Gelombang Elektromagnetik

Sumber informasi utama dalam mempelajari alam semesta adalah gelombang elektromagnetik. Gelombang ini terdiri dari berbagai jenis gelombang yang biasanya dikelompokkan dalam 7 kelompok, yaitu gelombang radio,gelombang mikro, gelombang inframerah, gelombang cahaya tampak, gelombang ultraviolet, gelombang sinar X dan gelombang sinar gamma. Tabel di bawah ini memberi rincian dari berbagai gelombang tersebut

Jenis Gelomb

ang

Pembagian

Frekuensi

Panjang Gelomb

ang

Energi

Sinar Gamma

> 30 Ehz

< 10 pm>

124 keV

Sinar X

Hard X-Ray3 EHz – 30 Ehz

100 – 10 pm

12,4-124 keV

Soft X-Ray30 PHz – 3 Ehz

10 nm – 100 pm

124 eV – 12,4 keV

Ultra Violet

Extreme UV

3 PHz – 30 PHz

100 nm – 10 nm

12,4 –

124 eV

Near UV789

THz – 3 PHz

380 nm – 100 nm

3 – 12,4 eV

Cahaya Tampak

Violet668-789 THz

450-380 nm

1,24 – 3 eV

Biru631-668 THz

475-450 nm

Cyan606-631 THz

495-476 nm

Hijau526-

606 Tz570-495

nm

Kuning508-526 THz

590-570 nm

Jingga/Oranye

484-508 THz

620-590 nm

Merah400-484 THz

750-620 nm

Inframerah

Near Infrared

30 THz – 400 THz

5 μm – 700 nm

124 meV

– 1,24 eV

Mid Infrared

3 THz – 30 THz

(25-40) – 5 μm

12,4 –

124 meV

Far Infrared300

GHz – 3 THz

(200-350)–

(25-40) μm

1,24 –

12,4 meV

Gelombang

Mikro

Extremely High

Frekuency (EHF)

30 GHz – 300 GHz

1 cm – 1 mm

124 μeV

– 1,24 meV

Super High Frequency

(SHF)

3 GHz – 30 GHz

10 cm – 1 cm

12,4 –

124 μeV

Ultra High Frequency

(UHF)

300 MHz – 3

GHz

1 m – 10 cm

1,24 –

12,4 μeV

Gelombang

Radio

Very High Frequency

(VHF)

30 MHz–300 MHz

10 m – 1 m

124 neV

– 1,24 μeV

High Frequency

(HF)

3 MHz – 30 MHz

100 m – 10 m

12,4 neV

– 124 neV

Medium Frequency

(MF)

300 kHz – 3

MHz

1 km – 100 m

1,24 neV

– 12,4 neV

Low Frequency

(LF)

30 kHz – 300 kHz

10 km – 1 km

124 peV

– 1,24 neV

Very Low Frquency

(VLF)

3 kHz – 30 kHz

100 km – 10 km

12,4 –

124 peV

Pada beberapa referensi, nilai-nilai pada tabel di atas ada perbedaan meskipun kecil. Dalam astronomi gelombang mikro kadang-kadang dimasukkan ke dalam kelompok gelombang radio. Khusus untuk gelombang cahaya tampak biasanya dinyatakan dalam satuan Amstrong (1 Å = 10-10 m), atau besarnya diantara 4500 Å – 7500 Å. Hubungan frekuensi dengan panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik adalah sbb. :  c = λ.f, dengan c adalah kecepatan cahaya (c = 2,9979  x 108 m/s), λ adalah panjang gelombang dan f adalah frekuensi gelombang.

