Gravity Newton (klasik) and Albert Einstein (Modern)

Gravitasi adalah salah satu dari empat kelas interaksi yang terjadi di alam, dan gravitasi adalah yang paling dahulu dipelajari secara intensif dari keempat kelas yang ada. Newton  menemukan pada abad ke-17 bahwa ada interaksi yang sama yang menyebabkan apel jatuh dari pohon dan menahan planet pada orbitnya mengelilingi Matahari. Ini adalah awal dari mekanika benda langit. Kini pengetahuan kita tentang mekanika benda langit memungkinkan kita untuk menentukan bagaimana meletakkan sebuah satelit pada suatu orbit yang diinginkan tempatnya mengelilingi bumi atau untuk memilih trayektori yang tepat untuk mengirimkan pesawat ruang angkasa ke planet lain. Hukum universal gravitasi bekerja secara mendasar antara bumi dan badan kita, antara matahari dan sebuah planet, dan antara planet dengan satelitnya.

 

Gravitasi adalah fenomena yang dekat sekali dengan kehidupan kita. Setiap orang bisa merasakannya. Gaya ini bisa dirasakan dan dilihat dalam berbagai bentuk yang berbeda. Ketika kita melenggang pada jalan menurun, tarikan gravitasi akan mempercepat langkah kita. Hal lain yang sangat jelas bagi kita adalah setiap benda yang dilemparkan pasti akan jatuh ke tanah. Namun demikian baru ditahun 1687 gravitasi ini bisa dijelaskan dan dirumuskan ke dalam persamaan matematika sederhana. Orang pertama yang sanggup menjelaskannya adalah Sir Issac Newton.

Fisikawan berkebangsaan Inggris ini, berhasil mengungkapkan mekanisme bagaimana dua object bermassa yang berinteraksi dalam gaya tarik-menarik gravitasi. Matahari di dalam solar sistem kita, menurut teori ini, memiliki gaya tarik yang sangat besar jangkauannya sehingga bisa menarik benda-benda angkasa yang bermassa relatif lebih kecil seperti planet, komet, dan asteroid dan melayang pada orbitnya.

Baru kemudian di awal abad 20 Einstein menemukan kejanggalan dalam teori gravitasi Newton. Kejanggalannya terletak pada ketidakcocokan teori gravitasi Newton dengan teori relativitas khusus yang diajukan Einstein pada tahun 19

Gaya Gravitasi Newton

Sir Isaac Newton adalah ahli fisika, matematika, astronomi, kimia dan ahli filsafat yang lahir di Inggris. Buku yang ditulis dan dipublikasikan pada tahun 1687, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, dikatakan sebagai buku yang paling berpengaruh dalam sejarah perkembangan ilmu pengetahuan. Karyanya ini menjelaskan tentang hukum gravitasi dan tiga asas (hukum) pergerakan, yang mengubah pandangan orang terhadap hukum fisika alam selama tiga abad kedepan dan menjadi dasar dari ilmu pengetahuan modern.

 Newton melakukan penelitian tentang gerak dari planet dan bulan. Newton menemukan karakter dari gaya aarik gravitasi antara dua benda, apaun itu. Bersamaan dengan ketiga hukumnya tentang gerak. Newton mempublikasikan hukum gravitasi (Law of Gravitation) pada tahun 1687. Adapun bunyi Hukum Newton Gravitasi adalah

“Setiap partikel dari bahan di alam semesta menarik setiap partikel lain dengan gaya yang berbanding lurus dengan hasil kali massa-massa partikel dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak diantara partikel-partikel tersebut.”

Jadi persamaan yang kita dapatkan dari rumusan diatas adalah

Dimana F12 adalah besar gaya gravitasi pada sebuah partikel, m1 dan m2 adalah massanya, da r adalah jarak antar keduanya.

       Karena simbol g dan G hampir sama sering kali arti kedua besaran gravitasi yang menggunakan kedua simbol tersebut membuat kita kebingungan. Adapun g adalah percepatan gravitasi yang berhubugan dengan berat w dari sebuah benda dengan massanya w;w=mg. Nilai g berbeda untuk tempat yang berbeda di permukaan bumi dan pada permukaan planet yang berbeda. Sebaliknya G berhubungan dengan gaya gravitasi antara dua benda akibat maasa dan  diantara keduanya. Kita sebut G konstanta universal sebab mempunyai nilai yang sama untuk setiap dua benda, tidak peduli dimanapun letaknya dalam ruang angkasa.

            Gaya gravitasi selalu berkerja sepanjang garis yang menghubungkan dua buah partikel dan membentuk pasangan aksi-reaksi.  Walaupun kedua massa partikel berbeda, kedua gaya interaksinya mempunyai besar yang sama.

       

        Kita telah menyatakan bahwa  hukum gravitasi dalam bentuk interaksi antar dua partikel. Hal ini menjadikan interaksi gravitasi dari setiap dua benda yang mempunyai distribusi massa bola simetris adalah sama seperti jika kita kumpulkan semua massa pada pusatnya. Jadi kita menganggap bumi sebagai bola simetris dengan massa m_B , gaya yang dikeluarkannya pada sebuah partikel atau benda bola simetris dengan massa m, dengan jarak r diantara kedua pusatnya adalah :

Yang memberikan informasi bahwa benda terletak diluar bumi. Sebuah gaya dengan besar yang sama bekerja pada bumi oleh benda.

