Ada sesuatu tentang mereka yang membuat kita penasaran. Banyak agama manusia dapat diikat untuk menyembah lilin surgawi ini. Bagi orang Mesir, matahari mewakili Dewa Ra, yang setiap hari menaklukkan malam dan membawa cahaya dan kehangatan ke tanah. Bagi orang-orang Yunani, itu adalah Apollo yang mengemudikan keretanya yang menyala melintasi langit, menerangi dunia. Bahkan dalam agama Kristen, Yesus dapat dikatakan mewakili matahari mengingat karakteristik yang mencolok dari kisahnya dengan kepercayaan dan tokoh astrologi kuno. Bahkan, banyak kepercayaan kuno mengikuti jalan yang sama, yang semuanya mengikat asal-usul mereka dengan penyembahan matahari dan bintang-bintang.
Kemanusiaan tumbuh subur dari bintang-bintang di langit malam karena mereka mengakui korelasi dalam pola di mana formasi bintang tertentu (dikenal sebagai rasi bintang) mewakili waktu tertentu dalam siklus tahunan. Salah satunya berarti akan menjadi lebih hangat segera, yang mengarah ke menanam makanan. Rasi bintang lainnya menubuatkan kedatangan a
masa lebih dingin, jadi Anda bisa mulai menyimpan makanan dan mengumpulkan kayu bakar. Bergerak maju dalam perjalanan umat manusia, bintang-bintang kemudian menjadi cara untuk bernavigasi. Berlayar oleh bintang-bintang adalah cara untuk berkeliling, dan kami berutang eksplorasi awal kita untuk pemahaman kita tentang rasi bintang. Selama puluhan ribu tahun ketika mata manusia memandang ke atas ke arah langit, baru-baru ini kita sepenuhnya mulai memahami apa sebenarnya bintang itu, dari mana mereka berasal, dan bagaimana mereka hidup dan mati. Inilah yang akan kita bahas dalam artikel ini. Ikut bersamaku saat kami menjelajah jauh ke dalam kosmos dan menyaksikan fisika yang besar, saat aku membahas bagaimana sebuah bintang dilahirkan, hidup, dan akhirnya mati.
Kita memulai perjalanan kita dengan melakukan perjalanan ke alam semesta untuk mencari sesuatu yang istimewa. Kami mencari struktur unik di mana keadaan dan bahan yang tepat ada. Kami mencari apa yang disebut astronom sebagai Nebula Gelap. Saya yakin Anda pernah mendengar tentang nebula sebelumnya, dan tidak ragu melihatnya. Banyak gambar menakjubkan yang diperoleh Hubble Space Telescope adalah awan gas yang indah, bersinar di tengah-tengah miliaran bintang. Warnanya berkisar dari merah tua, biru cerah, dan bahkan beberapa hijau menakutkan. Ini bukan tipe nebula yang kita cari. Nebula yang kita butuhkan gelap, buram, dan sangat, sangat dingin.
Anda mungkin bertanya-tanya pada diri sendiri, "Mengapa kita mencari sesuatu yang gelap dan dingin ketika bintang-bintang cerah dan panas?"
Memang, ini adalah sesuatu yang akan tampak membingungkan pada awalnya. Mengapa sesuatu harus dingin dulu sebelum menjadi sangat panas? Pertama, kita harus membahas sesuatu yang elementer tentang apa yang kita sebut Interstellar Medium (ISM), atau ruang di antara bintang-bintang. Spasi tidak kosong seperti namanya. Ruang angkasa mengandung gas dan debu. Gas yang kita maksudkan utamanya adalah Hidrogen, unsur paling melimpah di alam semesta. Karena alam semesta tidak seragam (kepadatan gas dan debu yang sama di atas setiap meter kubik), ada kantong ruang yang mengandung lebih banyak gas dan debu daripada yang lain. Ini menyebabkan gravitasi memanipulasi kantong-kantong ini untuk bersatu dan membentuk apa yang kita lihat sebagai nebula. Banyak hal masuk ke pembuatan nebula yang berbeda ini, tetapi yang kita cari, Nebula Gelap, memiliki sifat yang sangat istimewa. Sekarang, mari kita selami salah satu Nebula Gelap ini dan lihat apa yang terjadi.