Dari berbagai jenis gelombang elektromagnetik ini, ternyata seluruhnya dipancarkan oleh sebuah bintang dan seluruh benda-benda di alam semesta, bahkan alam semesta sendiri memberikan pancaran gelombang elektromagnetik yang disebut Radiasi Latar Belakang meskipun dengan intensitas yang berbeda-beda untuk setiap panjang gelombangnya. Sebagai contoh misalnya Bintang Betelgeuse, salah satu bintang yang terang di rasi Orion, adalah sebuah bintang yang memiliki temperatur efektif sekitar 3500 K, dan bintang dengan suhu tersebut memancarkan seluruh gelombang elektromagnetik tetapi intensitas maksimum yang dipancarkan berada pada panjang gelombang infra merah yang dekat ke warna merah, sehingga dengan mata telanjangpun kita dapat melihat bintang ini berwarna kemerahan. Hal ini berbeda dengan bintang Rigel yang sama-sama merupakan bintang yang terang di rasi Orion, memiliki temperatur efektif sekitar 11.000 K, tentu saja memancarkan seluruh gelombang elektromagnetik juga, tetapi intensitas maksimum yang dipancarkan berada pada panjang gelombang ultra violet yang dekat ke warna biru sehingga dengan mata telanjangpun kita bisa melihat bintang ini berwarna kebiruan.

Rasi Orion, dengan dua bintang terterangnya, Betelgeuse yang kemerahan dan ditunjukkan oleh panah di atas dengan Rigel yang

kebiruan ditunjukkan oleh panah di bawah Selain bintang, materi antar bintang yang berupa gas atau debu yang dingin juga memancarkan gelombang elektromagnetik terutama dalam daerah panjang gelombang radio. Inti galaksi yang sangat aktif dapat memancarkan gelombang sinar X atau sinar Gamma, bintang ganda yang salah satu pasangannya adalah black hole dapat memancarkan  sinar X, Bintang-bintang muda yang terbentuk di dalam materi antar bintang yang pekat sehingga tidak bisa dilihat teleskop optik mampu terlihat oleh teleskop yang menangkap radiasi inframerah. Jadi betapa banyaknya informasi yang kita terima jika kita mampu menangkap dan menganalisis seluruh panjang gelombang yang ada.

Gelombang elektromagnetik dari seluruh alam semesta

Galaksi Bima Sakti yang difoto dalam berbagai macam panjang gelombang, memberikan informasi yang semakin lengkap tentang galaksi

kita iniBetapa besar kekayaan alam semesta yang bisa digali melalui analisis gelombang elektromagnetik. Meskipun ada  hambatan yang cukup besar, yaitu ternyata atmosfer Bumi tidak mengijinkan banyak gelombang elektromagnetik melewatinya hingga sampai ke teleskop atau mata pengamat yang ada di Bumi. Atmosfer Bumi hanya mengijinkan gelombang cahaya tampak dan gelombang radio saja yang lewat (disebut jendela radio dan jendela optik). Meskipun biayanya miliaran dolar, manusia dengan segala keingintahuannya akan alam semesta meluncurkan berbagai macam satelit dan teleskop ke ruang angkasa agar dapat menangkap kekayaan alam semesta yang disampaikan melalui gelombang elektromagnetik yang tersebar di ruang angkasa.

Jendela optik pada atmosfer Bumi (Kredit: Wikipedia)

Kurir Lain Sebagai Pusat Informasi Alam Semesta

Seperti yang sudah dituliskan pada tulisan yang lalu, satu hal yang paling penting dalam astronomi adalah kemampuan untuk mengumpulkan, mencatat dan mengolah 'kurir' yang berasal dari langit (dan benda langit) yang mencapai Bumi, yaitu gelombang elektromagnetik. Apakah informasi yang diterima oleh para astronom hanya berasal dari gelombang elektromagnetik saja? Ternyata tidak! Ada 'kurir' lain yang bisa diotak-atik oleh para astronom selain gelombang elektromagnetik. Apakah itu? Diantaranya adalah :

1. Sinar Kosmik2. Partikel Neutrino3. Gelombang Gravitasi

Sinar KosmikYang disebut sinar kosmik sebenarnya bukanlah sinar, tetapi pancaran partikel bermuatan yang berenergi tinggi (dan juga berenergi rendah) yang datang dari seluruh penjuru alam semesta, dapat berupa proton, elektron, proton atau inti berat seperti besi. Berasal dari proses-proses energi tinggi seperti inti galaksi atau supernova. Sekitar 89% yang mencapai Bumi adalah proton, 10% partikel alfa (inti helium) dan 1% elektron atau inti berat lainnya, juga diamati ada yang berupa anti materi (anti proton dan juga anti elektron/positron). Pengamatan terhadap sinar kosmik dapat memberikan informasi mengenai proses-proses yang menghasilkan energi tinggi yang ada di alam semesta.

