Rencana: Fasa Kejadian Matahari

Oleh: Mohamad Izzat Azmer Adnan
Low Dimensional Materials Research Centre (LDMRC)
Jabatan Fizik, Fakulti Sains
Universiti Malaya

Pengenalan

Alunan lagu ‘Fat Old Sun’ karya kumpulan muzik Pink Floyd membayangkan bagaimana tenaga yang dipancarkan matahari begitu resonans sekali dengan denyutan nadi seluruh hidupan dibumi. Jasad megah ini bukan sahaja bertanggungjawab membenarkan kewujudan hidupan melalui tenaga yang dibekalkan, ianya turut sama berfungsi untuk memelihara, dan suatu hari memusnahkan.

Maka, tidak hairanlah dalam sejarah peradaban manusia, matahari pernah dianggap sebagai dewa pentadbir cahaya kehidupan. Matahari adalah entiti raksasa yang mengatur pergerakan segala jasad di sistem suria melalui cengkaman gravitinya yang melangkaui segenap dimensi ruangan sistem solar. Jisimnya sahaja mencakupi sehingga 99.86 peratus dari jumlah total jisim bagi sistem solar yang antaranya terdiri daripada 8 buah planet seperti mana yang kita kenali pada hari ini.

Berbalik pada zaman sekitar 500 tahun sebelum masihi, ahli falsafah Greek, Anaxagoras adalah yang pertama mencadangkan teori tentang komposisi matahari. Menurut beliau, matahari adalah gumpalan logam yang melebur. Ini berikutan pemerhatiannya akan kehadiran unsur logam pada meteorit yang jatuh kebumi, yang beliau sangkakan tiba dari matahari. Sebelum itu matahari dianggap tidak lain hanyalah sebagai bebola api yang terapung di ruangan angkasa oleh tamadun Mesir Purba. Teori Anaxagoras bagaimanapun akhirnya mula dipersoalkan ketika tercetusnya revolusi perindustrian di Eropah sekitar 200 tahun yang lalu.

Merungkai Misteri

Revolusi ini didorong oleh pemahaman para sarjana yang lebih mendalam terhadap konsep pengabdian tenaga. Melalui ilmu termodinamik, mereka sedar bahawa adalah mustahil untuk matahari terus memancarkan tenaga secara berterusan tanpa bekalan bahan bakar yang mencukupi. Malah keadaan ini memaksa Charles Darwin untuk mempertimbangkan semula Teori Evolusi yang dibangunkan beliau ketika itu. Ini disebabkan oleh ketiadaan hukum fizik yang diketahui boleh menjelaskan bagaimana matahari kekal bersinar sejak jutaan tahun yang lampau seperti yang didakwa beliau melalui buku ‘On the Origin of Species’.

Bagaimanapun sekitar abad ke 20, melalui pembangunan ilmu fizik moden, misteri mula terungkai. Ianya bermula dari Ernest Rutherford yang merupakan perintis kajian keradioaktifan, iaitu satu cabang sains yang menguraikan tentang pancaran sinar dan zarah melalui pereputan dalaman atom.

Menurut Rutherford, melalui aktiviti keradiokatifan, unsur-unsur radioaktif seperti yang terdapat di bumi mampu membekalkan tenaga haba secara berterusan dari proses pereputan elemen tersebut. Jadi bumi bukanlah satu planet yang menyejuk seperti dicadangkan Lord Kelvin yang semata-mata bersandarkan kepada hukum termodinamik.

Tidak lama kemudian, Albert Einstein melalui Teori Kerelatifan Khas, telah membangunkan formula E=mc², yang mengaitkan konsep jisim dan tenaga. Einstein mencadangkan bahawa sekiranya suatu jasad memancarkan sejumlah besar tenaga, sebilangan kecil dari jisimnya akan berkurangan sebagai tindak balas. Melalui konsep ini, ahli fizik British, Arthur Eddington, mengemukakan pendapatnya yang matahari menghasilkan tenaga dalam bentuk cahaya dan haba melalui reaksi percantuman nuklear antara dua atom hidrogen di mana hasil akhirnya membentuk satu atom helium tunggal.

Idea ini timbul berikutan penemuan Francis Aston mengenai jisim satu atom helium yang lebih ringan berbanding dengan sejumlah gabungan jisim bagi dua atom hidrogen. Idea ini dapat menjelaskan penghasilan tenaga oleh matahari bedasarkan kehilangan sejumlah jisim melalui penemuan itu.

