7. EVOLUSI BINTANG 146 P a g e Seperti mahluk hidup lainnya, bintang juga mengalami proses lahir berkembang dan mati. Umur bintang bergantung pada massanya. Makin besar massa bintang makin singkat umurnya, dan sebaliknya. Umur dari suatu bintang berbanding dengan 1/M 2. 7.1 EVOLUSI BINTANG PRA DERET UTAMA Evolusi bintang dimulai dari adanya awan antar bintang yang mengalami pemampatan dan mengerut yang disebut sebagai kondensasi. Akibat kondensasi tekanan di dalam awan akan meningkat dan akan melawan pengerutan. Bila tekanan pada akhirnya melebihi gravitasi, awan akan tercerai berai kembali dan pengerutan tak akan berlangsung. Agar pengerutan gravitasi berlangsung massa awan itu harus cukup besar dan melebihi suatu harga kritis yang disebut massa Jeans atau Mj. M j = 1,23 x 10 10 1 3/2 ρ (T μ ) Mj dinyatakan dalam M, ρ = kerapatan massa dalam awan (dalam gram/cm 3 ), μ = berat molekul rata-rata, dan T = temperatur. Selanjutnya awan yang tadinya satu terpecah menjadi ratusan bahkan ribuan awan dan setiap awan akan mengalami pengerutan gravitasi. Pada akhirnya suhu menjadi cukup tinggi sehingga awan-awan itu akan memijar dan menjadi calon bintang yang disebut protobintang. Jadi bintang tidak terbentuk sendiri-sendiri tetapi berasal dari suatu kondensasi besar disuatu awan antar bintang yang kemudian terpecah dalam kondensasi yang lebih kecil, peristiwa ini disebut fragmentasi. Suatu protobintang yang telah mengakhiri proses fragmentasinya akan terus mengerut akibat gravitasinya. Pada awalnya temperatur dan luminositas bintang masih rendah. Hayashi menunjukan bahwa bintang dengan temperatur efektif terlalu rendah tidak mungkin berada dalam kesetimbangna hidrostatik. Dalam diagram HR daerah ini
disebut daerah terlarang Hayashi. Pada mulanya kerapatan materi protobintang seragam, tetapi kemudian materi makin rapat kearah pusat. Materi protobintang sebagian besar adalah hydrogen. Evolusi protobintang ditandai dengan keruntuhan cepat. Pada akhirnya protobintang menyeberang daerah terlarang Hayashi. Kita sebut protobintang itu dengan bintang praderet utama. Luminositas bintang sangat tinggi karena materi masih renggang sehingga energy bebas terpancar keluar. Karena bintang tetap mengerut selama luminositasnya meningkat, permukaannya menjadi lebih panas. Laju evolusi pada tahap ini jauh lebih lambat daripada sebelumnya. Pada akhirnya temperatur di pusat bintang cukup tinggi untuk berlangsungnya pembakaran Hidrogen. Pada saat itu tekanan di dalam bintang menjadi besar dan pengerutan pun berhenti. Bintang menjadi bintang deret utama berumur nol (zero age main sequence disingkat ZAMS). Komposisi kimia bintang pada saat itu masih homogen (sama dari pusat hingga kepermukaan) dan masih mencerminkan komposisi awan antar bintang yang membentuknya. Bila massa bintang terlalu kecil, suhu dipusat bintang tidak pernah cukup tinggi untuk berlangsungnya reaksi pembakaran hydrogen. Batas massa untuk ini bergantung pada komposisi kimia, umumnya sekitar 0,1 M. Bintang dengan massa lebih kecil dari batas massa ini akan mengerut dan luminositasnya menurun. Bintang akhirnya mendingin menjadi katai coklat tanpa mengalami reaksi inti yang berarti. Diagram evolusi bintang pra deret utama ini dapat dilihat pada gambar berikut 147 P a g e
Nebula M awan > M Jeans Kondensasi besar Kondensasi kecil fragmentasi Kondensasi lebih kecil protobintang Massa sangat kecil 0,1 M, Teff << Katai coklat T eff cukup Massa dan komposisi kimia homogen ZAMS Deret Utama Gambar 7.1. Diagram Evolusi Bintang Pra Deret Utama 148 P a g e