         Pada titik didalam bumi keadaannya berbeda. Jika kita dapat mengebor sebuah lobang sampai ke pusat bumi  dan mengukur gaya gravitasi pada benda dengan kedalaman berbeda-beda, kita akan mendapatkan bahwa semakin mendekati pusat bumi gaya makin berkurang, dan bukan bertambah dengan faktor sebesar 1/r^2. Ketika benda memasuki benda bagian dalam bumi (atau benda bola lainnya), sebagian dari massa bumi berada disisi benda yang berlawanan dari pusat dan memberikan tarikan pada arah yang berlawanan. Tepat dipusat bumi, gaya gravitasi bumi pada benda adalah 0.

         Benda simetris berbentuk bola adalah kasus yang penting karena bulan, planet-planet, dan bintang cenderung untuk berbentuk bola. Karena semua partikel dalam benda secara gravitasi saling tarik menarik satu sama lain, partikel cenderung bergerak untuk meminimumkan jarak antarpartikel. Sebagai hasilnya benda secara alamiah cenderung diasumsikan berbentuk bola, seperti tanah liat yang dibentuk menjadi sebuah bola jika anda menekannya dengan gaya yang sama pada semua sisinya. Efek ini sangat berkurang pada benda-benda angkasa yang bermassa kecil karena gaya tarik gravitasinya kecil, dan benda-benda tersebut cenderung tidak berbentuk bola.

Medan Gravitasi

Sebagaimana telah kita singgung pada awal bab ini bahwa benda akan tertarik oleh gaya gravitasi benda lain atau planet jika benda tersebut berada dalam pengaruh medan gravitasi. Medan gravitasi ini akan menunjukkan besarnya percepatan gravitasi dari suatu benda di sekitar benda lain atau planet. Besar medan gravitasi atau percepatan gravitasi dapat dirumuskan sebagai berikut :

Keterangan:

Fg : medan gravitasi atau percepatan gravitasi (m/s²)

G : tetapan gravitasi (6,672 × 10-11 N.m²/kg²)

M : massa dari suatu planet atau benda (kg)

r : jarak suatu titik ke pusat planet atau pusat benda (m)

Hal yang perlu diperhatikan dalam membahas medan gravitasi atau percepatan gravitasi adalah konsep bahwa massa benda dan berat benda tidaklah sama. Massa benda di mana pun tetap, namun berat benda di berbagai tempat belum tentu sama atau tetap. Besar percepatan gravitasi yang dialami semua benda di permukaan planet adalah sama. Jika selembar kertas jatuh ke tanah lebih lambat dari sebuah kelereng, bukan disebabkan karena per cepatan gravitasi di tempat tersebut berbeda untuk benda yang berbeda. Hal ini disebabkan oleh adanya hambatan udara yang menahan laju kertas tersebut. 

Hukum Newton juga menunjukkan bahwa pada umumnya jika sebuah benda (misalnya planet) bergerak mengelilingi pusat gaya (misalnya matahari), benda akan ditarik oleh gaya yang berubah sebanding dengan . Lintasan benda tersebut dapat be rupa elips, parabola, atau hiperbola.

Hukum gravitasi Newton juga dapat diterapkan pada gerak benda-benda angkasa. Sebelum masuk ke penerapan tersebut, kita pelajari terlebih dahulu tentang pergerakan benda-benda angkasa. Pergerakan benda-benda angkasa telah dipelajari oleh Johanes Kepler dan dinyatakan dalam hukum-hukum Kepler.

 Gravitation Of Issac Newton

Einstein dan Gravitasi

Albert Einstein pernah berkata : “ I was... in the patent office of Bern when all of a sudden a thought occurred to me: ‘If a person falls freelu, he will not feel his on weight.’ I was startled. This simple thought made a deep impression on me. It impelled me toward a theory of gravitation”.

Begitulah Einstein menjelaskan pada kita bagaimana dia mulai membentuk teori relativitasnya. Postulat dasar teori mengenai gravitasi (menggravitasikan objek ke satu sama lainnya, yang dikenal dengan prinsip kesetaraan yang mengatakan bahwa gravitasi dan percepatan adalah setara. Jika memperhatikan objek yang jatuh melewatinya objek akan memiliki percepatan yang sama relatif terhadapnya dalam kedua situasi.

Sejauh ini kita menjelaskan bahwa gravitasi akibat gaya antara massa-massa. Einstein menunjukkan bahwa sebaliknya, gravitasi adalah karena kelengkungan ruang yang disebabkan oleh massa. Dalam hal ini ruang dan waktu berkaitan, sehingga kelengkungan yang Einstein bicarakan adalah sebuah kelengkungan ruang-waktu, empat gabungan dimensi alam semesta kita.

Jauh dari Bumi (dan massa lainnya), ruang adalah datar dan jalur paralel tetap paralel. Dekat dengan Bumi jalur paralel mulai memusat karena ruang yang melengkung oleh massa Bumi.

Ketika cahaya melewati ruang dekat Bumi, jalan cahaya menikung sedikit karena ada kelengkungan ruang, sebuah efek yang disebut pelensaan gravitasi. Ketika cahaya melewati struktur yang lebih besar, seperti galaksi atau lubang hitam yang mempunyai massa yang besar, jalur dapat lebih melengkung. Jika struktur besar seperti itu berada diantara kita quasar (sumber cahaya yang sangat terang dan sangat jauh), cahaya dari quasar dapat melengkung mengelilingi struktur yang besar dan menuju ke arah kita. Kemudian karena cahaya tampaknya datang ke kita dari sejumlah arah  yang berbeda dari langit, kita melihat quasar yang sama di semua arah yang berbeda tersebut. Dalam beberapa situasi, quasar dapat kita lihat berbaur bersama-sama membentuk sebuah busur raksasa bercahaya, yang dinamakan cincin Einstein.

