Gelombang Elektromagnetik

Sumber informasi utama dalam mempelajari alam semesta adalah gelombang elektromagnetik. Gelombang ini terdiri dari berbagai jenis gelombang yang biasanya dikelompokkan dalam 7 kelompok, yaitu gelombang radio,gelombang mikro, gelombang inframerah, gelombang cahaya tampak, gelombang ultraviolet, gelombang sinar X dan gelombang sinar gamma. Tabel di bawah ini memberi rincian dari berbagai gelombang tersebut

Jenis Gelombang	Pembagian	Frekuensi	Panjang Gelombang	Energi
Sinar Gamma		> 30 Ehz	< 10 pm	> 124 keV
Sinar X	Hard X-Ray	3 EHz – 30 Ehz	100 – 10 pm	12,4-124 keV
	Soft X-Ray	30 PHz – 3 Ehz	10 nm – 100 pm	124 eV – 12,4 keV
Ultra Violet	Extreme UV	3 PHz – 30 PHz	100 nm – 10 nm	12,4 – 124 eV
	Near UV	789 THz – 3 PHz	380 nm – 100 nm	3 – 12,4 eV
Cahaya Tampak	Violet	668-789 THz	450-380 nm	1,24 – 3 eV
	Biru	631-668 THz	475-450 nm
	Cyan	606-631 THz	495-476 nm
	Hijau	526-606 Tz	570-495 nm
	Kuning	508-526 THz	590-570 nm
	Jingga/Oranye	484-508 THz	620-590 nm
	Merah	400-484 THz	750-620 nm
Inframerah	Near Infrared	30 THz – 400 THz	5 μm – 700 nm	124 meV – 1,24 eV
	Mid Infrared	3 THz – 30 THz	(25-40) – 5 μm	12,4 – 124 meV
	Far Infrared	300 GHz – 3 THz	(200-350)–(25-40) μm	1,24 – 12,4 meV
Gelombang Mikro	Extremely High Frekuency (EHF)	30 GHz – 300 GHz	1 cm – 1 mm	124 μeV – 1,24 meV
	Super High Frequency (SHF)	3 GHz – 30 GHz	10 cm – 1 cm	12,4 – 124 μeV
	Ultra High Frequency (UHF)	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm	1,24 – 12,4 μeV
Gelombang Radio	Very High Frequency (VHF)	30 MHz–300 MHz	10 m – 1 m	124 neV – 1,24 μeV
	High Frequency (HF)	3 MHz – 30 MHz	100 m – 10 m	12,4 neV – 124 neV
	Medium Frequency (MF)	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m	1,24 neV – 12,4 neV
	Low Frequency (LF)	30 kHz – 300 kHz	10 km – 1 km	124 peV – 1,24 neV
	Very Low Frquency (VLF)	3 kHz – 30 kHz	100 km – 10 km	12,4 – 124 peV

Pada beberapa referensi, nilai-nilai pada tabel di atas ada perbedaan meskipun kecil. Dalam astronomi gelombang mikro kadang-kadang dimasukkan ke dalam kelompok gelombang radio. Khusus untuk gelombang cahaya tampak biasanya dinyatakan dalam satuan Amstrong (1 Å = 10^-10 m), atau besarnya diantara 4500 Å – 7500 Å. Hubungan frekuensi dengan panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik adalah sbb. :  c = λ.f, dengan c adalah kecepatan cahaya (c = 2,9979  x 10⁸ m/s), λ adalah panjang gelombang dan f adalah frekuensi gelombang.

Dari berbagai jenis gelombang elektromagnetik ini, ternyata seluruhnya dipancarkan oleh sebuah bintang dan seluruh benda-benda di alam semesta, bahkan alam semesta sendiri memberikan pancaran gelombang elektromagnetik yang disebut Radiasi Latar Belakang meskipun dengan intensitas yang berbeda-beda untuk setiap panjang gelombangnya. 

