TATA SURYA & SISTEM KEPLANETAN LAIN Pembentukan Tata Surya Anggota-anggota Tata Surya Hukum Kepler Sistem Keplanetan di Luar Tata Surya Kompetensi Dasar: Memahami konsep Tata Surya Judhistira Aria Utama, M.Si. Lab. Bumi & Antariksa Jur. Pendidikan Fisika FPMIPA UPI
Pembentukan Tata Surya Digagas pertama kali oleh Rene Descartes (1644), dielaborasi oleh Immanuel Kant dan dilajutkan oleh Pierre Simon de Laplace Nebular Hypothesis. Tata Surya terbentuk sebagai produk sampingan dari pembentukan Matahari. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 2
Kelahiran Tata Surya dapat dirangkum dalam 3 proses utama: I. Keruntuhan awan gas dan debu II. Pemipihan awan karena rotasi III. Kondensasi protobintang dan protoplanet Bersamaan dengan keruntuhan yang terus berlanjut, rotasi membentuk daerahdaerah yang mulai berkontraksi secara gravitasi. Daerahdaerah kondensasi lokal ini akan membentuk Matahari, planet-planet, satelit alami, dan bendabenda Tata Surya lainnya. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 3
Ilustrasi seniman yang menunjukkan protobintang yang dikelilingi bahan-bahan pembentuk planet. Nebula M16 oleh Hubble Space Telescope (HST). Judhistira Aria Utama TA 2009-2010 4
Mengapa Berbeda? Planet Kebumian Planet Jovian Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 5
Perbedaan yang Terlihat Terrestrial Planets Small size, low mass Dense, rocky solid surfaces Close to the Sun (within 1.5 AU) Heavy gas atmospheres (N 2, O 2, CO 2 ) Fast orbiting velocity Jovian Planets Large and massive Low density, huge gaseous atmospheres Farther away (from 5.2 to 30 AU) Lighter elements, H and He Slow orbiting velocity Few satellites (2) Many moons (over 60) Weak magnetic fields No ring system Strong magnetic fields Planetary rings Judhistira Aria Utama TA 2011-2010 6
Mengapa Planet Dalam Tersusun atas Batuan sementara Planet Luar Berupa Gas? Ada tiga alasan utama: Di tempat terbentuknya planet-planet kebumian kondisinya terlampau panas bagi gas raksasa untuk berkondensasi membentuk partikel padat. Ketika Matahari memulai reaksi termonuklir di pusatnya, angin Matahari (solar wind; aliran partikel bermuatan yang keluar dari Matahari) meniup gas dan debu menjauh dari daerah tempat terbentuknya planet-planet kebumian. Di jarak yang semakin jauh, kekuatan angin Matahari pun berkurang. Fisik planet-planet kebumian relatif lebih kecil, sehingga gravitasi tidak mampu menahan lepasnya gas-gas ringan ke angkasa. Berbeda halnya dengan planet-planet gas raksasa yang memiliki gravitasi lebih kuat, sehingga mampu menahan gas-gas dalam jumlah besar. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 7
Latihan Dengan menggunakan informasi jari-jari Bumi yang besarnya 6370 km dan percepatan gravitasi di permukaan Bumi g = 9,8 m/s 2, (i) perolehlah massa jenis rata-rata Bumi! (ii) Dengan mengetahui bahwa massa jenis rata-rata granit di permukaan Bumi adalah 2,75x10 3 kg/m 3, apa yang dapat Anda simpulkan tentang massa jenis material di bagian dalam (interior) Bumi? Seandainya planet akan kehilangan atmosfernya saat kecepatan molekul melampaui 1/6 kali kecepatan lepas, berapakah massa minimum yang diperlukan Merkurius untuk dapat mempertahankan keberadaan nitrogen di atmosfernya? (Diketahui: Mr N 2 = 28, radius Merkurius = 0,4 R, temperatur permukaan Merkurius = 600 K) M planet M v, km s lepas R planet R 1 11 2 molekul T v 0, 157 km s M r 1 Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 8