Cahaya dari Quasar yang jauh mengikuti jalur melengkung di seputar galaksi atau lubang hitam besar karena massa galaksi atau lubang hitam telah melengkungkan ruang disekitarnya. Jika cahaya terdeteksi, cahaya tersebut tampak seperti berasal dari perpanjangan jalur akhir. 

Gravitation Of Albert Einstein 

Planet dan Satelit : Hukum Kepler

Gerakan planet-planet, karena mereka tampaknya bergerak dengan latar belakang bintang-bintang, telah menjadi teka-teki sejak awal sejarah. Gerakan “loop the loop” planet Mars sangat membingungkan. Johannes Keppler (1571-1630), setelah belajar seumur hidup menemukan hukum-hukum empiris yang mengatur gerakan ini. Tycho Brahe (1546-1601), astronom besar terakhir yang melakukan pengamatan tanpa bantuan teleskop, yang mengkompilasi data ekstensif dari hukum Kepler, mampu menurunkan  tiga hukum gerak planet yang sekarang diberi nama hukum Kepler.

Pada bagian ini masing-masing dari tiga Hukum Kepler. Walaupun disini kita menerapkan hukum untuk planet-planet yang mengorbit Matahari. Hukum ini juga berlaku untuk satelit, baik alami atau buatan yang mengorbit Bumi atau pusat benda masih lainnya.

Hukum Kepler I (Hukum Orbit)

 “Setiap planet bergerak dengan lintasan elips, matahari berada di salah satu fokusnya.”

Figure 1: Hukum Kepler pertama menempatkan Matahari di satu titik fokus edaran elips.

Pada zaman Kepler, klaim di atas adalah radikal. Kepercayaan yang berlaku (terutama yang berbasis teori epicycle) adalah bahwa orbit harus didasari lingkaran sempurna. Meski secara teknis elips yang tidak sama dengan lingkaran, tetapi sebagian besar planet planet mengikuti orbit yang bereksentrisitas rendah, jadi secara kasar bisa dibilang mengaproksimasi lingkaran. Jadi, kalau ditilik dari observasi jalan edaran planet, tidak jelas kalau orbit sebuah planet adalah elips. Namun, dari bukti perhitungan Kepler, orbit-orbit itu adalah elips, yang juga memeperbolehkan benda-benda angkasa yang jauh dari matahari untuk memiliki orbit elips. Benda-benda angkasa ini tentunya sudah banyak dicatat oleh ahli astronomi, seperti komet dan asteroid. Sebagai contoh, Pluto, yang diobservasi pada akhir tahun 1930, terutama terlambat diketemukan karena bentuk orbitnya yang sangat elips dan kecil ukurannya.

Gambar diatas menunjukkan sebuah planet dengan massa m bergerak dalam sebuah orbit matahari  yang massanya M. Kita berasumsi bahwa M>>m sehingga pusat matahari dari sistem planet-Matahari adalah kira-kira dipusat Matahari.

Orbit ini dijelaskan dalam dengan sumbu semimayor a dan eksentrisitas e, yang kemudian ditetapkan bahwa ea adalah jarak dari pusat elips ke F atau F’. Sebuah ekstrentrisitas nol yang sesuai dengan lingkaran, dimana dua fokus bergabung ke titik pusat tunggal. Eksentrisitas dari orbit planet tidak besar , jadi jika orbit digambarkan dalam skala, mereka terlihat melingkar.

Secara kualitatif, hukum kedua ini mengatakan bahwa planet akan bergerak paling lambat jika saat letaknya jauh dari matahari dan paling cepat saat jaraknya terdekat dengan Matahari.

Hukum Kepler II (Hukum Wilayah)

"Sebuah garis yang menghubungkan planet ke Matahari menyapu daerah yang sama dalam bidang orbit planet dalam selang waktu yang sama, yaitu dengan rate dA/dt dimana ia menyapu luas A adalah konstan."

 

      Luas yang diarsir mendekati area yang di sapu ke luar dalam waktu Δt oleh garis yang menghubungkan Matahari dan planet, yang dipisahkan oleh jarak  r. Daerah ΔA ada di sekitar daerah segitiga dengan alas RΔθ dan tinggi r.

         Karena luas segitiga adalah setengah dikalikan alas dan tinggi, maka ΔA=1/2 r²Δθ. Untuk ΔA menjadi persis karena Δt (maka Δθ) mendekati nol. Laju perubahan sesaat pada daerah yang disapu menjadi

dA/dt = ½ r² du/dt = ½ r²ω

        Gambar b menunjukkan momentum linear p planet , bersama dengan komponen radial dan tegak lurus p. Besarnya momentum sudut L planet sekitar Matahari diberikan oleh perkalian r dan p, kompenen tegak lurus p terhadap r. Disini untuk planet bermassa m,

L= rp = (r)(mv) = (r)(mωr) = mr²ω

Jadi dA/dt = L/2m

        Jika dA/dt adalah konstan maka L juga harus konstan-momentum sudut kekal. Hukum kedua keppler memang setara dengan hukum momentum sudut.

