BAB I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Masalah Pada salah satu cabang ilmu fisika yaitu kosmologi merupakan hal yang menarik untuk dikaji. Kosmologi merupakan ilmu yang mengulas alam semesta beserta dinamikanya. Salah satu bahasan kosmologi ialah dinamika galaksi. Dinamika galaksi menjadi salah satu tema yang banyak diteliti karena terkait dengan masa lalu alam semesta serta prediksi mengenai keadaan alam semesta pada masa yang akan mendatang. Galaksi merupakan kumpulan bintang-bintang dan materi antarbintang yang beredar sesuai dengan orbitnya yang diikat oleh gravitasi. Untuk itu diperlukan pengamatan berbagai fenomena seperti spektrum elektromagnetik (dibantu dengan berbagai piranti semisal teleskop dengan kemampuan tertentu dan spektrograf) yang darinya dapat diketahui radius, luminositas, dan massa galaksi. Alam semesta terdiri dari banyak galaksi. Kumpulan galaksi yang terdistribusi dalam wilayah tertentu dinamakan gugus (kluster) . Galaksi Bimasakti merupakan anggota sebuah kelompok lokal yang tersusun atas 35 galaksi (Choudhuri,2010). Dalam kajian dinamika galaksi tentunya tidak lepas dari evolusi (dinamika) alam semesta yang dimulai semenjak peristiwa big bang atau dentuman besar. Evolusi alam semesta ini juga memengaruhi dinamika galaksi. Secara garis besar, sifat-sifat fisis alam semesta yang sering dikaji adalah kerapatan dan temperatur. Alam semesta pada awal terbentuknya bersifat sangat kedap dan memiliki temperatur sangat tinggi (Hawley, 2005). Karena komponenkomponen alam semesta yang panas inilah maka komponen tersebut mampu memancarkan radiasi sehingga alam semesta ketika itu dikuasai oleh radiasi (radiation-dominated). Seiring berjalannya waktu, alam semesta mengalami perluasan. Bersamaan dengan perluasan alam semesta, kerapatan dan temperaturnya berkurang. Karena kerapatannya berkurang maka kekedapan alam semesta juga berkurang dan bahkan tidak kedap lagi dan pada suatu waktu terjadi keseimbangan antara radiasi dan 8
materi. Perluasan alam semesta terus berlanjut dan akhirnya terjadi dominasi materi (matter-dominated) hingga saat ini. Ketika era dominasi materi, temperatur alam semesta menurun sehingga energi kinetik menurun dalam hal ini elektron bebas tidak dapat lagi mengatasi gaya elektrostatik inti-inti hidrogen dan akhirnya tertangkap sehingga membentuk atom hidrogen. Peristiwa ini dinamakan rekombinasi hidrogen (Hawley,2005). Silk (1968) menunjukkan bahwa saat akhir periode rekombinasi yakni kala radiasi terpisah dari materi, osilasi berskala kecil teredam oleh difusi foton. Peristiwa ini dinamakan redaman Silk. Untuk keadaan isotermal, variasi untuk perbandingan antara baryon dengan foton bersifat stabil sebelum periode rekombinasi disebabkan kuatnya ikatan antara radiasi dengan materi. Tekanannya juga bersifat menyeluruh sehingga tidak terjadi osilasi akustik dan tidak ada usikan yang dipengaruhi oleh redaman Silk. Pembahasan tentang galaksi tentu tidak lepas dari hal yang terkait dengan formasi (pembentukan) galaksi. Dalam peninjauan tentang formasi galaksi dapat digunakan pendekatan fluida. Komponen fluida untuk formasi galaksi terdiri dari plasma elektron-proton yang terkait dengan bagian materi dan gas foton yang terkait dengan bagian radiasi. Gessner dan Debhen (2000) telah mengkaji fluktuasi kerapatan pada dua model fluida yang terdiri atas plasma hidrogen dan radiasi dengan metode relasi dispersi. Ditemukan bahwa fluktuasi kerapatan terjadi pada mode akustik yang tidak stabil pada rentang massa
dan
untuk modus
yang tidak berosilasi. Sedangkan untuk modus yang berosilasi, ketidakstabilan fluktuasi kerapatannya terjadi pada massa sekitar
dan
.