Sebagai contoh misalnya Bintang Betelgeuse, salah satu bintang yang terang di rasi Orion, adalah sebuah bintang yang memiliki temperatur efektif sekitar 3500 K, dan bintang dengan suhu tersebut memancarkan seluruh gelombang elektromagnetik tetapi intensitas maksimum yang dipancarkan berada pada panjang gelombang infra merah yang dekat ke warna merah, sehingga dengan mata telanjangpun kita dapat melihat bintang ini berwarna kemerahan. 

Hal ini berbeda dengan bintang Rigel yang sama-sama merupakan bintang yang terang di rasi Orion, memiliki temperatur efektif sekitar 11.000 K, tentu saja memancarkan seluruh gelombang elektromagnetik juga, tetapi intensitas maksimum yang dipancarkan berada pada panjang gelombang ultra violet yang dekat ke warna biru sehingga dengan mata telanjangpun kita bisa melihat bintang ini berwarna kebiruan.

Rasi Orion, dengan dua bintang terterangnya, Betelgeuse yang kemerahan dan ditunjukkan oleh panah di atas dengan Rigel yang kebiruan ditunjukkan oleh panah di bawah 

Selain bintang, materi antar bintang yang berupa gas atau debu yang dingin juga memancarkan gelombang elektromagnetik terutama dalam daerah panjang gelombang radio. Inti galaksi yang sangat aktif dapat memancarkan gelombang sinar X atau sinar Gamma, bintang ganda yang salah satu pasangannya adalah black hole dapat memancarkan  sinar X, Bintang-bintang muda yang terbentuk di dalam materi antar bintang yang pekat sehingga tidak bisa dilihat teleskop optik mampu terlihat oleh teleskop yang menangkap radiasi inframerah. Jadi betapa banyaknya informasi yang kita terima jika kita mampu menangkap dan menganalisis seluruh panjang gelombang yang ada.

Gelombang elektromagnetik dari seluruh alam semesta

Galaksi Bima Sakti yang difoto dalam berbagai macam panjang gelombang, memberikan informasi yang semakin lengkap tentang galaksi kita ini

Betapa besar kekayaan alam semesta yang bisa digali melalui analisis gelombang elektromagnetik. Meskipun ada  hambatan yang cukup besar, yaitu ternyata atmosfer Bumi tidak mengijinkan banyak gelombang elektromagnetik melewatinya hingga sampai ke teleskop atau mata pengamat yang ada di Bumi. Atmosfer Bumi hanya mengijinkan gelombang cahaya tampak dan gelombang radio saja yang lewat (disebut jendela radio dan jendela optik). Meskipun biayanya miliaran dolar, manusia dengan segala keingintahuannya akan alam semesta meluncurkan berbagai macam satelit dan teleskop ke ruang angkasa agar dapat menangkap kekayaan alam semesta yang disampaikan melalui gelombang elektromagnetik yang tersebar di ruang angkasa.

Jendela optik pada atmosfer Bumi (Kredit: Wikipedia)

Kurir Lain Sebagai Pusat Informasi Alam Semesta

Seperti yang sudah dituliskan pada tulisan yang lalu, satu hal yang paling penting dalam astronomi adalah kemampuan untuk mengumpulkan, mencatat dan mengolah 'kurir' yang berasal dari langit (dan benda langit) yang mencapai Bumi, yaitu gelombang elektromagnetik. Apakah informasi yang diterima oleh para astronom hanya berasal dari gelombang elektromagnetik saja? Ternyata tidak! Ada 'kurir' lain yang bisa diotak-atik oleh para astronom selain gelombang elektromagnetik. Apakah itu? Diantaranya adalah :

1. Sinar Kosmik
2. Partikel Neutrino
3. Gelombang Gravitasi

Sinar Kosmik

Yang disebut sinar kosmik sebenarnya bukanlah sinar, tetapi pancaran partikel bermuatan yang berenergi tinggi (dan juga berenergi rendah) yang datang dari seluruh penjuru alam semesta, dapat berupa proton, elektron, proton atau inti berat seperti besi. Berasal dari proses-proses energi tinggi seperti inti galaksi atau supernova. Sekitar 89% yang mencapai Bumi adalah proton, 10% partikel alfa (inti helium) dan 1% elektron atau inti berat lainnya, juga diamati ada yang berupa anti materi (anti proton dan juga anti elektron/positron). Pengamatan terhadap sinar kosmik dapat memberikan informasi mengenai proses-proses yang menghasilkan energi tinggi yang ada di alam semesta.