7.2. EVOLUSI BINTANG TAHAP LANJUT Akibat berlangsungnya reaksi di pusat bintang, secara perlahan terjadi perubahan komposisi kimia di pusat bintang, hydrogen di pusat berkurang sedang helium bertambah. Hal ini berakibat perubahan struktur bintang dengan perlahan. Bintang menjadi lebih terang, jejari bertambah besar dan temperature efektifnya berkurang. Reaksi pembakaran hydrogen menjadi helium dapat berlangsung dengan dua cara yaitu reaksi proton-proton dan reaksi daur karbon. Pada bintang bermassa besar reaksi daur karbon mempunyai pengaruh penting pada strukturnya. Karena laju reaksi daur karbon sangat peka terhadap temperatur, pembangkitan energi naik sangat cepat ke arah pusat. Akibatnya, reaksi sangat terkonsentrasi ke pusat. Karena laju reaksi yang cepat ini, Hidrogen di pusat bintang akan habis dalam waktu yang relatif singkat. Pada bintang bermassa kecil pembangkitan energinya terutama dari reaksi proton-proton. Dalam hal ini pembangkitan energi tidak terlalu terkonsentrasi ke pusat, sebaliknya konveksi akan terjadi di selubung (selubung konveksi). Akibat reaksi pembakarn hydrogen, jumlah helium di pusat bintang bertambah. Timbunan helium di pusat bintang disebut pusat helium. Terjadi pengerutan gravitasi secara perlahan pada pusat helium itu. Energi yang dibangkitkan akibat pengerutan itu kecil sekali sehingga gradien temperature disitu kecil. Dengan kata lain pusat helium ini bersifat isotherm. Bila massa pusat helium ini mencapai 10 hingga 20% massa bintang, gradien tekanan tidak dapat mengimbangi berat bagian luar bintang. Pusat helium tidak lagi mengerut dengan perlahan tetapi tuntuh dengan cepat. Massa kritis pusat helium agar hal ini terjadi disebut batas Schonberg Chandrasekhar. Saat itu struktur bintang berubah secara hebat. Bagian luar bintang akan memuai dengan cepat. Bintang berevolusi menjadi bintang raksasa merah. Pada bintang bermassa kecil, setelah berevolusi menjadi bintang raksasa merah terjadi peningkatan tekanan yang mendadak di pusat disebut kilatan helium (helium 149 P a g e
flash). Sebelumnya perubahan struktur bintang berlangsung dengan perlahan selama milyaran tahun. Tetapi setelah kilatan helium terjadi, bintang berubah strukturnya hanya dalam beberapa jam. Setelah helium di pusat bintang habis terbentuklah pusat karbon oksigen di dalam bintang. Suatu bintang yang bermassa kecil yang didalamnya berlangsung reaksi pembakaran hydrogen dan helium di sekitar pusat karbon oksigen dapat goyah kemampatannya. Bintang akan berdenyut dengan denyutan yang makin kuat sehingga terjadi pelontaran massa oleh bintang itu. Bintang akan membubuskan matei bagian luarnya hingga tersingkaplah pusatnya. Seolah-olah terlihat bintang panas yang dikelilingi oleh cincin gas yang mengembang yang biasa disebut planetary nebula. Pusat bintang ini akhirnya akan mengerut menjadi bintang katai putih. Bintang yang massanya terlampau kecil misalkan 0,5 M tidak akan mampu melangsungkan reaksi pembakaran helium. Evolusi awalnya sama namun kilatan helium tidak akan terjadi karena temperature pusatnya kurang tinggi. Setelah membakar hidrogennya bintang mengerut menjadi bintang katai coklat. Bintang bermassa sedang, setelah tertimbunnya karbon di pusat bintang akibat reaksi pembakaran helium, pusat karbon akan mengerut sehingga rapat massa dan suhu di pusat bintang makin tinggi. Reaksi pembakaran karbon akan sangat eksplosif hingga bintang akan meledak. Bintang akan hancur berantakan Pada bintang bermassa besar, yaitu