Hukum Kepler III (Hukum Orbit)

“ Kuadrat dari periode planet apapun proporsional terhadap  kubus dari sumbu semimayor orbitnya”.

(hukum Periode)

         Kuantitas dalam kurung adalah sebuah konstanta yang tergantung hanya pada massa pusat benda (M) pada orbit planet. Persamaan diatas juga berlaku untuk orbit elips, asalkan kita mengganti r dengan a, sumbu semimayor elips. Hukum ini memprediksikan bahwa rasio T²/a³ pada dasarnya memiliki nilai yang sama untuk setiap orbit planet disekitar benda masif yang diberikan. Hukum ini juga berlaku untuk orbit planet-planet di sistem tata surya.

     Hukum Kepler tentang gerakan planet adalah sumbangannya yang terbesar bagi ilmu pengetahuan. Hukum ini berdampak besar terhadap pemikiran ilmiah dan kelak menyediakan landasan bagi karya Sir Isaac Newton mengenai gaya tarik bumi. Namun, Kepler juga memberikan banyak sumbangan lain kepada ilmu pengetahuan. Dia menemukan bintang baru (supernova), menganalisis cara kerja mata manusia, meningkatkan kemampuan teleskop, dan beberapa sumbangan dalam bidang optik. Dia memublikasikan data akurat mengenai kedudukan bintang dan planet yang sangat berharga bagi para pelaut. Dia memberikan sumbangan kepada matematika, termasuk cara penghitungan yang lebih cepat dan cara menentukan volume banyak benda padat.

Aplikasi Hukum Newton dengan Hukum Keppler

       Sebagaimana telah kita bahas di depan bahwa gaya tarikmenarik antara planet dengan matahari dapat kita tuliskan sebagai:

Karena planet bergerak dalam lintasan lingkaran maka planet akan mengalami gaya sentripetal yang besarnya adalah:

         Berdasarkan uraian di atas, dapat kita ketahui bahwa ternyata hukum gravitasi Newton memiliki kesesuaian dengan tata edar planet seperti yang dirumuskan oleh hukum Kepler.

Video Pengorbitan Planet (Solar System)

Black Hole dan Gravitasi

  

        Lubang Hitam tercipta ketika suatu obyek tidak dapat bertahan dari kekuatan tekanan gaya gravitasinya sendiri. Banyak obyek (termasuk matahari dan bumi) tidak akan pernah menjadi lubang hitam. Tekanan gravitasi pada matahari dan bumi tidak mencukupi untuk melampaui kekuatan atom dan nuklir dalam dirinya yang sifatnya melawan tekanan gravitasi. Tetapi sebaliknya untuk obyek yang bermassa sangat besar, tekanan gravitasi-lah yang menang.

Konsep dari sebuah lubang hitam adalah salah satu yang sangat menarik dan merupakan produk yang spektakular dari teori relativitas (gravitasi modern), tetapi ide dasarnya dapat dimengerti berdasarkan prinsip Newton. Densitas rata-rata ρ Matahari dan Bumi adalah

Dan untuk laju pelepasan adalah :

V² = 2GM

Dari persamaan ini kita dapat melihat bahwa laju pelepasan untuk sebuah benda pada permukaan Matahari kita adalah sekitar 2,2 juta km/jam. Nilai ini secara kasar kira-kira 1/500 laju cahaya, tidak bergantung pada massa benda  yang tinggal landas, tetapi tergantung hanya pada massa dan jari-jari (densitas rata-rata dan jari-jari) dari Matahari.

Sekarang kita pertimbangkan berbagai bintang dengan densitas rata-rata p yang sama dengan jari-jari r yang berbeda. Untuk nilai tertentu dari densitas ρ ,laju pelepasan v berbanding lurus dengan R.  Maka pada tahun 1783 pendeta jonh mitchell seorang astronom amatir mencatat bahwa jika sebuah benda dengan tensitas rata-rata yang sama dengan matahari mempunyai jari-jari sekitar 500 kali jari-jari matahari ,kecepatan pelepasan akan lebih besar dari laju cahayac. Dengan pernyataanya bahwa “semua cahaya yang dipancarkan oleh sebuah benda akan membuat nya kembali ke arahnya”, Mitchell menjadi orang pertama yang menunjukkan dari sebuah keberadaan benda yang kita kenal saat ini adalah black hole.

Persamaan laju pelepasan sebelumnya menunjukkan bahwa sebuah benda dengan massa M akan menjadi sebuah lubang hitam jika jari-jari R lebih kecil atau sama dengan nilai jari-jari kritis tertentu. Pada tahun 1916, Karl Schwarzschild menggunakan teori umum relativitas Einstein (dalam bagian perumusan dan perluasan teori gravitasi Newton) untuk menurunkan persamaan untuk jari-jari kritis R_s yang sekarang disebut jari-jari Schwarzschild v=c

C² = 2GM/R

Penyelesaian untuk jari-jari Schwarzschild kita dapatkan :

R_s = 2GM/c²

Jika sebuah benda bulat tidak berputar memiliki massa M dan jari-jari leih kecil dari Rs maka tidak ada  (tidak juga cahaya) yang dapat lepas dari permukaan benda, dan benda berfungsi sebagai sebuah lubang hitam. Setiap benda lain dengan jarak Rs dari pusat lubang hitam akan terjebak oleh gaya tarik gravitasi dari lubang hitam dan tidak dapat lepas darinya.