Interaksi antara plasma dengan radiasi pada formasi galaksi serta pengaruhnya pada fluktuasi kerapatan merupakan hal yang menarik untuk dikaji lebih jauh mengingat penelitian tentang hal tersebut belum selesai. Dalam tugas akhir ini, dinamika alam semesta akan dibahas lebih lanjut, dimulai dari era dominasi radiasi hingga dominasi materi serta interaksi dua komponen fluida untuk formasi galaksi yang terdiri dari plasma dan radiasi.
1.2 Rumusan Masalah
9
Adapun rumusan masalah yang akan diselesaikan dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana dinamika alam semesta sejak keadaan dominasi radiasi (radiation-dominated) hingga dominasi materi (matter-dominated) dan kaitannya dengan dinamika galaksi? 2. Bagaimana pengaruh interaksi antara plasma dengan radiasi yang merupakan komponen fluida dalam formasi (pembentukan) galaksi bagi ketidakstabilan fluktuasi kerapatan?
1.3 Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian adalah sebagai berikut : 1. Memahami dinamika alam semesta sejak keadaan dominasi radiasi (radiation-dominated) hingga dominasi materi (matter-dominated) dan kaitannya dengan dinamika galaksi. 2. Memahami pengaruh interaksi antara plasma dengan radiasi yang merupakan
komponen
fluida
dalam
pembentukan
galaksi
bagi
ketidakstabilan fluktuasi kerapatan.
1.4 Batasan Masalah Masalah yang dibicarakan dalam tugas akhir ini dibatasi sebagai berikut : 1. Dalam kajian dinamika alam semesta digunakan dimodelkan dengan dinamika fluida. Fluida dalam hal ini diasumsikan sebagai fluida ideal setimbang secara termodinamik. 2. Alam semesta yang dikaji bersifat homogen dan isotropik. 3. Kajian interaksi antara plasma dengan radiasi terjadi sebelum era rekombinasi hidrogen.
1.5 Manfaat Penelitian Manfaat yang diperoleh dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
10
1. Apabila diketahui pengaruh interaksi antara plasma dengan radiasi bagi ketidakstabilan fluktuasi kerapatan maka spektrum massa struktur kosmologis dapat diketahui lebih detail. 2. Apabila dinamika alam semesta dapat diketahui sejak dominasi radiasi hingga dominasi materi maka keadaan alam semesta di masa depan dapat diprediksi. 1.6 Tinjauan Pustaka Pada awal terbentuknya, alam semesta bersifat rapat dan panas. Sementara bahan-bahan yang bertemperatur tinggi akan memancarkan radiasi (radiasi termal) sehingga alam semesta ketika itu terisi oleh materi dan radiasi dalam keadaan setimbang termodinamik yang disebut radiasi benda hitam. Karena alam semesta mengembang dan kerapatannya turun, pada tahap tertentu alam semesta menjadi transparan (tidak kedap) terhadap radiasi. Salah satu hasil terpenting
dari
termodinamika pada radiasi benda hitam ialah kondisi radiasi benda hitam tetap terjaga ketika dalam keadaan ekspansi adiabatik walaupun temperaturnya terus menurun seiring terjadinya ekspansi. Kerapatan energi radiasi benda hitam yang bertemepartur T ialah
dengan
merupakan ketetapan Stefan. Penzias dan
Wilson pada tahun1965 secara tidak sengaja menemukan bahwa radiasi benda hitam alam semesta mempunyai temperatur 3 K. Karena radiasi benda hitam dengan temperatur 3 K terletak pada rentang gelombang mikro maka hal ini dinamakan radiasi gelombang mikro kosmik (cosmic microwave background radiation). Awal kehidupan alam semesta berupa era dominasi radiasi. Pada era tersebut, tekanan pada awal alam semesta tidak berasal dari gas namun dari radiasi yang berasal dari kerapatan energi foton. Evolusi awal alam semesta dikendalikan oleh foton. Panjang gelombang tiap foton ialah pada pergeseran merah dengan . Kerapatan energi foton dipengaruhi oleh pergeseran merah. Berkurangnya kerapatan energi foton sebanding dengan faktor skala berpangkat empat. Kerapatan dan temperatur berkurang seiring dengan ekspansi alam semesta sehingga kekedapan pada dominasi radiasi berkurang dan mulai muncul dominasi materi (matter-dominated). Pada waktu tertentu terjadi keseimbangan 11