lebih dari 10, reaksi pembakaran karbon akan berlangsung mantap (tidak eksposif), demikian pula reaksi-reaksi berikutnya. Dengan demikian di dalam bintang akan terbentuk beraneka inti berat. Hingga terbentuklah inti yang paling mantap yaitu inti besi di pusat bintang. Inti besi tidak akan bereaksi membentuk unsur yang lebih berat. Sebaliknya pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi inti besi akan terjadi reaksi endoterm atau menyerap panas. Akibatnya tekanan di pusat bintang mendadak turun hingga pusat bintang runtuh dengan dahsyat karena terhimpit oleh beban yang berat. Keruntuhan pusat bintang membawa lapisan luar yang masih kaya akan bahan bakar hidrogen ke tempat yang temperaturnya tinggi. Terjadilah reaksi inti hidrogen dengan laju yang tinggi. 150 P a g e
Akibatnya terjadi suatu ledakan nuklir yang maha dasyat. Pusat bintang akan runtuh menjadi benda yang sangat mampat sedangkan bagian luarnya terlontar dengan kecepatan puluhan ribu kilometer per detik. Pusat bintang yang runtuh itu menjadi sangat mampat. Elektron di pusat bintang akan terhimpit hingga makin dekat dengan inti. Akhirnya banyak elektron menembus inti. Elektron yang menembus inti itu menyatu dengan proton membentuk neutron. Dengan demikian terbentuklah gas yang kaya akan neutron. Akhirnya bintang akan akan mantap dengan jejari sekitar 10 km saja namun massanya menyerupai massa matahari yang jejarinya 700.000 km. Bintang ini kita sebut sebagai bintang neutron. Namun jika bintang sisa ledakan supernova tersebut cukup besar yaitu lebih dari 1,44 M, bintang akan semakin mampat dan medan gravitasi di permukaannya semakin kuat. Bintang akan mantap dengan jejari sekitar 3 km saja namun massanya menyerupai massa matahari yang jejarinya 700.000 km. Bintang ini kita sebut sebagai lubang hitam (black hole) 151 P a g e
Deret Utama 0,5 M Massa kecil Massa Sedang Massa > 10M 1-3 M Reaksi pp Reaksi Daur Karbon Reaksi Daur Karbon Reaksi pp Katai putih Raksasa merah Raksasa merah yang terang Maharaksasa merah Katai gelap Helium flash Carbon Flash terbentuk inti besi Planetari Nebula Bintang hancur Bintang runtuh Katai Putih Supernova Remant Supernova Massa akhirl < 1,44 M Massa akhirl > 1,44 M Gambar 7.2. Diagram Evolusi Bintang Tahap Lanjut Bintang Neutron Lubang Hitam LATIHAN 1. Unsur dominan yang dikandung bintang muda adalah... a. Hidrogen, lithium, helium b. Besi, Lithium, Helium c. Hidrogen, Silikat, Helium d. Hidrogen, Karbon, Helium e. Hidrogen, Argon, Helium 152 P a g e
2. Pilih mana yang BENAR a. Dalam deret utama, makin massif sebuah bintang makin rendah luminositas b. Dalam deret utama, makin massif sebuah bintang makin tinggi luminositasnya c. Densitas sebuah bintang deret utama lebih rendah daripada densitas bintang maharaksasa d. Densitas sebuah bintang deret utama bisa lebih rendah atau bisa lebih tinggi daripada densitas bintang maharaksasa bergantung kepada temperatur kedua bintang tersebut e. Densitas bintang katai putih sama dengan densitas bintang deret utama 3. Pilih mana yang SALAH a. Evolusi bintang didefinisikan sebagai perubahan yang terjadi dalam bintang sejalan dengan bertambahnya umur bintang b. Karena Matahari sekarang sudah berada pada tahap deret utama, kelahiran bintang baru sudah tidak terjadi lagi c. Bintang dengan massa lebih kecil daripada massa matahari memerlukan waktu lebih lama daripada matahari untuk lahir d. Bintang dengan massa lebih besar daripada massa matahari memerlukan waktu lebih singkat daripada matahari untuk lahir e. Reaksi fusi nuklir dimana hidrogen diubahh menjadi helium adalah sumber energy bintang untuk bersinar. 4. Pilih mana yang SALAH a. Tiga urutan untuk lahirnya sebuah bintang adalah kontraksi dalam awan gas dan debu, meningkatnya temperatur dan tekanan di bagian dalam, dan reaksi fusi nuklir b. Bintang dengan massa rendah akan mempunyai kala hidup lebih panjang c. Bintang dengan massa tinggi akan mempunyai kala hidup lebih pendek d. Bintang dengan massa rendah atau massa tinggi mempunyai kala hidup yang sama 153 P a g e
