SPEKTROSKOPI BINTANG
PENDAHULUAN
Spektroskopi adalah cabang ilmu pengetahuan yang membahas tentang penyelidikan dan pengukuran spketrum cahara yang dihasilkan Ketika suatu materi berinteraksi dengan radiasi elektromagnetik.
Di dalam astronomi, spektroskopi sangat berguna karena meski bintang tidak dapat dijangkau, namun ada teleskop yang dapat dengan mudah mengukur spektrum bintang dan galaksi.
Berikut akan dipelajari tentang spektroskopi bintang dan bagaimana spektrum bintang dapat digunakan untuk mengklasifikasikan bintang.
PENDAHULUAN
• Spektrum sebuah benda yang bersinar diukur menggunakan instrument yang disebut spektrograf.
• Di dalam spektrograf cahaya dilewatkan melalui sederet prisma dan cermin untuk memecahnya ke dalam berbagai panjang gelombang yang berbeda (spektrum).
• Intensitas berbagai panjang gelombang ini
kemudian diukur, diplot dalam bentuk grafik yang disebut spektrum. Spektrum dapat diteliti lebih detil untuk memperoleh informasi tentang benda
pemancarnya. Pelangi adalah spektrum dari matahari kita.
TIPE-TIPE SPEKTRUM
Secara umum ada dua tipe spektrum yang dapat diidentifikasi dengan mudah, yaitu spektrum EMISI dan spektrum SERAPAN.
• Contoh spektrum emisi:
• Contoh spektrum serapan:
HUKUM KIRCHHOFF TENTANG RADIASI
1. Zat padat, cair, atau gas berkerapatan dan bersuhu tinggi akan
memancarkan radiasi pada semua gelombang menghasilkan
spektrum kontinyu.
2. Gas berkerapatan rendah yang tereksitasi akan memancarkan radiasi pada panjang gelombang tertentu menghasilkan spektrum emisi
Cahaya mengeksitasi electron atomic ke level energi yang lebih tinggi
Transisi electron tereksitasi kembali ke level asal memancarkan cahaya
pada frekuensi tertentu
3. Jika cahaya dengan spektrum kontinyu melewati gas dengan kerapatan dan suhu yang rendah akan menghasilkan spektrum serapan
Frekuensi yang bersesuaian dengan energi transisi diserap dari spektrum
kontinyu
Cahaya mengeksitasi electron atomic ke level energi yang lebih tinggi
Lapisan bagian dalam bintang yang lebih rapat, akan menghasilkan
spektrum kontinyu (hk I)
Lapisan bintang di permukaan yang lebih dingin menyerap cahaya pada frekuensi tertentu (Hk 3)
=> Spektrum bintang berupa spektrum serapan
SPEKTRUM BINTANG
SPEKTRUM EMISI
Spektrum emisi terjadi ketika radiasi elektromagnetik berasal dari gas yang relative lebih panas dibanding gas di sekitarnya
.• Karena suhu gas yang tinggi, atom-atom di dalamnya akan memiliki banyak energi, dan beberapa elektronnya akan memiliki energi yang cukup untuk menempati keadaan tereksitasi di sekitar inti.
• Elektron-electron tersebut akan terde-eksitasi (melepas energi dan pindah ke tingkat energi yang lebih rendah). Energi yang dilepaskan akan keluar dari atom sebagai foton dengan Panjang gelombang tertentu.
• Proses semacam ini menghasilkan garis-garis terang dalam spektrum spektrum garis.
SPEKTRUM SERAPAN
Spektrum serapan terjadi ketika radiasi elektromagnetik dari bintang di latar belakang melewati gas yang relative lebih dingin.
• Radiasi pada panjang gelombang tertentu dari bintang berinteraksi dengan/diserap oleh atom-atom dalam gas dingin, menyebabkan electron-elektronnya memperoleh energi dan tereksitasi..
• Elektron-electron ini akan cepat terde-eksitasi dan memancarkan foton pada Panjang gelombang yang sama. Namun arah dari cahaya yang dipancarkan acak dan akan tampak sebagai garis gelam dalam spektrum yang dihasilkan. Garis-garis gelap ini bersesuaian dengan Panjang gelombang yang diserap gas. Garis-garis ini disebut garis-garis serapan.
• Para astronom paling sering menggunakan spektrum serapan untuk mempelajari bintang
SPEKTRUM SERAPAN
Dengan menganalisis spektrum serapan secara hati-hati, para astronom dapat mempelajari banyak hal tentang bintang,
termasuk:
• Suhu
• Kecepatan rotasional
• Kecepatan radial (gerak bintang menjauh atau mendekat)
• Kerapatan
• Komposisi kimiawi
• Metalisitas (berapa banyak unsur berat di dalam bintang)
Beberapa astronom menyamakan spektrum bintang dengan tes DNA yang sangat mendasar yang memungkinkan mereka untuk menentukan jenis bintang apa yang menghasilkan cahaya itu.
