Ilmu Fisika

Gagasan di balik kematian bintang masif ini relatif mudah: ia menjadi tua, kehabisan bahan bakar, ambruk di bawah gravitasi dan kemudian meledak sebagai supernova. Setelah supernova, yang tersisa dari bintang yang dulu megah itu adalah lubang hitam atau bintang neutron dan awan bergolak dari unsur-unsur berat yang baru terbentuk.

Tapi ada bintang di galaksi jauh yang menolak memudar dengan lembut ke malam setelah sebuah ledakan. Sebenarnya, ini meledak lagi dan lagi - sebuah teka-teki yang membingungkan para astronom.

Pada tahun 2014, Palomar Transient Factory (berlokasi di Palomar Observatory, dekat San Diego, California) mendeteksi supernova yang berjarak lebih dari 500 juta tahun cahaya. Dinamai "iPTF14hls," acara tersebut tampaknya merupakan supernova biasa, namun selama pengamatan lanjutan wilayah tersebut, para astronom menyadari bahwa hal itu hanyalah sesuatu. Bintang yang rupanya meledak itu tidak meredup, seperti biasanya diperkirakan setelah sebuah bintang masif ditiupkan ke tempat berkeping-keping. Sebaliknya, itu misterius mencerahkan setelah awalnya mulai redup.

Seolah-olah bintang itu bertingkah seperti "lilin trik" di kue ulang tahun anak-anak; Setelah ditiup keluar, percikan kembali hidup, terus menyala seolah tidak terjadi apa-apa.

Astronom menjelaskan penyelidikan mereka ke dalam keanehan bintang ini dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di jurnal Nature. Saat mengamati pengamatan historis bintang tersebut, mereka juga membuat penemuan mencolok lainnya: Bintang ini tidak bertahan dari satu supernova; Tampaknya juga selamat dari supernova yang terjadi lebih dari setengah abad sebelumnya, pada tahun 1954!

"Supernova ini memecahkan semua yang kami pikir kami tahu tentang bagaimana mereka bekerja," kata Iair Arcavi, seorang rekan postdoctoral NASA Einstein di Las Cumbres Observatory (LCO) dan University of California Santa Barbara. "Ini adalah teka-teki terbesar yang pernah saya temui dalam hampir satu dekade untuk mempelajari ledakan bintang."

Dengan menggunakan teleskop kembar Observatorium Keck di Maunakea, Hawaii, para periset dapat mengumpulkan data spektroskopi dari supernova dan pengamatan galaksi inangnya untuk lebih memahami apa yang mungkin mendorong keanehan ini. Studi tersebut menghitung bahwa bintang tersebut mungkin lebih dari 50 kali massa matahari kita - monster bintang sejati - dan supernova 2014 bisa menjadi salah satu peristiwa eksplosif paling kuat yang pernah tercatat. Kekuatan belaka dari ledakan ini, kata para periset, dapat mengungkapkan asal mula keengganan sang bintang untuk mati, dan ini bisa menjadi contoh pertama dari "Pulsational Pair Instability Supernova."

"Menurut teori ini, ada kemungkinan bahwa ini adalah hasil bintang yang begitu besar dan panas sehingga menghasilkan antimateri dalam intinya," kata Daniel Kasen, yang bekerja di University of California, Berkeley dan Lawrence Berkeley Lab, dalam sebuah pernyataan. . "Itu akan menyebabkan bintang itu menjadi tidak stabil, dan mengalami letusan terang berulang selama periode bertahun-tahun."

Namun, ledakan semacam itu berteori untuk bintang masif yang hidup di alam semesta awal, jadi ini serupa dengan menemukan seekor dinosaurus yang hidup hari ini, kata periset tersebut. Dan itu aneh.

"Jika Anda menemukan [dinosaurus], Anda akan mempertanyakan apakah itu benar-benar dinosaurus," kata Andy Howell, pemimpin kelompok supernova LCO dan rekan penulis studi tersebut.