Bulan seperti yang terlihat oleh Compton Gamma Ray Observatory dalam energi sinar gamma yang lebih besar dari 20 MeV. Ini dihasilkan karena permukaan bulan dibombardir oleh sinar kosmik (Kredit : Wikipedia)

Sinar kosmik ini dapat merusak makhluk hidup karena langsung merusak struktur di dalam sel, terutama menyebabkan kerusakan membran sel dan juga DNA.

Ilustrasi kerusakan DNA oleh sinar kosmik

Gambar diatas adalah Biji Alfalfa (Medicago Sativa) yang diperbesar ribuan kali. Gambar A adalah biji yang ada di Bumi dan gambar B adalah biji yang telah dibawa ke luar angkasa yang sudah terkena sinar kosmik. Ada lubang (tanda panah) pada sel Alfalfa yang dihasilkan oleh hantaman sinar kosmik pada biji tersebut

Beruntung Bumi dilindungi oleh atmosfir dan medan magnetik Bumi, jika tidak maka kehidupan di Bumi ini bisa musnah hanya oleh sinar kosmik. Partikel sinar kosmik ketika memasuki atmosfir dapat berinteraksi dengan gas-gas seperti oksigen dan nitrogen dan juga terbawa oleh medan magnetik Bumi ke arah kutub dan partikel-partikel ini akan bergerak secara spiral sehingga kehilangan banyak energinya.

LAPAN di Bandung pada tahun 2011 ini mengadakan satu proyek yang bekerjasama dengan International Space Station (ISS) yang mengorbit Bumi pada ketinggian 278-460 km. LAPAN mengirimkan sekitar 800 biji tomat kering yang berasal dari SITH-FMIPA ITB dan diluncurkan oleh roket H-2B dari Tanegeshima Space Center pada hari Sabtu, 22 Januari 2011 untuk disimpan di ISS sehingga terkena sinar kosmik dari luar angkasa selama 180 hari, dan biji-biji tersebut kini telah kembali ke Indonesia dan dibagikan kepada sekitar 50 sekolah sehingga pelajar dapat meneliti dampak lingkungan antariksa (sinar kosmik dan mikrogravitasi) terhadap pertumbuhan tanaman tomat tersebut terhadap tomat yang normal.

Partikel Neutrino

Neutrino adalah partikel yang sangat kecil, tidak bermuatan, hampir tidak memiliki massa, bergerak hampir secepat cahaya dan memiliki interaksi yang sangat rendah dengan partikel-partikel lain. Keberadaan partikel ini sudah diramalkan oleh Wolfgang Pauli di tahun 1930 tetapi baru terbukti eksistensinya tahun 1956 oleh Clyde Cowan, Frederick Reines, dkk. (dan mereka mendapat nobel tahun 1995 karenanya). Ada tiga macam neutrino, yaitu elektron neutrino, muon neutrino dan tau neutrino. 

Berdasarkan teori-teori yang ada, reaksi inti yang terjadi di Matahari menghasilkan neutrino elektron, dan karena neutrino hampir tidak berinteraksi dengan materi yang lain maka neutrino matahari yang mencapai Bumi adalah neutrino asli yang berasal dari pusat Matahari, tanpa terpengaruh setiap lapisan Matahari, atmosfir Bumi maupun medan magnet Bumi. Jika astronom sanggup mendeteksi neutrino ini, maka reaksi ini yang ada di pusat Matahari dapat diamati secara langsung. Bandingkan dengan sebuah foton hasil reaksi inti dipusat Matahari, untuk mencapai permukaan Matahari saja satu foton mungkin memerlukan waktu sampai jutaan tahun karena interaksi dan penyerapan dengan partikel lain, sehingga pengamatan neutrino (meskipun sangat sulit) diharapkan mampu menggambarkan reaksi sebenarnya yang terjadi di pusat Matahari.   

