliki kepadatan rendah (gas dan es). Kekuatan medan gravitasi di permukaan bergantung pada massa dan ukuran planet, bukan pada jaraknya dari Matahari.
Orbit elips
Sebagian besar orbit bukan lingkaran sempurna melainkan elips (lingkaran yang diregangkan), dan Matahari tidak berada di tengah elips. Komet memiliki orbit yang sangat meregang. Sebuah benda dalam orbit elips bergerak lebih cepat ketika dekat dengan Matahari. Hal ini dijelaskan melalui hukum kekekalan energi — total energi tetap sama, jadi saat energi potensial gravitasi benda turun (mendekati Matahari), energi kinetiknya meningkat (benda melaju lebih cepat).
Matahari terletak di salah satu titik fokus elips; planet berakselerasi saat mendekat dan memperlambat saat menjauh
Waktu tempuh cahaya
Jarak di ruang angkasa sangat besar, jadi kita sering menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melewatinya. Cahaya merambat dengan kecepatan $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Menggunakan $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$, cahaya dari Matahari (sekitar $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ jauhnya) membutuhkan waktu sekitar $500\ \text{s}$, atau kurang lebih $8$ menit, untuk mencapai Bumi.
Jelajahi
Tonton perlombaan planet
Semakin dekat sebuah planet ke Matahari, semakin cepat ia mengorbit — Merkurius dalam 88 hari, Jupiter dalam 12 tahun — karena gravitasi Matahari lebih kuat di area dekat.
Planet-planet terbentuk dari awan raksasa gas dan debu di ruang angkasa, yang mengandung banyak unsur kimia elemen. Ini adalah model akresi:
gravitasi menarik awan tersebut menyatu;
awan tersebut berputar, sehingga meratakan diri menjadi cakram akresi yang berputar;
sebagian besar materi jatuh ke pusat dan membentuk Matahari, sementara planet-planet tumbuh dari sisa material di cakram tersebut.
Di dekat Matahari muda yang panas, hanya batu dan logam yang dapat tetap solid, sehingga planet-planet bagian dalam bersifat batuan. Di tempat yang jauh dan dingin, gas juga dapat terkumpul, sehingga planet-planet bagian luar tumbuh besar dan berupa gas.
Cakram akresi nyata di sekitar bintang muda HL Tauri: celah-celah gelap adalah tempat planet baru sedang mengumpulkan debu — Tata Surya kita bermula dengan cara yang sama
6.2
Matahari sebagai bintang
Silabus
6.2.1 Matahari sebagai Bintang
Inti
Tambahan
1 Pahami bahwa Matahari adalah bintang berukuran sedang, terdiri sebagian besar dari hidrogen dan helium, dan memancarkan sebagian besar energinya di daerah inframerah, cahaya tampak, dan ultraviolet dari spektrum elektromagnetik
2 Pahami bahwa bintang-bintang didorong oleh reaksi nuklir yang melepaskan energi dan bahwa pada bintang stabil, reaksi nuklir melibatkan fusi hidrogen menjadi helium
6.2.2 Bintang
Inti
Tambahan
1 Nyatakan bahwa: (a) galaksi masing-masing terdiri dari miliaran bintang (b) Matahari adalah bintang di galaksi yang dikenal sebagai Bima Sakti (c) bintang-bintang lain yang membentuk Bima Sakti jauh lebih jauh dari Bumi daripada jarak Matahari dari Bumi (d) jarak astronomis dapat diukur dalam tahun cahaya, di mana satu tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh (di ruang hampa) oleh cahaya dalam satu tahun
2 Pahami bahwa satu tahun cahaya setara dengan $9.5 \times 10^{15}$ m
3 Deskripsikan siklus hidup bintang: (a) bintang terbentuk dari awan antariksa gas dan debu yang mengandung hidrogen (b) protobintang adalah awan antariksa yang runtuh dan meningkatkan suhunya akibat tarikan gravitasi internalnya (c) protobintang menjadi bintang stabil ketika gaya tarik gravitasi searah dengan gaya dorak akibat suhu tinggi di pusat bintang (d) semua bintang akhirnya kehabisan hidrogen sebagai bahan bakar reaksi nuklir (e) sebagian besar bintang membesar membentuk raksasa merah dan bintang bermassa besar membesar membentuk supergiant merah ketika sebagian besar hidrogen di pusat bintang telah diubah menjadi helium (f) raksasa merah dari bintang kurang bermassa membentuk nebula planet dengan bintang katai putih di pusatnya (g) supergiant merah meledak sebagai supernova, membentuk nebula yang mengandung hidrogen dan elemen berat baru, meninggalkan bintang neutron atau lubang hitam di pusatnya (h) nebula dari supernova dapat membentuk bintang baru dengan planet yang mengorbitnya