Ketika kita turun melalui lapisan luar nebula ini, kita perhatikan bahwa suhu gas dan debu sangat rendah. Di beberapa nebula, suhunya sangat panas. Semakin banyak partikel saling bertabrakan, bersemangat oleh penyerapan dan emisi radiasi eksterior dan interior, berarti suhu yang lebih tinggi. Tetapi dalam Nebula Gelap ini, yang terjadi adalah yang sebaliknya. Temperatur semakin menurun semakin jauh ke awan yang kita dapatkan. Alasan Nebula Gelap ini memiliki sifat khusus yang berfungsi untuk menciptakan pembibitan bintang yang hebat harus berurusan dengan sifat dasar nebula dan tipe wilayah tempat awan itu berada, yang memiliki beberapa konsep sulit yang terkait dengannya yang tidak akan saya ilustrasikan sepenuhnya. sini. Mereka termasuk daerah di mana awan molekul terbentuk yang disebut Daerah Hidrogen Netral, dan sifat-sifat daerah ini harus berurusan dengan nilai spin elektron, bersama dengan interaksi medan magnet yang mempengaruhi elektron tersebut. Ciri-ciri yang akan saya bahas adalah apa yang memungkinkan nebula khusus ini matang untuk pembentukan bintang.
Tidak termasuk sains kompleks di balik apa yang membantu membentuk nebula ini, kita dapat mulai menjawab pertanyaan pertama mengapa kita harus menjadi lebih dingin untuk menjadi lebih panas. Jawabannya turun ke gravitasi. Ketika partikel dipanaskan, atau bersemangat, mereka bergerak lebih cepat. Awan dengan energi yang cukup akan mengandung terlalu banyak momentum di antara setiap partikel debu dan gas untuk semua jenis formasi yang akan terjadi. Seperti halnya, jika butiran debu dan atom gas bergerak terlalu cepat, mereka hanya akan terpental satu sama lain atau saling menembak melewati satu sama lain, tidak pernah mencapai ikatan apa pun. Tanpa interaksi ini, Anda tidak akan pernah memiliki bintang. Namun, jika suhunya cukup dingin, partikel-partikel gas dan debu bergerak sangat lambat sehingga gravitasi timbal baliknya memungkinkan mereka untuk mulai "bersatu". Proses inilah yang memungkinkan protobintang mulai terbentuk.
Secara umum, apa yang memasok energi agar gerakan partikel-partikel yang lebih cepat di awan molekul ini adalah radiasi. Tentu saja, ada radiasi yang datang dari segala arah setiap saat di alam semesta. Seperti yang kita lihat dengan nebula lainnya, mereka bersinar dengan energi dan bintang-bintang tidak dilahirkan di tengah awan gas panas ini. Mereka dipanaskan oleh radiasi eksternal dari bintang lain dan dari panas internalnya sendiri. Bagaimana Nebula Gelap ini mencegah radiasi eksternal dari memanaskan gas di awan dan menyebabkannya bergerak terlalu cepat untuk menahan gravitasi? Di sinilah
sifat buram Nebula Gelap ini ikut berperan. Opacity adalah ukuran seberapa banyak cahaya dapat bergerak melalui suatu objek. Semakin banyak material dalam objek atau semakin tebal objek, semakin sedikit cahaya yang mampu menembusnya. Semakin tinggi frekuensi cahaya (Sinar Gamma, Sinar-X, dan UV) dan bahkan frekuensi yang terlihat lebih dipengaruhi oleh kantong gas dan debu yang tebal. Hanya jenis frekuensi cahaya yang lebih rendah, termasuk Infra Merah, Gelombang Mikro, dan Gelombang Radio, yang berhasil menembus awan gas seperti ini, dan bahkan agak tersebar sehingga umumnya mereka tidak mengandung energi yang cukup untuk mulai mengganggu genting ini. proses pembentukan bintang. Dengan demikian, bagian dalam awan gas gelap secara efektif "terlindung" dari radiasi luar yang mengganggu nebula lain yang kurang buram. Semakin sedikit radiasi yang membuatnya menjadi awan, semakin rendah suhu gas dan debu di dalamnya. Temperatur yang lebih dingin berarti lebih sedikit gerakan partikel di dalam awan, yang merupakan kunci untuk apa yang akan kita bahas selanjutnya.
Memang, ketika kita turun ke inti awan molekul gelap ini, kita perhatikan bahwa semakin sedikit cahaya yang terlihat masuk ke mata kita, dan dengan filter khusus, kita dapat melihat bahwa ini berlaku untuk frekuensi cahaya lain. Akibatnya, suhu awan sangat rendah. Perlu dicatat bahwa proses pembentukan bintang membutuhkan waktu yang sangat lama, dan demi menjaga agar Anda tidak membaca selama ratusan ribu tahun, sekarang kita akan mempercepat waktu. Dalam beberapa ribu tahun, gravitasi telah menarik cukup banyak gas dan debu dari awan molekul sekitarnya, menyebabkannya menggumpal. Partikel-partikel debu dan gas, yang masih terlindung dari radiasi luar, bebas untuk bersatu secara alami dan "menempel" pada suhu rendah ini. Akhirnya, sesuatu yang menarik mulai terjadi. Gravitasi timbal balik dari bola gas dan debu yang terus tumbuh ini memulai efek bola salju (atau bola bintang). Semakin banyak lapisan gas dan debu yang terkoagulasi bersama, semakin padat bagian dalam protobintang ini. Kepadatan ini meningkatkan gaya gravitasi di dekat protobintang, sehingga menarik lebih banyak material ke dalamnya. Dengan setiap butiran debu dan atom hidrogen yang terakumulasi, tekanan di bagian dalam bola gas ini meningkat.