Memang, hipotesis ketidakstabilan Pulsational Pair tidak sepenuhnya menjelaskan sifat iPTF14hls karena lebih banyak energi dilepaskan saat ledakan daripada yang dapat dijelaskan oleh teori. Jadi sekarang para peneliti berharap untuk mencari lebih banyak dari supernova yang berulang ini untuk melihat apakah antimateri benar-benar akar penyebabnya atau apakah ada hal lain yang berada di balik eksistensi bintang-bintang yang meledak ini.

Referensi : Arcavi, I. Hydrogen-rich core-collapse supernova. In Handbook of Supernovae (eds Alsabti, A. W. & Murdin, P.) (in the press, Springer, 2016)

First sight the eight physical systems :

• a simple pendulum, a mass $m$ swinging at the end of a light rigid rod of length $l$
  
• a flat disc supported by a rigid wire through its centre and oscillating through small angles in the plane of its circumference
  
• a mass fixed to a wall via a spring of stiffness $s$ sliding to and fro in the $x$ direction on a frictionless plane
• a mass $m$ at the centre of a light string of length $2l$ fixed at both ends under a constant tension $T$. The mass vibrates in the plane of the paper
  
• a frictionless U-tube of constant cross-sectional area containing a length $l$ of liquid, density $\rho$, oscillating about its equilibrium position of equal levels in each limb
  
• an open flask of volume $V$ and a neck of length $l$ and constant cross-sectional area $A$ in which the air of density $\rho$ vibrates as sound passes across the neck
  
• a hydrometer, a body of mass $m$ floating in a liquid of density $\rho$ with a neck of constant cross-sectional area cutting the liquid surface. When depressed slightly from its equilibrium position it performs small vertical oscillations
  
• an electrical circuit, an inductance $L$ connected across a capacitance $C$ carrying a charge $q$
  

All of these systems are simple harmonic oscillators which, when slightly disturbed from their equilibrium or rest postion, will oscillate with simple harmonic motion. This is the most fundamental vibration of a single particle or one-dimensional system. A small displacement $x$ from its equilibrium position sets up a restoring force which is proportional to $x$ acting in a direction towards the equilibrium position.



Thus, this restoring force $F$ may be written
\[F=-sx\]
where $s$, the constant of proportionality, is called the stiffness and the negative sign shows that the force is acting against the direction of increasing displacement and back towards the equilibrium position. A constant value of the stiffness restricts the displacement $x$ to small values (this is Hooke’s Law of Elasticity). The stiffness s is obviously the restoring force per unit distance (or displacement) and has the dimensions \[\frac{force}{distance}=\frac{MLT^{-2}}{L}\]
The equation of motion of such a disturbed system is given by the dynamic balance between the forces acting on the system, which by Newton’s Law is \[mass\,times\,acceleration=restoring\,force\]
or \[m\ddot{x}=-sx\]
where the acceleration \[\ddot{x}=\frac{d^{2}x}{dt^{2}}\]
This gives \[m\ddot{x}+sx=0\]

However, when we solve the equation of motion we shall find that the behaviour of $x$ with time has a sinusoidal or cosinusoidal dependence, and it will prove more appropriate to consider, not $\nu$, but the angular frequency $\omega$ = $2\pi\nu$ so that the period \[T=\frac{1}{\nu}=2\pi \sqrt{\frac{m}{s}}\]
where $s/m$ is now written as $\omega^{2}$. Thus the equation of simple harmonic motion  \[\ddot{x}+\frac{s}{m}x=0\]

becomes \[\ddot{x}+\omega ^{2}x=0\]

Sebelum Galileo mau pun Newton, gagasan mengenai gerak benda hanya tertuju pada Aristoteles, yang menyatakan bahwa keadaan alami suatu benda adalah diam. Benda hanya bergerak hanya jika didorong oleh impuls atau gaya. Dari gagasan Aristoteles ini dapat kita simpulkan bahwa benda berat akan jatuh lebih cepat dibanding benda ringan, karena benda berat tentunya memiliki gaya tarik lebih besar menuju Bumi.

Aristoteles juga menyatakan bahwa semua hukum yang mengatur alam semesta bisa dipelajari hanya dengan pemikiran saja, pembuktian dengan pengamatan tidak lah diperlukan. Sampai pada konsepsinya Galileo, orang tidak pernah memikirkan apakah benda-benda dengan berat berbeda-beda memang memiliki kecepatan yang berbeda ketika mereka jatuh.