6.2.3 Semesta
Inti
Tambahan
1 Tahu bahwa Bima Sakti adalah salah satu dari miliaran galaksi yang membentuk Alam Semesta dan bahwa diameter Bima Sakti kira-kira 100 000 tahun cahaya
2 Deskripsikan pergeseran merah sebagai peningkatan panjang gelombang radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dari bintang dan galaksi yang menjauh
3 Pahami bahwa cahaya yang dipancarkan dari galaksi jauh tampak mengalami pergeseran merah dibandingkan dengan cahaya yang dipancarkan di Bumi
4 Pahami bahwa pergeseran merah pada cahaya dari galaksi jauh merupakan bukti bahwa Semesta sedang meluas dan mendukung Teori Big Bang
5 Pahami bahwa radiasi mikrogelombang dengan frekuensi tertentu teramati di semua titik di ruang di sekitar kita dan dikenal sebagai radiasi latar belakang mikrogelombang kosmik (CMBR)
6 Jelaskan bahwa CMBR dihasilkan sesaat setelah Alam Semesta terbentuk dan radiasi ini telah meregang ke wilayah mikrogelombang dari spektrum elektromagnetik seiring dengan ekspansi Alam Semesta
7 Ketahui bahwa kecepatan $v$ di mana sebuah galaksi menjauhi Bumi dapat ditemukan dari perubahan panjang gelombang cahaya bintang galaksi akibat pergeseran merah (redshift)
8 Ketahui bahwa jarak $d$ galaksi yang jauh dapat ditentukan menggunakan kecerahan supernova di galaksi tersebut
9 Definisikan konstanta Hubble$H_0$ sebagai rasio antara kecepatan galaksi menjauhi Bumi terhadap jaraknya dari Bumi; ingat dan gunakan persamaan
$$H_0 = \frac{v}{d}$$
10 Ketahui bahwa estimasi saat ini untuk $H_0$ adalah $2.2 \times 10^{-18}$ per detik
11 Ketahui bahwa persamaan
$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
mewakili estimasi usia Alam Semesta dan bahwa ini merupakan bukti bagi gagasan bahwa seluruh materi di Alam Semesta pernah ada pada satu titik tunggal
Sumber: Silabus Cambridge International
Matahari adalah bintang berukuran sedang, terdiri sebagian besar dari hidrogen dan helium. Ia memancarkan sebagian besar energinya dalam bagian inframerah, cahaya tampak, dan ultraviolet dari spektrum elektromagnetik.
Bintang bertenaga oleh reaksi nuklir di intinya. Pada bintang yang stabil, reaksi tersebut adalah fusi nuklir: inti hidrogen bergabung membentuk helium, melepaskan jumlah energi yang sangat besar.
Matahari, bintang terdekat kami, terlihat dalam cahaya ultraviolet
Sebuah galaksi adalah kumpulan miliaran bintang yang terikat oleh gravitasi. Matahari kita adalah satu bintang di galaksi yang disebut Bumi Maya (Milky Way). Semua bintang lain di Bumi Maya berada jauh lebih jauh dari Bumi daripada Matahari.
Galaksi spiral: miliaran bintang terikat bersama oleh gravitasi
Jarak antar bintang sangat besar sehingga kita mengukurnya dalam satuan tahun cahaya. Satu tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya selama satu tahun (di vakum ruang angkasa), yaitu sekitar $9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$.
Bumi Maya selebar sekitar $100\,000$ tahun cahaya (diameter-nya). Galaksi ini hanyalah salah satu dari miliaran galaksi. Semua galaksi ini bersama-sama membentuk Alam Semesta.
Teleskop raksasa meneliti langit malam; laser membantu teleskop menghasilkan gambar tajam bintang-bintang yang jauh
Bintang lahir, hidup, dan mati dalam waktu yang sangat panjang:
Bintang terbentuk dari awan antar-bintang gas dan debu yang mengandung hidrogen.
Gravitasi menarik awan ke dalam, dan ia memanaskan diri. Awan yang runtuh dan memanas ini disebut protobintang.
Protobintang menjadi bintang yang stabil ketika tarikan gravitasi ke dalam seimbang dengan dorongan ke luar yang disebabkan oleh suhu yang sangat tinggi di pusatnya.
Suatu saat, setiap bintang akan kehabisan bahan bakar hidrogen untuk fusi.
Apa yang terjadi selanjutnya tergantung pada massa bintang tersebut:
Bintang menengah (seperti Matahari) membengkak menjadi raksasa merah. Kemudian ia membuang lapisan luarnya sebagai awan bersinar yang disebut nebula planetary, meninggalkan keratei putih yang kecil dan panas di pusatnya.