Permukaan dari bola dengan jari-jari Rs disekeliling sebuah lubang hitam disebut horizon peristiwa (event horizon) karena ketika cahaya tidak dapat keluar dari dalam bola itu, kita tidak dapat melihat peristiwa yang terjadi di dalamnya. Dari luar horizon peristiwa yang dapat kita ketahui tentang lubang hitam hanyalah massanya (dari efek gravitasinya pada benda lain), muatan listriknya (dari gaya listrik yang bekerja pada muatan benda lain), dan momentum sudutnya (karena perputaran lubang hitam cenderung untuk menyeret semua benda angkasa yang berada di sekitarnya). Semua informasi lain tentang benda hilang dan tidak bisa di dapat lagi ketika benda itu masuk ke dalam horizon peristiwa.

Pada titik-titik yang jauh dari sebuah lubang hitam, efek gravitasinya adalah sama untuk setiap benda normal dengan massa yang sama. Jika matahari runtuh untuk membentuk sebuah lubang hitam, orbit-orbit planet tidak akan berpengaruh. Tetapi benda-benda akan mengalami perbedaan kedekatan yang dramatis dengan lubang hitam. Jika anda memutuskan untuk menjadi seorang martir untuk ilmu pengetahuan dan loncat ke dalam sebuah lubang hitam, apa yang ditinggalkan dibelakang akan melihat beberapa efek ganjil saat kita bergerak menuju horizon peristiwa, kebanyakan dari efek tersebut berhubungan  dengan efek-efek relativitas yang umum.  Jika kita membawa sebuah radio pengirim untuk mengirimkan pendapat kita tentang apa yang terjadi, maka mereka harus memasang penerimanya secara terus-menerus ke frekuensi yang lebih rendah, sebuah efek yang disebut pergeseran merah gravitasi (gravitational red shift). Konsisten  dengan pergeseran inii, mereka akan mengamati bahwa jam (elektronik atau biologis) akan bergerak lebih lambat dan lebih lambat lagi, efek ini dinamakan perluasan (dilatasi) waktu. Kenyataannya, selama waktu hidupnya mereka  tidak akan pernah melihat kita berhasil sampai ke horizon peristiwa. Pada kerangka acuan anda, anda akan berhasil ke horizon peristiwa pada waktu yang sangat singkat, tetapi dengan cara yang lebih tidak tenang. Seperti yang anda rasakan pada kaki pertama yang masuk ke dalam lubang hitam, gaya gravitasi menarik kaki anda lebih besar daripada pada kepala anda, yang akan sedikit lebih jauh dari lubang hitam. Perbedaan dalam gaya gravitasi pada bagian yang berbeda dari tubuh anda akan cukup besar untuk meregangkan anda sepanjang arah menuju lubang hitam dan menekankan anda tegak lurus dengannya. Efek ini (disebut gaya pasang surut atau tidar forces) akan memecah anda menjadi ato-atom dan kemudian memecah atom-atom anda, sebelum anda mencapai horizon peristiwa.

            Jika cahaya tidak dapat lepas dari sebuah lubang hitam dan jika lubang hitam kecil. Bagaimana kita tahuhal-hal tersebut ada di dalam ruang angkasa berikut ini idenya. Setiap gas atau debu yang dekat dengan lubang hitam cenderung untuk di tarik ke dalam piringan tambahan yang berputar mengelilingi dan masuk ke lubang hitam, lebih mendekati kolam arus. Gesekan dengan material piringan tambahan menyebabkannya kehilangan energi mekanik dan membentuk spiral ke dalam lubang hitam. Ketika bergerak masuk ke dalam, kemudian di tekan bersama-sama. Hal ini menyebabkan pemanasan material. Suhu sebesar 10⁶ K dapat terjadi dalam piringan tambahan, terlalu tinggi sehingga yang dikeluarkan oleh piringan tidak saja cahaya tampak ( seperti yang dilakukan benda yaitu : panas-merah atau panas putih) tetapi juga sinar x.

Lubang hitam pada sistem bintang biner yang mempunyai massa beberapa kali lebih besar daripada maasa matahari juga terdapat banyak bukti tentang adanya lubang hitam sangat pejal yang sangat besar salah satu contohnya di percaya terjadi dalam galaksi M 87, sebuah koleksi dari sekitar 10¹² bintang yang terletak pada jarak 50 juta tahun cahaya. Material sepanjang 6000 juta tahun cahaya yang di pancarkan dari pusat M 87 pada laju sekitar 1/10 dari laju cahaya. Pada pusat galaksi sendiri, diperlihatkan di dalam lampiran, piringan berbentuk sebuah spiral dari gas panas melalui 300 tahun cahaya melingkar sekitar sebuah objek pejal yang tak terlihat pada pusat piringan. Keterangan yang paling masuk akal, walaupun ganjil, untuk kedua fenomena ini adalah adanya sebuah lubang hitam pada pusat piringan dengan massa sekitar 3x10⁹ kali massa Matahari. Pada model ini material dalam priringan spiral untuk membentuk piringan tumbuh yang panas dengan sekitar 10¹¹ km dari lubang hitam. Tetapi jari-jari Schwarzschild dari lubang hitam hanya sekitar 10¹⁰ km (hampir seukuran dengan orbit planet pluto yang mengelilingi matahari) dan tidak semua materi yang jatuh menumbuk sasaran yang relatif kecil ini. Material yang hilang terputar keluar pada laju yang sangat tinggi sepanjang sumbu perputaran dari piringan tambahan, dan gaya magnetik menyebabkan materi ini membentuk pancaran.