antara dominasi radiasi dan dominasi materi. Pada era dominasi materi, timbul usikan yang berasal dari fluktuasi kerapatan serta bilangan gelombang lebih kecil daripada bilangan gelombang yang berasal dari ketidakstabilan Jeans (Choudhori, 2010). Pada era inilah mulailah terbentuk struktur galaksi. Silk (1968) menunjukkan bahwa saat akhir periode rekombinasi yakni kala radiasi terpisah dari materi, osilasi berskala kecil teredam oleh difusi foton. Peristiwa ini dinamakan redaman Silk. Untuk keadaan isotermal, variasi untuk perbandingan antara baryon dengan foton bersifat stabil sebelum periode rekombinasi disebabkan kuatnya ikatan antara radiasi dengan materi. Tekanannya juga bersifat menyeluruh sehingga tidak terjadi osilasi akustik dan tidak ada usikan yang dipengaruhi oleh redaman Silk. Zel’dovich, Kurt, dan Syunyaev (1967) mengkaji pancaran kuanta energi selama periode rekombinasi dan menemukan bahwa pancaran kuanta energi yang terjadi ketika era rekombinasi hidrogen pada perluasan alam semesta akan memperlambat rekombinasi dan mendistorsikan spektrum radiasi dalam daerah Wien. Gessner dan Debhen pada tahun 2000 meninjau tentang fluktuasi kerapatan pada dua model fluida yang terdiri dari hidrogen plasma dan radiasi yang terjadi sebelum rekombinasi hidrogen. Pada makalah tersebut digunakan metode relasi dispersi. Ketidakstabilan fluktuasi kerapatan terdapat pada modus akustik dan modus osilasi yang meningkat. Andrade dan Lima (2000) menyimpulkan bahwa fluktuasi kerapatan torka spin yang sangat kecil dapat menghasilkan pembagian energi kerapatan fluktuasi pada alam semesta.
1.7 Metodologi Penelitian Metodologi penelitian yang digunakan ialah dengan studi literatur. Studi literatur yang dilakukan terdiri atas pengkajian melalui buku, artikel, dan data yang berkaitan dengan tema yang dibahas dalam tugas akhir ini serta pencarian melalui situs internet untuk mendapat informasi terbaru mengenai dinamika dan
12
formasi galaksi. Perhitungan serta penguraian persamaan-persamaan juga dilakukan pada pembahasan tema dalam tugas akhir ini.
1.8 Sistematika Penulisan Bab I yang berupa pendahuluan. Pada bab ini terdiri dari latar belakang masalah, rumusan masalah yang berupa masalah-masalah yang akan diselesaikan, batasan masalah berisi batasan-batasan yang digunakan dalam menyelesaikan rumusan masalah, tujuan penelitian yang berupa targetan dari rumusan masalah, manfaat penelitian, tinjauan pustaka yang berisi hasil kajian mengenai formasi galaksi, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan. Bab II berisi tentang dasar teori. Pada bab ini dijelaskan terkait persamaanpersamaan yang utama dalam dinamika fluida seperti persamaan kontinuitas dan persamaan Euler. Serta dijelaskan mengenai sifat fisis fluida. Dinamika fluida dibahas dalam tugas akhir ini karena galaksi merupakan salah satu obyek yang mendekati sifat-sifat fluida. Pada bab ini juga dijelaskan mengenai dinamika plasma. Pada bab ini dijelaskan mengenai persamaan-persamaan utama dalam plasma yang secara umum mirip dengan persamaan dalam dinamika fluida. Bab III berupa pembahasan. Pada bab ini dijelaskan mengenai dinamika alam semesta yang dimulai sejak era dominasi radiasi hingga dominasi materi. Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai keadaan fisis pada dua keadaan tersebut. Serta dijelaskan pula berisi tentang dinamika alam semesta yang dimulai sejak era dominasi radiasi hingga dominasi materi. Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai keadaan fisis pada dua keadaan tersebut. tentang interaksi antara plasma dengan radiasi untuk formasi galaksi serta pengaruhnya terhadap ketidakstabilan fluktuasi kerapatan. Bab IV berisi kesimpulan yang merupakan jawaban dari tujuan masalah dan saran dari penulis untuk penelitian selanjutnya.
13