Bintang yang jauh lebih berat membengkak menjadi raksasa super merah lalu meledak sebagai supernova. Ledakan ini menyebarkan nebula yang berisi hidrogen dan elemen-elemen berat baru, serta meninggalkan bintang neutron atau lubang hitam.
Setiap bintang bermula dari nebula; cara berakirnya bergantung pada massanya
Nebula dari supernova dapat kemudian membentuk bintang baru, dengan planet yang mengorbitnya — sehingga Sistem Tata Surya kita berasal dari bintang-bintang sebelumnya.
Jelajahi
Siklus hidup sebuah bintang
Gravitasi menarik awan gas bersama; fusi menyalakan bintang; saat bahan bakarnya menipis, ia membengkak dan akhirnya memudar.
Jelajahi
Siklus hidup bintang mirip Matahari
Langkahkan bagaimana bintang seperti Matahari kita lahir, hidup, dan mati.
Ketika sebuah bintang atau galaksi bergerak menjauh dari kita (berada dalam keadaan menjauh), cahaya yang kita terima darinya memiliki panjang gelombang yang lebih panjang daripada normal — cahayanya bergeser menuju ujung merah spektrum. Ini disebut redshift (pergeseran merah).
Garis gelap dalam spektrum galaksi jauh bergeser ke arah ujung merah — inilah redshift
Cahaya dari galaksi jauh mengalami redshift, dan semakin jauh sebuah galaksi, semakin besar redshift-nya. Hal ini menunjukkan bahwa galaksi-galaksi tersebut saling menjauh: Alam semesta sedang meluas. Jika kita memutar waktu mundur, semuanya pernah berada bersama di satu titik tunggal — ini adalah bukti untuk teori Big Bang.
Setiap galaksi bergerak menjauh dari kami, dan yang lebih jauh bergerak menjauh lebih cepat — Alam Semesta sedang mengembang
Bukti tambahan dan usia Alam semesta
Radiasi gelombang mikro yang redup ditemukan datang dari setiap arah di ruang angkasa. Ini adalah radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik (CMBR). Radiasi ini tercipta sebagai radiasi berenergi tinggi segera setelah Big Bang, dan telah meregang menjadi bagian gelombang mikro spektrum seiring dengan meluasnya Alam semesta.
Seluruh langit dipetakan menggunakan gelombang mikro: pendaran redup ini mencapai kita dari setiap arah sebagai sisa panas dari Alam semesta muda — bukti kuat untuk Big Bang
Untuk sebuah galaksi jauh:
kecepatannya $v$ untuk menjauh dapat ditemukan dari redshift cahaya bintangnya;
jaraknya $d$ dapat ditemukan dari kecerahan sebuah supernova yang terlihat di dalamnya.
Konstanta Hubble $H_0$ menghubungkan keduanya:
$$H_0 = \frac{v}{d}$$
Nilainya saat ini sekitar $2.2 \times 10^{-18}$ per detik. Membalikkan nilai ini memberikan estimasi untuk usia Alam semesta:
$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$
Contoh terpecahkan. Konstanta Hubble adalah sekitar $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$ per detik. Perkirakan usia Alam Semesta.
Ini bekerja karena setiap galaksi tampaknya telah dimulai dari satu titik tunggal yang sama pada waktu yang sama — dukungan lebih lanjut untuk Big Bang.
Jelajahi
Alam Semesta yang Mengembang
v = H₀·d
Galaksi menjauh semakin cepat semakin jauh jaraknya — kecepatan berbanding lurus dengan jarak.
Dalam $v = \dfrac{2\pi r}{T}$, $r$ adalah jari-jari orbit dan $T$ adalah waktu untuk satu orbit penuh dalam detik — konversikan km ke m dan jam ke detik terlebih dahulu.
Planet yang lebih dekat dengan Matahari merasakan gravitasi yang lebih kuat, sehingga mereka mengorbit lebih cepat dan membutuhkan waktu lebih sedikit. Dalam orbit elips, suatu benda mempercepat saat mendekati Matahari (energi potensial gravitasi berubah menjadi energi kinetik).
Satu tahun cahaya adalah jarak, bukan waktu — seberapa jauh cahaya menempuh dalam satu tahun.
Sebuah bintang stabil ketika tarikan gravitasi ke dalam seimbang dengan dorongan keluar dari energi yang dilepaskan oleh fusi di intinya. Apa yang akan terjadi padanya ketika bahan bakar habis tergantung pada massanya.
Redshift — cahaya dari galaksi jauh bergeser ke panjang gelombang yang lebih panjang (lebih merah), dengan pergeseran yang lebih besar semakin jauh — adalah bukti bahwa Alam semesta sedang meluas, yang mendukung Big Bang.
Pelajaran interaktif untuk topik ini
Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.