Reaksi Proton-proton yang terjadi di pusat bintang deret utama seperti Matahari yang menghasilkan neutrino
(Kredit: Wikipedia)

Selain di inti bintang, partikel ini juga berasal dari ledakan supernova dan juga menurut teori dihasilkan saat dua detik setelah big bang, sehingga pengamatan pada neutrino latar belakang dapat memberi informasi tentang big bang.  Salah satu implikasi besar dari keberadaan neutrino yang selalu dihasilkan di pusat bintang dan sejak awal Big Bang adalah alam semesta ini dipenuhi oleh banyak sekali neutrino sehingga nasib alam semesta (menurut teori Big Bang) juga harus memperhitungkan massa neutrino ini.

Gelombang Gravitasi

Gelombang ini merupakan salah satu efek dari teori relativitas umum Einstein yang diprediksikan sejak tahun 1916. Secara teoritis adalah pancaran energi secara dalam bentuk radiasi gravitasi, dimana sampai sekarang pendeteksiannya belum dapat dilakukan, tetapi jika bisa terdeteksi maka beberapa informasi bisa diperoleh, misalnya massa dan pergerakan sistem yang tidak bisa terdeteksi melalui gelombang elektromagnetik. 

Meskipun tidak terdeteksi secara langsung, secara tidak langsung efek ini sudah diamati, pertama kali oleh Russell Alan Hulse dan Joseph Hooton Taylor, Jr., dari Universitas Princeton di tahun 1974 yang mengamati pasangan bintang ganda yang berupa bintang neutron yang disebut PSR B1913+16. Pasangan bintang neutron ini memancarkan gravitasi yang sangat besar sehingga orbitnya makin lama semakin kehilangan energi yang dideteksi sebagai semakin mendekatnya kedua bintang neutron ini (mengalami orbital decay) dan hasil pengamatan ini sesuai dengan yang diprediksikan oleh Teori Relativitas Umum Einstein mengenai radiasi gravitasi. Karena hal ini, mereka mendapatkan nobel Fisika di tahun 1993.

Orbital decay pada PSR B1913+16 yang diamati sepanjang 30 tahun (Kredit : Wikipedia)

Secara langsung gelombang gravitasi belum bisa dideteksi tetapi jika bisa terdeteksi maka akan menambah kekayaan pengenalan manusia akan alam semesta ini. 

Tulisan tentang Astronomi

Ada satu kesulitan yang besar dalam ilmu astronomi, yaitu objek penelitian yang dipelajari oleh Astronom tidak terjangkau oleh sang peneliti. Objek-objek tersebut misalnya :

1. Objek-objek dalam tata surya (Matahari, planet, satelit, planet minor, planet kerdil, dll)

2. Objek-objek di luar Tata Surya (Bintang-bintang, black hole, pulsar, galaksi, dll)

Objek-objek langit yang bertaburan di angkasa

Pada beberapa dasawarsa belakangan ini dengan kemajuan teknologi, manusia kini dapat mencapai Bulan, Mars, Venus dan asteroid untuk meneliti langsung objek-objek tersebut dengan menggunakan robot yang dikirim kesana. Juga beberapa objek yang lebih jauh sudah bisa didekati secara langsung, misalnya Jupiter, Saturnus, Uranus dan Neptunus dengan menggunakan wahana ruang angkasa sehingga pengamatan bisa lebih akurat. Tetapi semua ini hanyalah sebagian yang sangat-sangat kecil dari keseluruhan alam semesta yang sangat-sangat besar.

Sojourner, salah satu robot yang meneliti permukaan planet Mars secara langsung

Meskipun bintang-bintang adalah objek-objek yang sangat-sangat jauh tetapi kita beruntung karena ada sesuatu dari bintang yang dapat mencapai Bumi, apakah itu? Jawabannya adalah gelombang elektromagnetik! Inilah kurir paling utama yang membawa 'pesan' mengenai objek langit yang tidak terjangkau itu.