Jika Anda mengingat sesuatu dari kelas kimia apa pun yang pernah Anda ikuti, Anda mungkin mengingat hubungan yang sangat istimewa antara tekanan dan suhu saat berurusan dengan gas. PV = nRT, Hukum Gas Ideal, muncul di pikiran. Tidak termasuk nilai skalar konstan 'n' dan konstanta gas R ({8.314 J / mol x K}), dan penyelesaian untuk Temperatur (T), kita mendapatkan T = PV, yang berarti bahwa suhu awan gas berbanding lurus untuk menekan. Jika Anda meningkatkan tekanan, Anda meningkatkan suhu. Inti dari calon bintang yang berada di Nebula Kegelapan ini menjadi sangat padat, dan tekanannya meroket. Menurut apa yang baru saja kita hitung, itu artinya suhu juga meningkat.
Kami kembali mempertimbangkan nebula ini untuk langkah selanjutnya. Nebula ini memiliki sejumlah besar debu dan gas (karenanya menjadi buram), yang berarti ia memiliki banyak bahan untuk memberi makan protobintang kita. Itu terus menarik gas dan debu dari lingkungan sekitarnya dan mulai memanas. Partikel-partikel hidrogen pada inti benda ini memantul dengan sangat cepat sehingga mereka melepaskan energi ke bintang. Protobintang mulai menjadi sangat panas dan sekarang bersinar dengan radiasi (umumnya Inframerah). Pada titik ini, gravitasi masih menarik lebih banyak gas dan debu yang menambah tekanan yang diberikan jauh di dalam inti protobintang ini. Gas Nebula Gelap akan terus runtuh dengan sendirinya sampai sesuatu yang penting terjadi. Ketika ada sedikit atau tidak ada yang tersisa di dekat bintang untuk jatuh ke permukaannya, ia mulai kehilangan energi (karena itu memancar sebagai cahaya). Ketika ini terjadi, gaya luar itu berkurang dan gravitasi mulai berkontraksi dengan bintang lebih cepat. Ini sangat meningkatkan tekanan pada inti protobintang ini. Ketika tekanan tumbuh, suhu di inti mencapai nilai yang penting untuk proses yang kita saksikan. Inti protobintang menjadi sangat padat dan panas, sehingga mencapai sekitar 10 juta Kelvin. Singkatnya, suhu ini sekitar 1700x lebih panas dari permukaan matahari kita (sekitar 5800K). Mengapa 10 juta Kelvin begitu penting? Karena pada suhu itu, fusi termonuklir Hidrogen dapat terjadi, dan begitu fusi dimulai, bintang yang baru lahir ini "menyala" dan meledak menjadi hidup, mengirimkan energi dalam jumlah besar ke segala arah.
Pada intinya, sangat panas sehingga elektron yang berada di sekitar inti proton hidrogen dilucuti (terionisasi), dan yang Anda miliki hanyalah proton yang bergerak bebas. Jika suhunya tidak cukup panas, proton terbang bebas ini (yang memiliki muatan positif), akan saling melirik satu sama lain. Namun, pada 10 Juta Kelvin, proton bergerak sangat cepat sehingga mereka bisa cukup dekat untuk memungkinkan Gaya Nuklir Kuat untuk mengambil alih, dan ketika itu terjadi, proton Hidrogen mulai membanting satu sama lain dengan kekuatan yang cukup untuk bergabung bersama, menciptakan Atom helium dan melepaskan banyak energi dalam bentuk radiasi. Ini adalah reaksi berantai yang dapat disimpulkan sebagai 4 Proton menghasilkan 1 atom Helium + energi. Fusi ini yang menyalakan bintang dan menyebabkannya “terbakar”. Energi yang dilepaskan oleh reaksi ini digunakan untuk membantu proton Hidrogen lainnya berfusi dan juga memasok energi untuk menjaga bintang agar tidak runtuh dengan sendirinya. Energi yang memompa keluar dari bintang ini ke segala arah semuanya berasal dari inti, dan lapisan berikutnya dari bintang muda ini semua mentransmisikan panas itu dengan caranya sendiri (menggunakan metode radiasi dan konveksi tergantung pada jenis bintang yang telah dilahirkan) .