Bulan seperti yang terlihat oleh Compton Gamma Ray Observatory dalam energi sinar gamma yang lebih besar dari 20 MeV. Ini dihasilkan karena

permukaan bulan dibombardir oleh sinar kosmik (Kredit : Wikipedia)

Sinar kosmik ini dapat merusak makhluk hidup karena langsung merusak struktur di dalam sel, terutama menyebabkan kerusakan membran sel dan juga DNA.

Ilustrasi kerusakan DNA oleh sinar kosmik

Gambar diatas adalah Biji Alfalfa (Medicago Sativa) yang diperbesar ribuan kali. Gambar A adalah biji yang ada di Bumi dan gambar B adalah biji yang telah dibawa ke luar angkasa yang sudah terkena sinar kosmik. Ada lubang (tanda panah) pada sel Alfalfa yang dihasilkan oleh hantaman

sinar kosmik pada biji tersebutBeruntung Bumi dilindungi oleh atmosfir dan medan magnetik Bumi, jika tidak maka kehidupan di Bumi ini bisa musnah hanya oleh sinar kosmik. Partikel sinar kosmik ketika memasuki atmosfir dapat berinteraksi dengan gas-gas seperti oksigen dan nitrogen dan juga terbawa oleh medan magnetik Bumi ke arah kutub dan partikel-partikel ini akan bergerak secara spiral sehingga kehilangan banyak energinya.

LAPAN di Bandung pada tahun 2011 ini mengadakan satu proyek yang bekerjasama dengan International Space Station (ISS) yang mengorbit Bumi pada ketinggian 278-460 km. LAPAN mengirimkan sekitar 800 biji tomat kering yang berasal dari SITH-FMIPA ITB dan diluncurkan oleh roket H-2B dari Tanegeshima Space Center pada hari Sabtu, 22 Januari 2011 untuk disimpan di ISS sehingga terkena sinar kosmik dari luar angkasa selama 180 hari, dan biji-biji tersebut kini telah kembali ke Indonesia dan dibagikan kepada sekitar 50 sekolah sehingga pelajar dapat meneliti dampak lingkungan antariksa (sinar kosmik dan mikrogravitasi) terhadap pertumbuhan tanaman tomat tersebut terhadap tomat yang normal.

Partikel NeutrinoNeutrino adalah partikel yang sangat kecil, tidak bermuatan, hampir tidak memiliki massa, bergerak hampir secepat cahaya dan memiliki interaksi yang sangat rendah dengan partikel-partikel lain. Keberadaan partikel ini sudah diramalkan oleh Wolfgang Pauli di tahun 1930 tetapi baru terbukti eksistensinya tahun 1956 oleh Clyde Cowan, Frederick Reines, dkk. (dan mereka mendapat nobel tahun 1995 karenanya). Ada tiga macam neutrino, yaitu elektron neutrino, muon neutrino dan tau neutrino. 

Berdasarkan teori-teori yang ada, reaksi inti yang terjadi di Matahari menghasilkan neutrino elektron, dan karena neutrino hampir tidak berinteraksi dengan materi yang lain maka neutrino matahari yang mencapai Bumi adalah neutrino asli yang berasal dari pusat Matahari, tanpa terpengaruh setiap lapisan Matahari, atmosfir Bumi maupun medan magnet Bumi. Jika astronom sanggup mendeteksi neutrino ini, maka reaksi ini yang ada di pusat Matahari dapat diamati secara langsung. Bandingkan dengan sebuah foton hasil reaksi inti dipusat Matahari, untuk mencapai permukaan Matahari saja satu foton mungkin memerlukan waktu sampai jutaan tahun karena interaksi dan penyerapan dengan partikel lain, sehingga pengamatan neutrino (meskipun sangat sulit) diharapkan mampu menggambarkan reaksi sebenarnya yang terjadi di pusat Matahari.   