Image of the Pleiades Star Cluster
KOMPOSISI KIMIAWI
• Unsur-unsur dan molekul-molekul tertentu lebih cenderung menyerap dan mengemisikan
cahaya pada Panjang gelombang berbeda.
• Hal ini memungkinkan untuk menentukan unsur mana yang menyebabkan garis-garis pada Panjang gelombang tertentu dan
karenanya dapat ditentukan komposisi kimiawi dari benda yang diamati.
• Analysis spektrum matahari menemukan adanya Helium, bahkan sebelum Helium ditemukan di Bumi!
Spektrum emisi dari unsur-unsur yang berbeda
RADIASI BENDA-HITAM
• Semua bintang: bagian dalamnya panas dan rapat sedangkan bagian luarnya atau atmosfernya lebih dingin.
• Bagian dalam bintang (gas panas dan rapat) meradiasikan spektrum kontinyu, seperti spektrum benda hitam.
• Jika tidak ada serapan atau emisi dari atmosfernya spektrum bintang akan sangat mirip dengan spektrum benda hitam.
• Kurva spketrum benda hitam merepresentasikan sebaran intensitas radiasi yang diemisikan pada seluruh frekuensi yang mungkin.
• Salah satu contoh radiasi benda hitam adalah logam panas yang berpijar dalam tungku pembakaraan.
• Bentuk spektrum benda hitam tergantung pada suhu bendanya.
RADIASI BENDA-HITAM
• Benda dengan suhu lebih tinggi akan memiliki puncak spektrum pada
Panjang gelombang
yang lebih pendek dari
pada spektrum benda
yang suhunya lebih
rendah.
RADIASI BENDA-HITAM
Pada kenyataannya spektrum hasil pengukuran tidak pernah semulus spektrum benda hitam, karena adanya serapan dan emisi
• Lembah pada kurva
merepresentasikan garis serapan
• Puncak pada kurva
merepresentasikan garis emisi
Contoh spektrum yang menunjukkan adanya garis serapan dan garis emisi (Sloan Digital Sky Survey).
HUKUM WIEN
• Bintang dapat diklasifikasikan berdasarkan suhunya.
• Suhu bintang berada pada rentang 2.000 hingga 40.000 Kelvin.
• Suhu permukaan bintang (suhu efektif) dapat dihitung menggunakan hukum Wien jika panjang gelombang puncaknya diketahui
• Dengan W adalah konstanta Wien, W = 2.898×10
−3m·K.
Puncak spektrum matahari pada Panjang gelombang berkisar 500 x 10-9 m, suhu efektif matahari sekitar 5800K.
� ��� = �
� max
EFEK DOPPLER
• Efek Doppler terjadi akibat adanya perubahan semu Panjang gelombang dan frekuensi akibat adanya gerak relative antara sumber gelombang dan pengamat.
• Contoh: Kita mengalami efek doppler ketika ambulan dengan sirine menyala melewati kita
• Ketika ambulan mendekati kita gelombang suara merapat dan menghasilkan nada suara yang lebih tinggi (λ lebih pendek)
• Setelah melewati kita, gelombang teregang dan nada suara sirine menurun (λ lebih panjang)
Panjang gelombang memendek
Panjang gelombang memanjan g
EFEK DOPPLER
• Efek yang sama terjadi pada cahaya, Ketika bintang mendekati atau menjauhi pengamat yang ada di bumi.
• Kita dapat mendeteksi gerak bintang dari spektrumnya.
• Jika bintang menjauhi bumi, gelomban cahaya akan teregang dan seluruh spektrum akan bergeser menuju Panjang gelombang merah di akhir spektrum, disebut pergeseran merah.
• Jika bintang mendekati bumi, gelombang cahaya merapat dan spektrum bergeser ke arah Panjang gelombang biru, disebut pergeseran biru.
Panjang gelombang memendek
Panjang gelombang memanjan g
GARIS-GARIS SPECTRAL
• Jika tidak ada factor eksternal, spektrum serapan bintang akan menunjukkan adanya garis-garis spektrum yang sangat tipis pada Panjang
gelombang tertentu yang bersesuaian dengan banyaknya energi yang ditransfer pada atom Ketika salah satu elektronnya tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi.
• Pada kenyataannya ada sejumlah factor yang terjadi yang mengaburkan garis-garis spectral pada rentang Panjang gelombang yang lebih lebar, yang disebut pelebaran garis spektral.