Kelahiran Matahari

Matahari adalah sebuah bintang yang secara relatifnya bersaiz sederhana terbentuk sekitar 4.6 billion tahun yang lalu melalui gumpalan gas dan debu-debu angkasa yang dikenali sebagai ‘solar nebula’. Ianya merupakan sebuah bebola plasma terbentuk melalui gumpalan gergasi tersebut yang berputar pada paksinya.

Sepertimana bumi yang mempunyai kutub utara dan selatan, putaran zarah bercas yang membentuk komposisi matahari menghasilkan medan magnet yang begitu kuat skali. Oleh kerana keadaannya yang bertekanan tinggi serta suhu nya yang panas melampau, zarah-zarah tersebut tidak dapat wujud dalam bentuk pepejal seperti di bumi, kerana dengan jumlah tenaga haba yang cukup besar tersebut, elektron dan proton tidak dapat bergabung untuk membentuk atom.

Bagaimanapun, keadaan luar biasa itu jugalah yang membenarkan proses pelakuran nuklear untuk terjadi di dalamnya seperti mana yang digambarkan oleh Eddington. Melalui proses percantuman nukleus tersebut, tenaga radiasi berupa zarah cahaya, foton turut terbentuk sebagai hasil sampingan. Malah proses tersebut begitu penting sekali dalam mengelakkan struktur matahari daripada runtuh akibat tekanan luaran yang amat tinggi terhasil dari medan gravitinya yang cukup kuat. Tekanan dalaman yang dihasilkan radiasi melalui proses pelakuran nuklear di kerak matahari memberi keseimbangkan terhadap strukturnya sekurang-kurangnya untuk berbilion tahun yang mendatang.

Kematian Matahari

Adalah dianggarkan setiap satu billion tahun yang berlalu, matahari menghasilkan tenaga radiasi dengan keamatan 10 peratus lebih kuat. Dengan kadar ini, tenaga haba yang terperangkap di bumi akan menghasilkan suhu permukaan sekitar 375°C, lautan akan mula meruap dan seterusnya mengering. Manusia kemungkinan telah lama pupus ketika itu, atau mungkin telah berpindah membina penempatan di planet baru melalui kemajuan teknologi penerokaan angkasa. Seterusnya dalam menghampiri fasa-fasa terkahir kehidupan, bekalan bahan bakar hidrogen yang banyak terdapat pada kerak matahari telah mula kehabisan. Sebagai tindakan terdesak, sumber elemen yang lebih berat sebaliknya digunakan matahari untuk menghasilkan tenaga tambahan bagi memastikan survivalnya. Namun, hukum fizik sekali lagi tidak menyebelahi bintang tunggal sistem solar kita yang semakin berusia ini.

Pada usia 10 billion tahun, matahari akan terus mengembang hingga menghampiri orbit bumi, planet yang kini telah lama kering dan tandus. Sehinggalah apabila bahan bakar telah habis digunakan, keseimbangan struktur matahari yang dikekalkan melalui reaksi pelakuran nuklear tadi akan mula terganggu. Akibatnya berlaku satu letusan mega yang dikenali sebagai Supernova, menghamburkan sejumlah besar tenaga berbentuk gumpalan gas dari elemen-elemen yang terdapat di permukaannya.

Tinggalan sebahagian besar jasadnya yang masih utuh, akan bergumpal dan mula mengecut ke dalam, hasil dari tekanan ekstrim oleh daya graviti. Ia seterusnya membentuk satu jasad kerdil berketumpatan tinggi dengan anggaran 125,000 kali lebih tumpat daripada keluli. Bintang yang kini hanya sebesar bumi ini secara perlahan-lahan akan mula menyejuk, dengan sinaran yang semakin malap melalui pelepasan tenaga haba pendam masih bersisa di dalam jasad kerdilnya, seperti mana yang dihuraikan melalui prinsip pertambahan entropi dari hukum kedua termodinamik.

Rujukan dan Bacaan Lanjut

[1] B. Berman, The Sun’s Heartbeat: And Other Stories from the Life of the Star that Powers Our Planet, Little, Brown, 2011.

[2] F. Close, Neutrino, Oxford University Press, 2010.

[3] K. Thorne, Black Holes & Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy (Commonwealth Fund Book Program), WW Norton & Company, 1995.

[4] http://www.universetoday.com/16338/the-sun/

[5] http://www.space.com/58-the-sun-formation-facts-and-characteristics.html