Reaksi Proton-proton yang terjadi di pusat bintang deret utama seperti Matahari yang menghasilkan neutrino

(Kredit: Wikipedia)

Selain di inti bintang, partikel ini juga berasal dari ledakan supernova dan juga menurut teori dihasilkan saat dua detik setelah big bang, sehingga pengamatan pada neutrino latar belakang dapat memberi informasi tentang big bang.  Salah satu implikasi besar dari keberadaan neutrino yang selalu dihasilkan di pusat bintang dan sejak awal Big Bang adalah alam semesta ini dipenuhi oleh banyak sekali neutrino sehingga nasib alam semesta (menurut teori Big Bang) juga harus memperhitungkan massa neutrino ini.

Gelombang GravitasiGelombang ini merupakan salah satu efek dari teori relativitas umum Einstein yang diprediksikan sejak tahun 1916. Secara teoritis adalah pancaran energi secara dalam bentuk radiasi gravitasi, dimana sampai sekarang pendeteksiannya belum dapat dilakukan, tetapi jika bisa terdeteksi maka beberapa informasi bisa diperoleh, misalnya massa dan pergerakan sistem yang tidak bisa terdeteksi melalui gelombang elektromagnetik. 

Meskipun tidak terdeteksi secara langsung, secara tidak langsung efek ini sudah diamati, pertama kali oleh Russell Alan Hulse dan Joseph Hooton Taylor, Jr., dari Universitas Princeton di tahun 1974 yang mengamati pasangan bintang ganda yang berupa bintang neutron yang disebut PSR B1913+16. Pasangan bintang neutron ini memancarkan gravitasi yang sangat besar sehingga orbitnya makin lama semakin kehilangan energi yang dideteksi sebagai semakin mendekatnya kedua bintang neutron ini (mengalami orbital decay) dan hasil pengamatan ini sesuai dengan yang diprediksikan oleh Teori Relativitas Umum Einstein mengenai radiasi gravitasi. Karena hal ini, mereka mendapatkan nobel Fisika di tahun 1993.

Orbital decay pada PSR B1913+16 yang diamati sepanjang 30 tahun (Kredit : Wikipedia)

Secara langsung gelombang gravitasi belum bisa dideteksi tetapi jika bisa terdeteksi maka akan menambah kekayaan pengenalan manusia akan alam semesta ini. 

Gerak prograde dan gerak retrograde

Gerak prograde dan gerak retrograde, adalah gerak planet yang terlihat dari pengamat di Bumi. Planet ini bisa planet Mars, Jupiter atau Saturnus (planet superior yang terlihat oleh mata telanjang). Gerakan ini dilihat dari acuan bintang-bintang latar belakang. Jika kita memotret sebuah planet hari ini, kemudian besoknya pada jam yang sama dipotret kembali, dan besoknya pun demikian dan terus menerus setiap hari, maka kita akan melihat planet tiap hari bergerak terhadap bintang-bintang latar belakang dengan arah yang menuju ke arah Timur, sedangkan bintang-bintang di belakangnya memiliki konfigurasi yang tetap dan tidak berubah (posisi di langit berubah tiap hari, tetapi konfigurasinya yang tetap satu sama lain). Ini adalah salah satu alasan mengapa disebut planet, yang artinya pengelana (dari kata : planeten).

Ada waktu-waktu tertentu dimana planet bergerak dengan arah yang berbeda, yaitu ke Barat (mundur), kemudian beberapa hari kemudian normal kembali, maju bergerak ke arah Timur. Ketika bergerak ke Barat inilah disebut gerak retrograde (gerak maju mundur).

The retrograde motion of Mars in 2005.A composite image created by superimposing images taken on 35 different dates,each separated from the next by about a week. (Tunc Tezel, apod060422)

Retrograde Planet Saturnus (klik untuk melihat animasinya)

Gerak retrograde terjadi pada semua benda yang mengorbit Matahari dengan orbit lebih jauh dari orbit Bumi, hal ini disebabkan oleh perbedaan kecepatan orbit planet dengan Bumi. Pada Venus dan Merkurius efek ini tidak ada.

 Mungkin animasi ini bisa membantu untuk lebih mengerti