e. Jika bintang telah mengubah semua bahan bakar hidrogen dalam intinya menjadi helium maka bintang akan mulai berevolusi dari deret utama menjadi raksasa merah 5. Pilih mana yang SALAH a. Bintang katai putih (white dwarf) adalah bintang luminositas tinggi dengan temperatur permukaan tinggi b. Supernova adalah ledakan bintang maha kuat c. Hanya bintang sangat massif dapat mati sebagai supernova d. Dalam jagad raya elemen yang lebih ringan daripada besi lebih berlimpah daripada elemen yang lebih berat daripada besi e. Lubang hitam (black hole) adalah akhir hidup dari bintang yang sangat massif; begitu tinggi gaya tariknya sehingga cahaya pun tidak bisa lepas darinya 6. Apabila matahari kita suatu saat menjadi bintang raksasa merah, sedangkan luminositasnya tetap, besaran manakah yang akan menjadi lebih kecil dari keadaan sekarang a. Radiusnya b. Luminositasnya c. Persentase heliumnya d. Kerapatan di pusatnya e. Temperature permukaannya 7. Apabila prosentase Helium di Matahari menjadi lebih besar dari sekarang. Itu menunjukkan bahwa a. Radiusnya menjadi lebih kecil b. Luminositasnya semakin kecil c. Matahari sedang berubah menjadi raksasa merah d. Kerapatan di pusatnya mengecil e. Temperatur permukannya meningkat 8. Suatu planetary nebula adalah 154 P a g e
a. planet-planet yang mengelilingi bintang b. gas yang akan runtuh dan membentuk planet c. awan molekul raksasa yang sedang dalam tahap pembentukan bintang-bintang baru d. awan gas yang sangat mampat yang di dalamnya terdapat molekul organik e. gas yang dilontarkan oleh sebuah bintang yang akan menjadi katai putih (OSK 2011) 9. Katai coklat adalah a. Planet kecil berwarna coklat merah seperti Mars b. Bola gas hydrogen dan helium yang tidak mempunyai cukup massa untuk memulai reaksi nuklir di pusatnya c. Planet gas raksasa seperti Jupiter dan Saturnus d. Bintang yang besar massanya di antara massa katai putih dan lubang hitam e. Katai putih yang mengalami pendinginan dan menjadi coklat (OSK 2011) 10. Layaknya seperti manusia, bintang termasuk Matahari juga mengalami fase kehidupan, lahir dan akhirnya mati. Di antara pernyataan berikut ini, manakah yang dapat menggambarkan evolusi Matahari dari awal sampai akhir tersebut? a. Katai putih, raksasa merah, deret utama, protostar b. Raksasa merah, deret utama, katai putih, protostar c. Protostar, deret utama, raksasa merah, katai putih d. Protostar, raksasa merah, deret utama, katai putih e. Protostar, deret utama, katai putih, raksasa merah (OSP 2011) 11. Selama evolusinya, reaksi nuklir di pusat bintang-bintang seperti Matahari tidak dapat menghasilkan unsur besi. Hal ini disebabkan a. Semua unsur besi dilontarkan ketika bintang-bintang tersebut menjadi planetary nebula. b. Semua besi yang terbentuk dari reaksi nuklir diubah menjadi uranium. 155 P a g e