Pengukuran Galileo menunjukkan setiap benda mengalami akselerasi (pertambahan kecepatan) yang sama berapa pun berat bendanya, dengan kemiringan berapa derajat pun untuk bola-bola dengan berat berbeda menunjukkan lama waktu yang sama untuk ketinggian yang sama. Lalu apa yang menyebabkan jatuhnya bulu lebih lama dari jatuhnya bola logam? Tidak lain karena jatuhnya bulu banyak diperlambat oleh hambatan udara. Di Bulan yang tidak ada udara penghambat jatuhnya benda, astronot $David$ $R.$ $Scott$ melakukan percobaan menjatuhkan bulu dan pemberat logam, dan mendapati bahwa keduanya jatuh sampai permukaan bulan dalam waktu yang bersamaan.

Oleh Newton, pengukuran Galileo digunakan sebagai dasar hukum gerak. Percobaan Gaileo yang menunjukkan bahwa saat benda menuruni lereng, benda selalu dipengaruhi oleh gaya yang sama, yaitu berat benda. Efeknya adalah timbulnya percepatan. Ini artinya efek sebenarnya dari suatu gaya adalah selalu mengubah kecepatan suatu benda, bukan membuat benda bergerak, sebagaimana perkiraan sebelumnya. Artinya bila suatu benda tidak terkena gaya, benda tersebut akan terus bergerak lurus dengan kecepatan awalnya, yang pada akhirnya muncullah hukum pertama Newton. Bahwa benda yang semula diam, akan selamanya diam dan untuk benda yang sedang bergerak dengan kecepatan tertentu, selamanya akan bergerak dengan kecepatan tertentunya tersebut. Gagasan ini tersurat dalam $Principia$ $Mathematica$ Newton. Sedangkan untuk benda yang dipengaruhi oleh gaya dijelaskan oleh hukum keduanya, yang menyatakan bahwa benda akan mengalami akselerasi atau perubahan kecepatan apabila benda dikenai gaya. Sebagai contoh bayangkan sebuah mobil, mobil yang bertenaga besar maka dapat melaju dengan perubahan kecepatan yang lebih besar dibanding mobil bertenaga lebih kecil, namun laju akan bertambah lebih kecil bila  mengangkut massa yang besar.

Selain hukum-hukum gerak, Newton juga menjabarkan hukum gaya gravitasi. Hukum ini menyatakan bahwa setiap benda menarik benda lain dengan gaya yang sebanding dengan massa setiap benda. Semakin jauh jarak antar benda, semakin kecil pula gaya gravitasi antar keduanya. Menurut hukum gravitasi Newton, tarikan gravitasi suatu bintang pada jarak tertentu memiliki nilai tepat seperempat tarikan gravitasi bintang berukuran serupa pada jarak setengah jarak semual. Hukum ini memprediksi orbit-orbit Bumi, Bulan, dan planet – planet dengan sangat akurat. Jika gaya gravitasi suatu bintang berkurang atau meningkat nilainya lebih cepat seiring perubahan jarak, maka disebutkan bahwa orbil planet tidak mungkin berupa elips, dan planet-planet bakal jatuh ke Matahari atau lepas dari Matahari.

Perbedaan besar antara gagasan Aristoteles dengan gagasan Galileo – Newton adalah bahwa Aristoteles meyakini keadaan diam adalah wajar. Benda apa pun akan diam jika tidak didorong oleh suatu impuls atau gaya. Dia menganggap Bumi itu diam. Berdasarkan hukum Newton, tidak ada standar keadaan diam yang unik. Sebagai contoh benda A diam dan benda B bergerak  dengan kecepatan konstan terhadap benda A, namun bisa berarti sebaliknya, benda B diam dan benda A bergerak dengan kecepatan tetap terhadap benda B. Ketiadaan acuan diam yang unik/mutlak berarti kita tidak bisa memastikan apakah dua peristiwa yang terjadi pada waktu berbeda terjadi pada posisi yang sama dalam ruang.