Apa yang telah kita saksikan sekarang, dari awal perjalanan kita ketika kita turun ke Nebula Kegelapan yang dingin itu, adalah kelahiran bintang muda yang panas. Nebula melindungi bintang ini dari radiasi yang keliru yang akan mengganggu proses ini, serta menyediakan lingkungan yang sangat dingin yang diperlukan agar gravitasi dapat menguasai dan mengerjakan keajaibannya. Ketika kita menyaksikan bentuk protobintang, kita mungkin juga telah melihat sesuatu yang luar biasa. Jika isi nebula ini benar, seperti memiliki logam berat dan silikat dalam jumlah tinggi (yang tersisa dari supernova bintang sebelumnya yang lebih masif), apa yang dapat kita mulai lihat adalah pembentukan planet yang terjadi di cakram akresi dari materi di sekitar protobintang.
Gas dan debu yang tersisa di sekitar bintang baru kita akan mulai membentuk kantong padat dengan mekanisme yang sama
gravitasi, pada akhirnya bisa bertambah menjadi protoplanet yang terdiri dari gas atau silikat dan logam (atau kombinasi keduanya). Karena itu, pembentukan planet masih menjadi misteri bagi kita, karena tampaknya ada hal-hal yang belum dapat kita jelaskan di tempat kerja. Tetapi model pembentukan sistem bintang ini tampaknya bekerja dengan baik.
Kehidupan sang bintang hampir tidak menggairahkan seperti kelahiran atau kematiannya. Kami akan terus mempercepat jam dan menonton sistem bintang ini berkembang. Lebih dari beberapa miliar tahun, sisa-sisa Nebula Kegelapan telah hancur berantakan dan juga telah membentuk bintang-bintang lain seperti yang kita saksikan, dan itu tidak ada lagi. Planet-planet yang kita lihat terbentuk ketika protobintang tumbuh memulai tarian milyaran tahun mereka di sekitar bintang induknya. Mungkin di salah satu dunia ini, dunia yang berada pada jarak yang tepat dari bintang, ada air cair. Di dalamnya air mengandung asam amino yang dibutuhkan untuk protein (semua terdiri dari unsur-unsur yang ditinggalkan oleh letusan bintang sebelumnya). Protein ini dapat terhubung bersama untuk mulai membentuk rantai RNA, kemudian rantai DNA. Mungkin pada satu titik beberapa miliar tahun setelah bintang telah lahir, kita melihat spesies angkasa antariksa meluncurkan dirinya ke kosmos, atau mungkin mereka tidak pernah mencapai ini karena berbagai alasan dan tetap terikat pada planet. Tentu saja ini hanya spekulasi untuk hiburan kita. Namun, sekarang kita sampai pada akhir perjalanan kita yang dimulai miliaran tahun yang lalu. Bintang itu mulai mati.
Hidrogen pada intinya sedang menyatu menjadi Helium, yang menghabiskan Hidrogen dari waktu ke waktu; bintang kehabisan bensin. Setelah bertahun-tahun, proses fusi hidrogen mulai berhenti, dan bintang mengeluarkan lebih sedikit energi. Kurangnya tekanan luar dari proses fusi mengganggu apa yang kita sebut keseimbangan hidrostatik, dan memungkinkan gravitasi (yang selalu berusaha menghancurkan bintang) untuk menang. Bintang mulai menyusut dengan cepat karena beratnya sendiri. Tapi, seperti yang kita bahas sebelumnya, ketika tekanan meningkat, demikian juga suhu. Semua itu Helium yang tersisa
dari miliaran tahun fusi hidrogen sekarang mulai memanas di inti. Helium sekering pada suhu yang jauh lebih panas daripada Hidrogen, yang berarti bahwa inti kaya Helium dapat ditekan ke dalam oleh gravitasi tanpa sekering (belum). Karena fusi tidak terjadi di inti Helium, ada sedikit atau tidak ada kekuatan luar (dilepaskan oleh fusi) untuk mencegah inti runtuh. Hal ini menjadi jauh lebih padat, yang sekarang kita namakan degenerasi, dan mendorong keluar sejumlah besar panas (energi gravitasi menjadi energi termal). Hal ini menyebabkan Hidrogen yang tersisa yang berada di lapisan berikutnya di atas inti Helium melebur, yang menyebabkan bintang meluas secara besar-besaran karena cangkang Hidrogen ini terbakar di luar kendali. Ini membuat bintang "melambung" dan meluas dengan cepat; fusi yang lebih energik dari cangkang Hidrogen di luar inti yang sangat memperluas diameter bintang. Bintang kita sekarang adalah raksasa merah. Beberapa, jika tidak semua planet bagian dalam yang kita saksikan akan dibakar dan ditelan oleh bintang yang pertama memberi mereka kehidupan. Jika ada kehidupan di salah satu planet yang tidak berhasil meninggalkan dunia asal mereka, mereka pasti akan terhapus dari alam semesta, tidak pernah diketahui.
