Begini cara kerja bintang – Bagian 1: Gravitasi dan tekanan Gas

Tiga orang astronom, Carl Hansen, Steven Kawaler, dan Virginia Trimble, dalam buku teks terbaru mereka tentang struktur bintang, berjudul Stellar Interiors: Physical Principles, Structure, and Evolution (Interior Bintang: Prinsip Fisis, Struktur, dan Evolusi), menulis, “Jika Anda ingin tahu bagaimana bintang bekerja, pergilah keluar dan lihatlah mereka selama beberapa malam. Apa yang mereka lakukan hanyalah bersinar dengan stabil sepanjang waktu.” Secara historis ini betul. Mari kita lihat Matahari sebagai contoh.

Penemuan-penemuan fosil menunjukkan bahwa kehidupan di Bumi sudah ada paling tidak semenjak 3 milyar tahun lalu. Studi tentang kandungan kimiawi pohon-pohon tertua dan fosil-fosil tersebut juga menunjukkan bahwa Bumi tidak mengalami perubahan besar yang disebabkan oleh ketidakstabilan matahari. Apa yang dilakukan matahari kita “hanyalah” bersinar begitu lama!

Sinar matahari yang kita nikmati sekarang sama dengan sinar matahari yang dinikmati nenek moyang kita di zaman dahulu, bahkan sama pula dengan yang dinikmati dinosaurus puluhan juta tahun lalu. Dalam rentang waktu jutaan tahun, matahari relatif stabil. Tentu timbul pertanyaan: kenapa matahari bisa begitu stabil? Pertama-tama, mari kita coba hitung massa matahari. Kita sekarang tahu bahwa jarak Bumi kita ke Matahari adalah 150 juta km, sementara waktu yang dibutuhkan Bumi untuk mengelilingi Matahari adalah 1 tahun yaitu 365.25 hari. Anggap saja Bumi mengelilingi matahari dalam orbit berbentuk lingkaran, sehingga kecepatan Bumi mengelilingi matahari adalah 100 000 km/jam.

Karena kita tahu bahwa gerakan Bumi berasal dari tarikan gravitasi Matahari, maka dapat kita simpulkan dari Hukum Gravitasi bahwa gaya gravitasi Matahari dihasilkan oleh massa sebesar 2 x 10^30 kg! Ini kira-kira sama dengan 330 000 kali massa Bumi.

Kenapa massa yang begitu besar ini tidak runtuh ke pusatnya? Sebuah gedung tinggi punya massa besar dan tetap berdiri karena ada pilar-pilar kerangka yang menopang seluruh massa gedung. Namun bila pilar-pilar ini diledakkan oleh pakar peruntuh gedung, seluruh bangunan akan runtuh secara bersamaan ke bawah, ke arah pusat Bumi. Demikian pula dengan matahari, bila tidak ada “sesuatu” yang menopang seluruh massa tersebut, maka matahari akan runtuh ke arah pusatnya dalam waktu kurang dari setengah jam! Karena kita tidak pernah melihat hal itu terjadi, berarti ada sesuatu yang menopang struktur matahari (Lihat video peruntuhan sebuah gedung tua. Inilah yang terjadi bila matahari kehilangan struktur penopangnya).

Kita anggap saja bahwa Matahari adalah sebuah bola gas yang berpijar. Bila hal itu betul, kita dapat anggap gas di dalam matahari sebagai sebuah gas ideal yang memancarkan radiasi elektromagnetik. Hukum Gas ideal mengatakan bahwa gas yang dimampatkan akan menghasilkan tekanan yang melawan pemampatan itu. Bila gas tersebut memancarkan radiasi elektromagnetik, maka Matahari juga menghasilkan tekanan radiasi yang arahnya ke luar permukaan matahari.

Bila suhu di pusat matahari kita ketahui dengan pemodelan teoritik, maka suhu di permukaan matahari kita ketahui melalui pengamatan. Apabila kita melewatkan sinar matahari pada prisma, maka kita akan melihat bahwa sinar matahari yang berwarna putih tersebut akan terbagi-bagi menjadi sinar dengan berbagai warna, dari warna merah hingga warna ungu. Warna-warna yang berbeda ini adalah tanda bahwa cahaya terbagi-bagi atas sinar dengan energi yang berbeda-beda. Artinya radiasi elektromagnetik merentang dari energi tinggi hingga energi rendah (sinar Gamma dan sinar-X adalah contoh radiasi energi tinggi, sementara sinar inframerah, gelombang Radio, dan gelombang mikro (microwave) adalah contoh radiasi energi rendah), dan radiasi yang kasat mata kita namakan sebagai cahaya.

Sumber radiasi elektromagnetik adalah sebuah pemancar sempurna yang kita namakan benda hitam. Lagi-lagi benda hitam, sebagaimana gas ideal, hanyalah objek khayal. Namun sifat-sifat radiatif matahari dapat didekati bila kita menganggap matahari sebagai sebuah benda hitam.

Eksperimen menunjukkan bahwa sebuah benda hitam memancarkan energinya dalam bentuk radiasi elektromagnetik dan energinya dipancarkan pada seluruh panjang gelombang. Namun intensitas energi pada setiap panjang gelombang tidak sama, dan setiap benda hitam yang memiliki temperatur tertentu memiliki panjang gelombang di mana intensitas energinya paling tinggi. Semakin tinggi temperatur sebuah benda hitam, semakin pendek panjang gelombang di mana energi paling tinggi memancar (lihat gambar kurva benda hitam). Dengan demikian, benda hitam yang memancarkan energinya pada suhu tertentu akan memiliki kurva intensitas energi yang unik. Untuk mengetahui bentuk kurva ini, kita dapat memecah cahaya pancaran benda hitam ini ke dalam spektrumnya masing-masing. Permukaan Matahari dapat kita anggap sebagai sebuah benda hitam, dan oleh karena itu bentuk sebaran energi matahari dapat didekati dengan kurva pancaran benda hitam. Dengan melakukan pengamatan spektroskopi pada matahari, kita dapat mengetahui seperti apa spektrum matahari dan dengan demikian dapat diketahui pula temperatur permukaannya yaitu 5800 Kelvin.

Pengamatan spektrum bintang-bintang lain ternyata menunjukkan perilaku yang sama: bintang juga merupakan sebuah benda hitam dan memancarkan radiasi elektromagnetik. Namun, temperatur permukaan bintang berbeda-beda. Ada yang lebih panas dari matahari, ada pula yang lebih dingin dari matahari. Walaupun demikian, semua bintang yang kita amati berlaku seperti sebuah benda hitam. Dari pengamatan spektrum matahari dan bintang-bintang lain inilah kita dapat menyimpulkan bahwa bintang-bintang yang kita amati di langit malam itu sebenarnya adalah matahari-matahari lain yang letaknya teramat sangat jauh sehingga sinarnya demikian redup bila dibandingkan dengan matahari yang lebih dekat. Karena sekarang kita sudah tahu bahwa bintang adalah objek yang sama dengan matahari kita, maka bintang-bintang lain pun dapat kita anggap pula sebagai sebuah bola gas yang berada dalam kesetimbangan hidrostatik. Apa yang kita ketahui tentang kesetimbangan matahari dapat kita terapkan pula pada bintang!