Kemiripan Di antara Mereka Diduga, pada masa lalu air pernah hadir di seluruh planet kebumian dalam fase yang berbeda-beda. Di Venus dan Merkurius air sudah lama menguap karena dekatnya jarak dengan Matahari. Di Mars, air masih ada di daerah kutub dan di dekat permukaan. Di Bumi, air berada dalam kondisi yang memungkinkannya hadir dalam fase cair. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 9
Fakta Lainnya Merkurius tidak memiliki atmosfer karena jarak yang terlampau dekat dengan Matahari. Ketiadaan atmosfer berkontribusi pada tingginya temperatur permukaan planet. Venus justru memiliki atmosfer yang sangat tebal, yang menghasilkan efek rumah kaca berketerusan (runaway greenhouse effect) sehingga menjadikannya planet terpanas di Tata Surya! Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 10
Kemiripan Di antara Mereka Badai yang besar merupakan hal yang umum di Jupiter, Saturnus, dan Neptunus. Di Neptunus, angin yang kuat (mencapai 1100 km/jam) diamati di dekat ekuator. Sementara di Jupiter, juga di dekat ekuatornya, dikenal the Great Red Spot yang merupakan badai raksasa dengan kecepatan mencapai 500 km/jam. Planet-planet gas semuanya memiliki sistem cincin yang tersusun atas partikel-partikel es kecil, debu, dan batuan. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 11
Keanekaragaman yang Lainnya Perbedaan mencolok antara Io dan Bulan Vulkanik, sulfur.. Mati secara geologis, batuan gelap Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 12
Interior Planet Kebumian Diferensiasi: terjadi pemisahan lapisanlapisan di interior planet. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 13
Proses-Proses di Permukaan Planet Empat proses geologis utama: Vulkanisme Tektonisme Erosi Pembentukan kawah karena tumbukan dengan benda dari luar angkasa Kombinasi dari keempat proses ini memberikan apa yang terlihat di permukaan planet-planet kebumian. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 14
Vulkanisme Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 15
Tektonisme Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 16
Erosi Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 17
Pengkawahan Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 18
Benda Kecil di Tata Surya: Planet Kerdil Dwarf planet atau planet kerdil adalah benda langit yang memenuhi kriteria: 1. Orbitnya mengelilingi Matahari 2. Memiliki massa yang cukup untuk menghasilkan gaya gravitasi sendiri, berwujud benda tegar yang bentuknya mendekati bulat 3. Memiliki orbit yang memotong orbit objek lain di Tata Surya 4. Bukan satelit alam dari planet Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 19
Benda Kecil di Tata Surya: Asteroid Ada jutaan batuan kecil disebut asteroid yang juga mengorbit Matahari; sebagian besar berada di antara orbit planet Mars dan Jupiter (dikenal pula sebagai daerah sabuk utama). Asteroid dengan ukuran kurang dari 300 kilometer cenderung memiliki bentuk yang tidak beraturan karena gravitasinya yang tidak cukup kuat memampatkan batuan untuk dapat memiliki bentuk sferis (membulat). Asteroid 433 Eros yang memiliki ukuran elipsoid 33x13x13 km. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 20
Asteroid dikelompokkan menurut kandungan mineral batuannya, yaitu: asteroid tipe C (= carbonaceous): asteroid yang tersusun atas material silikat dengan banyak senyawa karbon sehingga terlihat sangat gelap. Komposisi material penyusunnya ini dapat diketahui dengan menganalisis spektrum cahaya Matahari yang dipantulkan permukaan asteroid (hanya 3% hingga 4% saja sinar Matahari yang dipantulkan). Spektrum pantulan ini menunjukkan bahwa asteroid jenis ini tergolong primitif, artinya batuan angkasa ini belum berubah sejak pertama kali terbentuk sebagai sisa-sisa pembentukan planet