PELEBARAN GARIS SPECTRAL
Pelebaran garis spectral bintang dapat disebabkan sejumlah
factor termasuk:
• Suhu (pelebaran doppler)
• Rotasi bintang
• Tekanan
Gambar berikut adalah garis
serapan yang sama, dalam hal ini adalah hydrogen, yang
tampak dalam spektrum dari 3
bintang yang berbeda.
PELEBARAN DOPPLER (THERMAL)
Pelebaran Doppler adalah factor utama dari pelebaran spektrum bintang
• Atom-atom dalam gas bergerak pada kecepatan dan arah yang berbeda-beda.
• Gerakan ini dapat menyebabkan efek doppler Ketika atom yang bergerak mengemisikan foton dan karena beberapa atom bergerak menjauhi dan beberapa atom bergerak mendekati pengamat, efek
keseluruhan akan menghasilkan komponen pergeseran merah dan biru.
• Di dalam gas panas atom memiliki energi lebih tinggi sehingga akan bergerak lebih cepat daripada atom dalam gas yang lebih dingin. Ini berarti pelebaran doppler lebih signifikan terjadi pada spektrum bintang panas.
Hot Star Cool Star
KECEPATAN ROTASIONAL
•
Bintang bukanlah obyek statis seperti yang kita lihat di langit saat malam hari.
•
Bintang terbuat dari mass fluida gas dan plasma (gas panas) yang berotasi
mengelilingi sumbunya. Matahari berotasi setiap 24,5 hari.
•
Ketika kita memperoleh spektrum dari
bintang jauh, cahaya yang ditangkap
berasal dari seluruh piringan bintang,
bukan hanya dari satu titik pada bintang.
KECEPATAN ROTASIONAL
•
Hal ini berarti ada bagian bintang yang
bergerak mendekat dan ada yang menjauhi pengamat.
•
Bagian yang mendekati pengamat mengalami pergeseran biru.
•
Bagian yang menjauhi pengamat mengalami pergeseran merah.
•
Efek totalnya adalah garis spektrum bintang
akan tampak diperlebar secara rotasional.
KLASIFIKASI SPECTRAL
• Spektrum serapan dari setiap bintang dapat digunakan untuk mengelompokkan bintang.
• Para astronom mengklasifikasikan bintang berdasar suhunya ke dalam kelompok,
“OBAFGKM”, di mana O kelompok bintang-bintang paling panas dan M adalah kelompok bintang-bintang paling dingin.
Perhatika n bahwa
ada hubungan
antaran suhu dan
massa bintang
KLASIFIKASI SPECTRAL
Kelompok-kelompok bintang tersebut masih dibagi lagi ke dalam sub kelompok bintang dari 0 – 9, di mana 0 paling panas. Contoh: B1 lebih panas dari B3.
Matahari dengan suhu permukaan 5800K, berada dalam kelompok G2.
TUGAS
Anda sudah mengetahui lebih banyak tentang spektroskopi bintang, sekarang anda mendapat kesempatan melihat beberapa spektrum riil dari teleskop Liverpool.
Anda akan diberi file Excel yang berisi data spectral 2 dimensi dari 9 tipe bintang, masing-masing dalam tab yang berbeda. Anda diminta memplot spektrum dari setiap bintang tersebut.
Plot intensitas bintang terhadap Panjang gelombang. Anda akan menghasilkan spektrum mirip seperti gambar berikut (jangan lupa memberi label yang benar untuk setiap sumbu).
Bentuk setiap spektrum bervariasi, tergantung kelas spektrum bintangnya.
Wavelength (Angstroms)
Intensity
Setelah anda memplot kesembilan spketrum bintang, anda dapat membandingkannya untuk melihat bagaimana spektrum bintang berbeda-beda.
Garis serapan atom hydrogen pada 6563 angstroms (1 Angstrom = 10-10m) adalah garis serapan yang bagus untuk melihat perbedaan tersebut.
Bintang-bintang yang lebih panas akan memiliki garis serapan yang lebih lebar karena pelebaran doppler.
Bintang yang lebih dingin cenderung memiliki spektrum yang lebih tidak menentu disbanding bintang yang lebih panas.
Beberapa garis spektrum akan tampak pada beberapa bintang, tapi tidak tampak pada bintang yang lain.
Wavelength (Angstroms)
Intensity Buatlah catatan
hasil pengamatan anda!
TUGAS
TUGAS
• Setelah anda mengamati spektrum sembilan tipe bintang, anda
dapat menggunakannya untuk mengklasifikasikan bintang-bintang yang belum diketahui tipenya.
• Anda akan diberi file Excel yang lain yang berisi spketrum dua bintang yang harus anda plot dan kemudian diklasifikasikan.
• Gunakan informasi yang disediakan dalam presentasi ini dan
dengan membandingkan spektrum yang sudah anda plot, cobalah
untuk mengklasifikasikan dua bintang misteri yang diberikan.