            Observasi astronomi pada M87 , mengindikasikan bahwa ada lubang hitam yang sangat masif pada pusat dari sejumlah galaksi. Sesungguhnya, saat ini sejumlah fakta yang sahih menyatakan bahwa sebuah lubang hitam dengan massa lebih dari 2x10⁶ kali massa Matahari terletak pada pusat dari galaksi Bimasakti. Observasi dan study teoretis tentang lubang hitam senantiasa menjadi area penelitian menarik yang sedang dan terus dilakukan dalam ilmu fisika dan astronomi modern.

Video Black Hole

Supermasive Black Hole in Galaxy Milky Way

Read More

Pencemaran Air dan Udara

Lingkungan merupakan segala benda, kondisi, keadaan dan pengaruh yang terdapat dalam ruang yang kita tempati dan mempengaruhi hidup setiap makhluk  hidup[1]. Manusia sebagai bagian dari alam juga mempengaruhi lingkungan berdasarkan tingkah perilakunya dan perubahan lingkungan juga akan mempengaruhi kehidupan manusia. Hubungan timbal balik antara manusia dengan lingkungannya membentuk suatu sistem yang disebut ekosistem.

Beberapa aktivitas manusia menggambarkan turunnya kualitas lingkungan seperti pencemaran sungai, kerusakan sumber daya alam, deforestasi, serta degradasi fungus hutan, musnahnya berbagai fauna dan flora, erosi, banjir, dan bahkan timbulkan berbagai jenis penyakit akibat penurunan fungsi lingkungan. Pencemaran lingkungan menimbulkan kerugian ekonomi, sosial, dan gangguan sanitasi.[2]

Komponen yang ada di alam diantaranya adalah air, udara, tanah dan api. Empat komponen itu sangat penting dalam kehidupan manusia. Air dan udara sebagai sumber kelangsungan makhluk hidup, sedangkan tanah sebagai sumber makanan tumbuhan dan tempat aktivitas makhluk hidup melakukan kegiatan.

Pencemaran adalah masuknya zat dalam lingkungan akibat aktivitas manusia ataupun proses alam sehingga lingkungan tidak mampu berfungsi sesuai dengan kedudukanya.[1] Undang-undang pokok pengelolaan lingkungan hidup Nomor 4 Tahun 1982 menyebutkan pencemaran merupakan aktivitas masuk dan dimasukkannya makhluk hidup, zat, energi, atau komponen lain kedalam lingkungan oleh kegiatan manusia atau proses alam sehingga kualitas lingkungan turun sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan lingkungan menjadi kurang atau tidak dapat berfungsi lagi sesuai dengan peruntukannya.[2] Pencemaran lingkungan dapat terjadi akibat lajunya pertumbuhan penduduk dan beban pencemaran yang semakin berat dari limbah industri dari berbagai zat kimia. Berikut beberapa pencemaran yang terjadi dilingkungan sekitar kita, antara lain:

A.    Pencemaran Air

Pencemaran air dapat terjadi pada berbagai sumber air seperti mata air, air tanah, waduk, sungai dan saluran buatan. Begitu juga perairan laut yang merupakan pusat penampungan air dari semua sumber pembuangan limbah juga akan tercemar. Pencemaran air dapat dilihat dari perubahan warna, tingkat kejernihannya dan kandungan oksigen di dalamnya.

Pengaksesan air bersih cukup sulit untuk saat ini, khususnya di Indonesia. Seiring perkembangan ekonomi dengan kapasitas penduduk yang besar tidak mampu menyediakan air dari alam sendiri. Faktor kurangnya air bersih disebabkan oleh alam dan manusia sendiri. Secara alami sungai mampu mempertahankan kondisi asalnya melawan bahan-bahan asing yang masuk ke dalamnya dengan kapasitas tertentu. Faktor alam disebabkan secara alamiah berdasarkan kondisi wilayah yang sulit menjangkau ketersediaan air. Faktor manusia disebabkan oleh keegoisan aktivitas manusia terhadap alam.

Gambar 1. Penyebab Pencemaran Air

Semakin meningkat kegiatan pembangunan diikuti dengan peningkatan pencemaran lingkungan oleh zat buangan limbah indutri, rumah tangga dan pertanian yang dapat membahayakan kehidupan manusia serta mengganggu kelestarian lingkungan. Pencemaran air menyebabkan sumber daya air sungai yang penting untuk irigasi cenderung menurun dari segi kuantitas maupun kualitasnya.

1.      Kategori dan Komponen Pencemaran Air

Komponen pencemaran zat cair terdiri dari ratusan ribu sisa zat kimia yang dialirkan ke sumber air. Komponen pencemaran air berasal dari limbah  industri, rumah tangga (pemukiman) dan pertanian. Berikut kategori dan komponen pencemaran air di lingkungan, antara lain:

a.       Limbah rumah tangga

Limbah rumah tangga terdiri dari organik dan anorganik. Pembuangan sampah ke hulu sungai akan tertimbun menyumbat saluran air dan mengakibatkan banjir. Semakin banyak sampah yang menyumbat saluran air akan meningkatkan pertumbuhan bibit penyakit, bakteri dan nyamuk. 