Proses bintang kehabisan bahan bakar (Hidrogen pertama, lalu Helium, dll ...) akan berlanjut untuk sementara waktu. Akhirnya, Helium di inti akan mencapai suhu tertentu dan mulai menyatu menjadi Karbon, yang akan menunda keruntuhan (dan kematian) bintang. Bintang yang kita tonton saat ini hidup dan mati adalah Bintang Sekuens Utama berukuran rata-rata, jadi hidupnya berakhir begitu selesai menggabungkan Helium menjadi
Karbon. Jika bintang itu jauh lebih besar, proses fusi ini akan berlanjut sampai kita mencapai Besi. Besi adalah elemen di mana fusi tidak terjadi secara spontan, yang berarti ia membutuhkan lebih banyak energi untuk meleburnya daripada mengeluarkan setelah fusi. Namun, bintang kita tidak akan pernah berhasil mencapai Iron pada intinya, dan dengan demikian ia telah mati setelah menghabiskan reservoir Helium-nya. Ketika proses fusi akhirnya "mati" (kehabisan gas), bintang perlahan-lahan mulai mendingin dan lapisan luar bintang membesar dan terlontar ke ruang angkasa. Lontaran material bintang berikutnya berlanjut untuk menciptakan apa yang kita sebut nebula planet, dan semua yang tersisa dari bintang yang dulu brilian yang kita saksikan muncul sekarang hanyalah bola karbon padat yang akan terus mendingin selama sisa keabadian, mungkin mengkristal menjadi berlian.
Kematian yang kita saksikan tadi bukan satu-satunya cara bintang mati. Jika sebuah bintang cukup besar, kematiannya jauh lebih ganas. Bintang itu akan meletus menjadi ledakan terbesar di alam semesta, yang disebut supernova. Tergantung pada banyak variabel, sisa bintang dapat berakhir sebagai bintang neutron, atau bahkan lubang hitam. Tetapi untuk sebagian besar dari apa yang kita sebut Bintang Urutan Utama berukuran rata-rata, kematian yang kita saksikan akan menjadi nasib mereka.
Perjalanan kami berakhir dengan kami merenungkan apa yang telah kami amati. Melihat apa yang dapat dilakukan alam dengan keadaan yang tepat, dan menyaksikan awan gas dan debu yang sangat dingin berubah menjadi sesuatu yang berpotensi untuk menghembuskan kehidupan ke kosmos. Pikiran kita berjalan kembali ke spesies yang bisa berevolusi di salah satu planet itu. Anda berpikir tentang bagaimana mereka bisa melalui fase yang mirip dengan kita. Mungkin menggunakan bintang-bintang sebagai dewa supranatural yang membimbing kepercayaan mereka selama ribuan tahun, menggantikan jawaban di mana ketidaktahuan mereka memerintah. Keyakinan ini mungkin bisa berubah menjadi agama, masih memahami bahwa gagasan seleksi khusus dan pemikiran murah hati. Akankah bintang-bintang memicu keinginan mereka untuk memahami alam semesta seperti yang dilakukan bintang-bintang pada kita? Pikiran Anda kemudian merenungkan bagaimana nasib kita jika kita tidak berusaha mengambil langkah berikutnya ke alam semesta. Apakah kita membiarkan spesies kita terhapus dari kosmos saat bintang kita mengembang dalam kematiannya? Perjalanan yang baru saja Anda lakukan ini menjadi jantung Nebula Kegelapan benar-benar mencontohkan apa yang dapat dilakukan oleh pikiran manusia, dan menunjukkan kepada Anda seberapa jauh kami telah datang meskipun kami masih terikat dengan tata surya kita. Hal-hal yang telah Anda pelajari ditemukan oleh orang lain seperti Anda hanya bertanya bagaimana hal-hal terjadi dan kemudian membawa seluruh pengetahuan kita tentang fisika menjadi telanjang. Bayangkan apa yang bisa kita capai jika kita melanjutkan proses ini; bisa sepenuhnya mencapai tempat kita di antara bintang-bintang.