Newton khawatir dengan tidak adanya ruang mutlak ($absolute$ $space$), oleh karena tidak cocok dengan gagasannya mengenai Tuhan yang mutlak. Dia menolak menerima ketiadaan ruang multlak, meski hukumnya sendiri menyatakan demikian.

Aristoteles dan Newton sama-sama meyakini adanya waktu mutlak ($absolute$ $time$). Ini berarti mereka mmercayai bahwa kita dapat mengukur jangka waktu antara dua peristiwa dengan tepat. Jangka waktu itu bakal selalu sama tidak peduli siapa yang mengukurnya asalkan menggunakan arloji yang sama. Waktu itu mutlak, sepenuhnya terpisah dan tidak terhubung dengan ruang.

Referensi [10]

In law variety a pair of, the acceleration lasts solely whereas the applied force lasts. The applied force needn't, however, be constant in time — the law is true in the slightest degree times throughout the motion. Law variety three applies to “contact” interactions. If the bodies area unit separated, and also the interaction takes a finite time to propagate between the bodies, the law should be changed to incorporate the properties of the “field “ between the bodies.

Although our discussion of the geometry of motion has led to major advances in our understanding of measurements of space and time in different inertial systems, we have yet to come to the crux of the matter, namely — a discussion of the effects of forces on the motion of two or more interacting particles. This key branch of Physics is called Dynamics. It was founded by Galileo and Newton and perfected by their followers, most notably Lagrange and Hamilton. We shall see that the Newtonian concepts of mass, momentum and kinetic energy require fundamental revisions in the light of the Einstein’s Special Theory of Relativity. The revised concepts come about as a result of Einstein's recognition of the  crucial rôle of the Principle of Relativity in unifying the dynamics of all mechanical and optical phenomena. In spite of the conceptual difficulties inherent in the classical concepts, (difficulties that will be discussed later), the subject of Newtonian dynamics represents one of the great triumphs of Natural Philosophy. The successes of the classical theory range from accurate descriptions of the dynamics of everyday objects to a detailed understanding of the motions of galaxies.

The law of inertia

Galileo (1544-1642) was the first to develop a quantitative approach to the study of motion. He addressed the question — what property of motion is related to force? Is it the position of the moving object? Is it the velocity of the moving object? Is it the rate of change of its velocity? ...The answer to the question can be obtained only from observations; this is a basic feature of Physics that sets it apart from Philosophy proper.

Galileo observed that force influences the changes in velocity (accelerations) of an object and that, in the absence of external forces (e.g: friction), no force is needed to keep an object in motion that is travelling in a straight line with constant speed. This observationally based law is called the Law of Inertia. It is, perhaps, difficult for us to appreciate the impact of Galileo's new ideas concerning motion. The fact that an object resting on a horizontal surface remains at rest unless something we call force is applied to change its state of rest was, of course, well-known before Galileo's time. However, the fact that the object continues to move after the force ceases to be applied caused considerable conceptual difficulties for the early Philosophers (see Feynman The Character of Physical Law). The observation that, in practice, an object comes to rest due to frictional forces and air resistance was recognized by Galileo to be a side effect, and not germane to the fundamental question of motion. Aristotle, for example, believed that the true or natural state of motion is one of rest. It is instructive to consider Aristotle's conjecture from the viewpoint of the Principle of Relativity —- is a natural state of rest consistent with this general Principle? According to the general Principle of Relativity, the laws of motion have the same form in all frames of reference that move with constant speed in straight lines with respect to each other. An observer in a reference frame moving with constant speed in a straight line with respect to the reference frame in which the object is at rest would conclude that the natural state or motion of the object is one of constant speed in a straight line, and not one of rest. All inertial observers, in an infinite observations; this is a basic feature of Physics that sets it apart from Philosophy proper.