Limbah organik umumnya berupa limbah yang dapat membusuk atau terdegrasi oleh mikroorganisme, sehingga bila dibuang ke perairan akan meningkatkan pertumbuhan mikroorganisme. Jika kadar BOD meningkat tidak menutup kemungkinan terjadinya perkembangan bakteri pathogen yang berbahaya bagi manusia. Hasil sisa olahan makanan seperti protein dan gugus amino apabila didegrasi akan didegradasi akan terurai menjadi senyawa yang mudah menguap dan berbau busuk (NH₃). Hasil uraian tersebut mengakibatkan kadar oksigen dalam air turun drastis dan biota air mati. Hal ini juga akan menimbulkan cacing Tubivex berwarna kemerahan bergerombol. Cacing ini membuktikan seberapa parahnya limbah organik dari limbah pemukiman.

Limbah anorganik sukar diurai oleh mikroorganisme seperti logam. Apabila masuk ke perairan, maka akan terjadi peningkatan ion-on logam dalam air, sehingga air akan menjadi racun dan sangat berbahaya bagi tubuh manusia dan air tersebut tidak layak diminum. Limbah anorganik umumnya juga berbentuk padat seperti sampah dapat menyebabkan pelarutan, pengendapan maupun pembentukan koloidal. Pelarutan menunjukkan berat jenis air akan naik, terjadinya perubahan warna air, mengurangi penetrasi sinar matahari kedalam air dan pengurangan kadar oksigen, sehingga organisme dalam air akan terganggu. Endapan menunjukkan tertutupnya permukaan dasar air, penghalang datangnya sinar matahari dan sumber makanan dalam air. Pembentukan koloidal terjadi akibat bahan padat halus menyebabkan air berkeruh, sehingga menghalangi penetrasi sinar matahari dan fotosintesis, serta mengurangi kadar oksigen dalam air. Dampak dari limbah anorganic terhadap lingkungan mengakibatkan banjir yang akan dialami warga pemukiman saat perubahan cuaca dan pendangkalan dasar perairan.

Zat kimia juga tidak jauh dari kehidupan pemukiman. Zat kimia yang sering digunakan dalam keperluan rumah tangga antara lain sabun. Limbah sabun yang berlebihan ditandai dengan buih-buih sabun pada permukaan air. Dampak dari sabun terhadap lingkungan disebabkan oleh larutan sabun akan menaikkan pH air sehingga mengganggu kehidupan organisme air, bahan antiseptic yang ditambahkan ke dalam sabun dapat mengganggu bahkan mematikan mikroorganisme air, dan sebagian bahan sabun tidak dapat didegradasi oleh mikroorganisme yang menghambat kadar oksigen maupun fotosintesis.

b.      Limbah industri

Limbah industri berupa polutan organik yang berbau busuk, polutan anorganik yang berbuih dan berwarna, polutan asam belerang dan polutan cairan panas. Penyebab limbah industri terparah saat ini dimana terjadi kebocoran tanker minyak dapat menyebabkan laut tergenang dengan minyak hingga ratusan kilometer. Tumpahan minyak akan mengapung dan menutupi permukaan air. Penyusutan minyak akan terjadi dalam rentang waktu yang sangat lama untuk dapat terdegradasi oleh mikroorganisme. Tumpahan minyak mengancam kelangsungan ekosistem laut diantaranya ikan, terumbu karang, burung laut dan organism laut lainnya. Genangan minyak di permukaan air menghalangi difusi oksigen dari udara ke dalam air dan sinar matahari untuk fotosintesis. Cara mengatasinya, genangan minyak dibatasi dengan pipa mengapung agar tidak tersebar, kemudian ditaburi dengan zat yang dapat menguraikan minyak.

Polusi thermal adalah polutan cairan panas yang ditumpahkan kedalam air dari sisa limbah industri. Perubahan temperatur air menghambat proses biologis pada tumbuhan dan hewan bahkan akan menurunkan kadar oksigen dalam air. Akibatnya terjadi kepunahan ikan dan kerusakan ekosistem.

Zat pewarna kimia merupakan racun baik terhadap ekosistem maupun tubuh manusia itu sendiri. Zat pewarna kimia dapat merangsang pertumbuhan kanker. Zat pewarna kimia dapat mempengaruhi kadar oksigen dalam air dan pH yang menyebabkan gangguan bagi mikroorganisme dan hewan air. Zat radioaktif dari hasil limbah teknologi nuklir bidang pertanian, farmasi, kedokteran dan pertanian juga berbahaya bagi lingkungan dan manusia. Zat radioaktif ini dapat menimbulkan kerusakan biologis baik melalui efek langsung atau tertunda.

c.       Limbah pertanian

Limbah pertaniandapat mengandung polutan insektisida yang dapat mematika biota sungai. Zat ini merupakan racun bagi manusia dan hewan. Upaya pencegahan dengan memilih insektisida berspektrum sempit untuk membunuh hewan sasaran serta bersifat biodegradable (terurai secara biologi) dan melakukan penyomprotan sesuai dengan aturan. Gunakan pupuk organik yang mudah larut dalam airagar dapat menyuburkan lingkungan air (eurofikasi). Air kaya akan nutrisi, ganggang dan tumbuhan air semakin tumbuh subur. Penggunaan insektisida mengganggu ekosistem air, mematikan ikan dan organisme air. Oksigen dan sinar matahari yang dibutuhkan terhalang dan tidak masuk ke dalam air yang diperlukan organism air.

d.      Penangkapan ikan menggunakan racun.