Kurir yang satu ini sangat-sangat berharga sehingga para astronom yang meneliti alam semesta memperlakukannya dengan sangat-sangat spesial. Dengan berhati-hati, gelombang elektromagnetik ini dikumpulkan dengan berbagai cara, kemudian dipilah-pilah dengan berbagai cara, lalu diukur dengan sangat teliti dengan berbagai cara, kemudian diolah dengan berbagai cara dan dari pengolahan tersebut diambil kesimpulan-kesimpulan dengan hati-hati dan logis sehingga menghasilkan berbagai hal yang dapat menjelaskan obyek-obyek yang sangat-sangat jauh tersebut.

Satu hal lain yang membuat para astronom beruntung adalah gelombang elektromagnetik sebenarnya adalah gelombang yang memiliki rentang yang sangat-sangat besar, dari panjang gelombang yang lebih kecil dari sepertriliun meter sampai yang lebih besar dari seratus ribu meter (woow...) dan sebuah bintang (atau objek-objek langit lainnya) memancarkan seluruh rentang gelombang elektromagnetik tersebut, sehingga para Astronom dapat memperoleh informasi yang sangat lengkap jika menganalisis objek tersebut dalam seluruh panjang gelombang yang ada.

Gelombang elektromagnetik yang dipancarkan dari berbagai objek-objek di alam semesta

Maka hal yang paling penting dalam astronomi adalah bagaimana :

1. Mengumpulkan gelombang elektromagnetik, alatnya disebut KOLEKTOR
2. Menyimpan data hasil kolektor, alatnya disebut DETEKTOR
3. Mengolah data yang disimpan tersebut dengan berbagai cara, disebut MENGANALISIS
4. Mengambil kesimpulan dari hasil pengolahan data, disebut MENARIK KESIMPULAN
5. Mencocokkan kesimpulan dengan teori yang telah ada atau membangun teori yang baru dari kesimpulan yang diperoleh
6. Melaporkan hasil-hasil yang telah diperoleh

Setidaknya itulah pekerjaan para astronom. Ada yang mengerjakan semua hal tersebut di atas, ada yang hanya mengerjakan sebagian, misalnya hanya mengumpulkan dan menyimpan data lalu sisanya dikerjakan oleh orang lain, ada juga astronom teori yang membangun teori-teori dari data atau kesimpulan yang ada, ada yang membuat detektor atau kolektor yang semakin canggih dan akuran, dan lain-lain. Melalui pekerjaan yang sedemikian itulah kita dapat memahami alam semesta ini dengan semakin baik.

Pertanyaan yang sama seringkali diajukan kepada mahasiswa ataupun para lulusan jurusan Astronomi ITB (hanya satu-satunya di Indonesia), yaitu "Setelah lulus nanti mau jadi apa?". Ini adalah pertanyaan yang sering juga tidak bisa dijawab secara langsung oleh para mahasiswa maupun alumni jurusan astronomi. 

Jika saya ditanya demikian maka jawaban saya ada dua, yaitu : Pertama, setelah lulus saya bisa menjadi apa saja karena dalam jurusan Astronomi kami dilatih untuk menjadi tekun, berhati-hati, menganalisis dengan matematika dan fisika yang rumit-rumit, belajar menarik kesimpulan, belajar melaporkan hasil pengamatan. Hal-hal tersebut menjadi dasar untuk banyak pekerjaan lainnya di dunia ini sehingga kita siap untuk masuk ke berbagai bidang yang lain. 

Jawaban yang kedua berkaitan dengan astronomi, yaitu kita bisa memahami lebih banyak mengenai keberadaan alam semesta yang begitu misterius dan tidak terjangkau ini, banyak hal-hal yang menambah kekaguman kita akan Pencipta alam semesta ini, banyak hal-hal yang selalu baru dan tidak terduga tentang alam semesta ini dan masih banyak lagi hal-hal yang lebih dahsyatdan ajaib yang akan kita peroleh melalui mempelajari alam semesta ini. Jawaban kedua inilah salah satu alasan dasar bagi saya memilih jurusan yang langka ini dan saya terus menikmati alasan ini sampai sekarang.