Galileo observed that force influences the changes in velocity (accelerations) of an object and that, in the absence of external forces (e.g: friction), no force is needed to keep an object in motion that is travelling in a straight line with constant speed. This observationally based law is called the Law of Inertia. It is, perhaps, difficult for us to appreciate the impact of Galileo's new ideas concerning motion. The fact that an object resting on a horizontal surface remains at rest unless something we call force is applied to change its state of rest was, of course, well-known before Galileo's time. However, the fact that the object continues to move after the force ceases to be applied caused considerable conceptual difficulties for the early Philosophers (see Feynman The Character of Physical Law). The observation that, in practice, an object comes to rest due to frictional forces and air resistance was recognized by Galileo to be a side effect, and not germane to the fundamental question of motion. Aristotle, for example, believed that the true or natural state of motion is one of rest. It is instructive to consider Aristotle's conjecture from the viewpoint of the Principle of Relativity —- is a natural state of rest consistent with this general Principle? According to the general Principle of Relativity, the laws of motion have the same form in all frames of reference that move with constant speed in straight lines with respect to each other. An observer in a reference frame moving with constant speed in a straight line with respect to the reference frame in which the object is at rest would conclude that the natural state or motion of the object is one of constant speed in a straight line, and not one of rest. All inertial observers, in an infinite number of frames of reference, would come to the same conclusion. We see, therefore, that Aristotle's conjecture is not consistent with this fundamental Principle.

Newton’s laws of motion

During his early twenties, Newton postulated three Laws of Motion that form the basis of Classical Dynamics. He used them to solve a wide variety of problems including the dynamics of the planets. The Laws of Motion, first published in the Principia in 1687, play a fundamental rôle in Newton’s Theory of Gravitation; they are:

In law number 2, the acceleration lasts only while the applied force lasts. The applied force need not, however, be constant in time — the law is true at all times during the motion. Law number 3 applies to “contact” interactions. If the bodies are separated, and the interaction takes a finite time to propagate between the bodies, the law must be modified to include the properties of the “field “ between the bodies.

Reference: 

FRANK  W. K. FIRK

Professor Emeritus of Physics

Yale University

Akan tiba masanya ketika penelitian yang telah ditekuni dalam jangka waktu panjang akan mengungkap hal-hal yang kini masih tersembunyi. Sepanjang hayat, meskipun seluruhnya dicurahkan untuk mengamati langit, tidak akan cukup untuk menyelidiki persoalan yang sedemikian luas. Pengetahuan ini baru akan terkuak setelah berabad-abad. Akan tiba masanya ketika keturunan kita terheran-heran mengapa kita tidak mengetahui hal-hal yang bagi mereka tampak jelas. Banyak penemuan yang masih mengunggu berabad-abad untuk muncul, ketika ingatan tentang kita terhapus. Alam semesta kita sungguh remeh apabila tidak memiliki sesuatu untuk diselidiki pada setiap zaman. – Seneca, Naturales Quaestiones.

Kosmos adalah segala yang ada atau pernah ada atau akan ada. Ukuran dan umur Kosmos melampaui pemahaman manusia biasa. Tenggelam di antara keluasan dan keabadian, di situ lah planet kecil tempat tinggal kita. Dalam perspektif kosmik, sebagian besar urusan manusia terlihat tidak penting, bahkan remeh. Penjelajahan pikiran akan Kosmos membutuhkan daya khayal dan skeptisme. Daya khayal seringkali membawa manusia ke dunia yang tidak pernah ada, namun tanpa daya khayal, kita tidak akan pergi ke mana-mana. Skeptisme membuat membuat manusia bisa membedakan khayalan dari kenyataan untuk menguji spekulasi kita. Kosmos kaya bukan kepalang –dalam hal fakta-fakta elegan, hubungan-hubungan yang sangat menarik dan mekanisme yang rumit.

Permuakaan Bumi adalah tepi dari lautan kosmik. Dari situ manusia telah belajar sebagian besar dari apa yang kini manusia ketahui. Belakangan ini, manusia telah sedikit memasuki lautan itu, sekadar mencelupkan jemari atau menbasahi mata kaki. Airnya tampak mengundang. Lautan memanggil. Sebagian dari kita menyadari bahwa itulah tempat asal kita. Kita mendambakan untuk kembali pulang. Aspirasi ini tidaklah tak sopan, meski mungkin mengusik Tuhan mana pun.