pada 4,6 milyar tahun yang lampau. asteroid tipe S (= silicate): asteroid yang tersusun atas material silikat tanpa senyawa karbon, sehingga terlihat lebih terang daripada asteroid tipe C. Asteroid tipe ini memantulkan 15% sampai 20% cahaya yang tiba di permukaannya. asteroid tipe M (= metal): asteroid yang tersusun atas logam besi dan nikel. Asteroid logam lebih terang daripada asteroid tipe karbon dan silikat. Asteroid ini diduga terbentuk dari objek yang intinya mengalami diferensiasi. Objek-objek besar pada awal pembentukan Tata Surya memiliki temperatur yang cukup panas sehingga berada dalam keadaan cair. Keadaan seperti ini memungkinkan besi dan nikel terbenam ke arah pusat sementara material yang lebih ringan, seperti batuan silikat, bergerak ke arah permukaan. Karena objek-objek yang lebih kecil mendingin lebih cepat dibandingkan objek-objek yang lebih besar, intinya pun menjadi kurang terdiferensiasi. Dalam Tata Surya awal, kondisi yang dinamis membuat objek-objek besar dengan inti terdiferensiasi tersebut mudah mengalami tumbukan satu dengan lainnya. Saat bertumbukan itulah, objek-objek tersebut pecah dan menyisakan inti logam mereka yang sekarang menjadi asteroid tipe M ini. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 21
Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 22
Benda Kecil di Tata Surya: Komet Komet menghabiskan sebagian besar waktunya pada jarak yang jauh dari Matahari berselimutkan es! Ketika mendekati Matahari, senyawa volatile (es air, es metana, CO 2 beku, amonia beku dll) mulai bersublimasi menjadi gas. Gas (ion) tail (menjauhi karena pengaruh angin Matahari) Matahari Dust tail (menjauhi Matahari karena tekanan foton) Coma Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 23
Benda Kecil di Tata Surya: Meteoroid Jenis meteorit: Batuan Batuan-besi Besi Banyak hubungan dengan asteroid. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 24
Hukum Kepler Astronom berkebangsaan Jerman, Johannes Kepler, berhasil menyederhanakan teori tentang pergerakan planet dengan memanfaatkan data observasi yang ditinggalkan Tycho Brahe. Grolier Encyclopedia Johannes Kepler (1571-1630) 1. Orbit planet berbentuk elips dengan Matahari berada di salah satu titik fokus Bentuk orbit dan posisi Matahari di dalamnya. Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 25
2. Vektor radius (garis hubung Matahari-planet) menyapu luas daerah yang sama dalam selang waktu yang sama. 1 da r vdt da dt 2 1 2m L 2m r mv dt Planet bergerak lebih cepat ketika di dekat Matahari (perihelion) dan sebaliknya lebih lambat ketika jauh dari Matahari (aphelion). Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 26
3. Pangkat tiga setengah-sumbu panjang orbit planet sebanding dengan kuadrat periode revolusi planet. F M a F p M a sentripetal grav p sentripetal Berlaku pula untuk sistem lainnya; planet & satelit ataupun bintang ganda. 2 GM M M P v M r 2 p r 2 GM r M 2 r 2 r r r 3 GM 2 2 GMM 2 4 M 3 r T 2 T T 2 4 2 Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 27
Simulasi Hukum Kepler Judhistira Aria Utama TA 2009-2010 28
Sistem Keplanetan Luar Tata Surya Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 29
Penemuan: 51 Pegasi b Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 30
Simulasi Kecepatan Radial-1 Judhistira Aria Utama TA 2009-2010 31
Simulasi Kecepatan Radial-2 Judhistira Aria Utama TA 2009-2010 32
Sistem dengan Lebih dari 1 Planet Hingga saat ini, sudah lebih dari 850 buah planet ditemukan mengorbit bintang selain Matahari. Adakah planet yang mendukung kehidupan seperti Bumi? Judhistira Aria Utama TA 2011-2012 33