c. Unsur besi tersimpan di atmosfer akibat adanya medan magnet yang kuat dari bintang-bintang tersebut. d. Temperatur di pusat bintang tidak cukup tinggi untuk memicu terjadinya reaksi nuklir menjadi besi. e. Semua pernyataan di atas salah (OSP 2011) 12. Ketika Matahari berevolusi menjadi raksasa merah, pusatnya akan a. mengembang dan memanas b. mengembang dan mendingin c. mengerut dan memanas d. mengerut dan mendingin e. mengembang dengan temperatur tetap seperti sebelumnya (OSP 2011) 13. Sebuah bintang massanya 10 kali massa matahari,maka umur bintang tersebut. a. 100 kali lebih singkat dari umur matahari b. 100 kali lebih lama dari umur matahari c. 10 kali lebih singkat dari umur matahari d. 10 kali lebih lama dari umur matahari e. Data yang diketahui kurang 14. Bintang A massanya 20 kali massa bintang B. Jika bintang A hidup selama 8 milyar tahun, berapa lama masa hidup bintang B? a. 2000 milyar tahun b. 20000 milyar tahun c. 3200 milyar tahun d. 32 milyar tahun e. 0,032 milyar tahun 156 P a g e
15. Misalkan dua bintang memiliki terang dan kelas spectrum yang sama. Namun bintang A dua kali lebih jauh dari bintang B. Jika rapat massa bintang A 10 kali rapat massa bintang B. maka. a. Massa bintang A 20 kali massa bintang B b. Massa bintang A 40 kali massa bintang B c. Massa bintang A 80 kali masssa bintang B d. Massa bintang A 100 kali massa bintang B e. Massa bintang A 200 kali massa bintang B 16. Sebuah bintang memiliki rapat massa 25 kali lebih kecil dari rapat massa matahari. Jari-jarinya 5 kali jari-jari matahari. Jika umur matahari di deret utama adalah 8 x 10 9 tahun, berapa umur bintang tersebut di deret utama? a. 12 juta tahun b. 32 juta tahun c. 0,32 milyar tahun d. 22 milyar tahun 17. Bila massa bintang terlalu kecil, sehingga suhu dipusat bintang tidak pernah cukup tinggi untuk belangsungnya reaksi pembakaran hidrogen. Bintang ini akan mengerut dan luminositas menurun tanpa mengalami reaksi inti yang berarti. Bintang akhirnya mendingin menjadi. a. katai coklat b. katai putih c. katai gelap d. katai merah e. lubang hitam 18. Manakah dari peristiwa dibawah ini yang akan dialami oleh matahari? a. Supernova b. nova c. kilatan karbon 157 P a g e
d. kilatan helium e. bintang neutron 19. Sebagian besar massa hidup bintang berada pada tahap.. a. protobintang b. supernova c. raksasa merah d. deret utama e. kilatan helium 20. Jika Bumi digantikan oleh sebuah black hole dengan massa yang sama dengan massa Bumi, maka.. a. Bulan akan lepas dari orbitnya b. Bulan akan ditelan oleh black hole c. Bulan akan terbelah menjadi serpihan batuan kecil d. Tidak akan terjadi perubahan apapun pada bulan e. Semua jawaban diatas salah KUNCI JAWABAN 1. D 2. B 3. B 4. D 5. A 6. E 7. C 8. C 9. B 10. C 11. D 12. C 13. Mbin = 10 Mmatahari Umur bintang sebanding dengan 1 M 2 158 P a g e
14. C 15. C T bin = ( M 2 matahari ) = ( 1 T matahari M bin 100 ) (A) 100 kali lebih singkat dari umur matahari T A = ( M 2 B ) = ( 1 2 T B M A 20 ) = 1 400 T B = 400 x 8. 10 9 = 3200 milyar tahun Terang bintang sama, berarti EA = EB E = L 4πd 2 E A = L A ( d 2 B ) E B L B d A Karena EA = EB maka ( d 2 A ) = L A d B L B d A = 2d B, maka ( d A d B ) = R A R B R A R B = 2 ρa = 10 ρb ρ = m v ρ = m 4 3 πr 3 159 P a g e
ρ A = m A ( r 3 B ) ρ B m B r A 10 = m A ( r 3 B ) m B 2r B 80 = m A m B Massa bintang A 80 kali masssa bintang B 16. ρ bin = 1/25ρ matahari r bin = 5r matahari ρ bin = m bin ( r 3 matahari ) ρ matahari m matahari r bin 1 25 = m bin m matahari ( 1 5 ) 3 m bin m matahari = 5 T bin = ( m 2 matahari ) T matahari m bin T bin = ( m 2 matahari ) xt m matahari bin T bin = ( 1 5 ) 2 x 8. 10 9 = 0,32 milyar tahun (C) 0,32 milyar tahun 17. A 18. C 19. D 20. D 160 P a g e