Dimensi Kosmos sangatlah besar sehingga penggunaan satuan jarak yang lazim dipakai dalam kehidupan sehari-hari di Bumi, misalnya kilometer menjadi tidak praktis. Kita butuh satuan jarak dalam kecepatan cahaya. Dalam waktu satu detik, seberkas cahaya menempuh jarak hampir 300.000 kilometer, atau tujuh kali keliling Bumi. Dalam waktu delapan menit, cahaya menjalar dari Matahari ke Bumi. Dengan kata lain, jarak Matahari adalah delapan menit cahaya. Dalam setahun, cahaya melintasi jarak hampir sepuluh triliun kilometer. Satuan panajng tersebut, jarak yang ditempuh cahaya dalam waktu satu tahun, disebut satu tahun cahaya. Yang diukur bukan waktu, melainkan jarak, –jarak yang sangat jauh.

Bumi adalah suatu tempat, namun tidak berarti Bumi adalh satu-satunya tempat. Bahkan Bumi bukanlah tempat yang khas. Tidak ada planet atau bintang atau galaksi yang khas karena sebagian besar Kosmos merupakan ruang kosong. Satu-satunya tempat yang khas di ruang hampa di semesta yang luas dan dingin ini adalah malam abadi di ruang antargalaksi, tempat yang begitu asing dan sepi hingga planet-planet, bintang-bintang dan galaksi-galaksi tampak begitu langka dan indah. Seandainya secara acak dimasukkan ke dalam Kosmos, peluang kita berada di atas atau di dekat satu planet adalah di bawah satu per satu miliar triliun triliun ($10^{33}$), angka satu diikuti 33 angka nol). Dalam kehidupan sehari-hari, peluang sekecil itu membangkitkan ketakjuban. Dunia begitu berharga.

Dari posisi yang tepat di ruang antargalaksi, kita akan melihat gelungan-gelungan cahaya redup yang tak terhitung banyaknya, tersebar seperti buih-buih air laut di gelombang angkasa. Gelungan-gelungan cahaya itu adalah galaksi. Beberapa galaksi merupakan pengelana tunggal; sebagian besar galaksi menghuni gugus komunal (berkelompok), berkumpul bersama-sama, di kegelapan kosmik yang luas. Di hadapan kita adalah Kosmos dalam skala terbesar yang kita kenal. Kita berada di dunia nebula, delapan miliar tahun cahaya dari Bumi, setengah jalan menuju tepi alam semesta yang kita ketahui.

Galaksi terdiri atas gas dan debu serta bermiliar-miliar bintang. Setiap bintang bisa menjadi matahari bagi seseorang. Di dalam galaksi terdapat bintang-bintang dan planet-planet, dan barangkali ada banyak makhluk hidup, makhluk cerdas, dan peradaban yang menjelajahi antariksa. Kira-kira terdapat ratusan miliar ($10^{11}$) galaksi, masing-masinggalaksi rata-rata mengandung seratus miliar bintang. Di semua galaksi, jumlah planet barangkali sebanyak jumlah bintang, yaitu $10^{11}$ bintang/galaksi x $10^{11}$ galaksi, atau $10^{22}$, sepuluh miliar triliun buah bintang. Mengingat jumlah yang begitu besar tersebut, berapa kemungkinan satu bintang biasa, yaitu Matahari memiliki planet yang dihuni makhluk hidup? Mengapa kita, yang tersembunyi pada sudut Kosmos bisa begitu beruntung? Tampaknya mungkin alam semesta ini penuh dengan kehidupan, namun kita belum mengetahuinya? Jarak delapan miliar tahun cahaya, kita bakal kesulitan menemukan gugus tempat Galaksi Bimasakti tempat kita berada, apalagi menemukan Matahari dan Bumi yang serupa dengan tempat kita berada di tempat lain. Satu-satunya planet yang diyakini dihuni adalah setitik palent dari batuan dan logam, berswinar redup berkat pantulan cahaya Matahari, dan jarak sejauh itu tidaklah tampak sama sekali.

Terdapat istilah Grup Lokal galaksi, dengan diameter beberapa juta tahun cahaya, Grup Lokal beranggotakan sekitar dua puluh galaksi.

Bersambung