Sebagian penduduk mengunakan tuba, potas ataupun aliran listrik untuk menangkap ikan. Hal ini menyebabkan kerusakan ekosistem sungai, sehingga bukan ikan tangkapan saja yang mati melaikan bioda air sungai lainnya juga ikut mati. Terjadinya ledakan populasi ganggang dan tumbuhan air (eutrofikasi).

2.      Aspek Pengendalian Pencemaran Air

Tiga aspek utama yang berkaitan dengan strategi pengendalian pencemaran air dapat dilakukan dengan kerjasama masyarakat dan instansi terkait, sebagai berikut:

     a. Aspek sosial kelembagaan merupakan prioritas utama dalam pengendalian pencemaran air dengan mengontrol pola perilaku masyarakat terhadap sumber daya alam dan kualitas lingkungan.

     b. Aspek manajemen perencanaan untuk mengindikasikan suatu instrument kebijakan yang dijadikan pedoman dalam pengendalian pencemaran termasuk pembagian peran antar intansi terkait.

   c. Aspek ekologi untuk melakukan upaya pencegahan pencemaran air melalui perbaikan kualitas lingkungan sekitar sumber air.[3]

Ketiga aspek diatas perlu direalisasikan dalam lingkungan dengan mengkoordinasikan semua instansi terkait dengan lingkungan dengan penerapan penerapan persyaratan prinsip-prinsip pengendalian pencemaran air terhadap rencana usaha/kegiatan yang mengajukan perizinan. Lakukan perhitungan daya tampung beban pencemaran air sebagai dasar penetapan izin lokasi bagi usaha/kegiatan, penetapan izin lingkungan untuk pembuangan air limbah ke sumber air, kebijakan pengendalian pencemaran air, dan penyusunan RTRW. Perlu adanya bimbingan terhadap pola perilaku masyarakat umum, petani dan industri melalui kegiatan sanitasi berbasis masyarakat, pengurangan penggunaan pupuk tunggal dan pestisida serta pengelolaan limbah industri. Masyarakat bisa dibimbing untuk memanfaatkan limbah organik untuk pupuk alami dan anorganik dijadikan sebuah produk dengan meningkatkan kreativitas masyarakat melalui kegiatan tertentu. Kegiatan ini membantu penjagaan lingkungan yang bersih dan juga membantu pertumbuhan ekonomi masyarakat.

B.     Pencemaran Udara

Pencemaran udara semakin hari semakin memburuk. Pencemaran udara diperkotaan merupakan permasalahan yang sangat penting dan memerlukan perhatian khusus dari pemerintah. Pencemaran udara dapat dianggap sebagai kejahatan lingkungan. Pencemaran udara menurut Undang-Undang Nomor 23 tahun 1997 pasal 1 ayat 12 mengenai Pencemaran Lingkungan yaitu pencemaran yang disebabkan oleh aktivitas manusia seperti pencemaran yang berasal dari pabrik, kendaraan bermotor, pembakaran sampah, sisa pertanian, dan peristiwa alam seperti kebakaran hutan, letusan gunung api yang mengeluarkan debu, gas, dan awan panas.

Menurut Peraturan Pemerintah RI nomor 41 tahun 1999 tentang Pengendalian Pencemaran Udara, pencemaran udara adalah masuknya atau dimasukkannya zat, energi, dari komponen lain ke dalam udara ambien oleh kegiatan manusia, sehingga mutu udara turun sampai ke tingkat tertentu yang menyebabkan udara ambien tidak dapat memenuhi fungsinya.

Gambar 2. Penyebab Pencemaran Udara

Pencemaran udara utama adalah akibat gas-gas buang kendaraan bermotor yang tiap tahun bertambah dengan cepat. 60% pencemaran udara disebabkan oleh kendaraan bermotor.[4] Polutan udara yang menyumbang 85% pencemaran udara yang mengandung timah hitam (dikenal juga dengan nama timbal dan Plumbum), SPM, oksigen nitrogen (NO_x), Sulfur dioksida (SO₂), Hidrokarbon (HC), karbonmonoksida (CO), karbon dioksida (CO₂) dan oksida fotokimia. Semakin banyak jumlah semakin meningkat pencemaran udara di lingkungan.

Masuknya bahan pencemaran udara kedalam tubuh manusia melalui inhalasi, ignestasi dan penetrasi kulit. Inhalasi merupakan masuknya bahan pencemar udara ke tubuh melalui pernafasan. Ignestasi adalah masuknya bahan pencemar udara yang kadar cukup besar melalui makan dan minum. Sedangkan penetrasi adalah masuknya bahan pencemaran udara melalui jaringan kulit yang menyebabkan dermatitis dan alergi saja, tetapi sebagian lain khususnya pencemar organik dapat melakukan penetrasi kulit dan menimbulkan efek sistemik. Pencemaran udara dapat meningkatkan pertumbuhan virus, jamur dan bakteri yang menimbulkan infeksi dan reaksi alergi.

Tumbuh-tumbuhan memiliki reaksi yang besar dalam menerima pengaryh perubahan atau gangguan akibat polusi udara dan perubahan lingkungan. Adapun factor yang mempengaruhinya yaitu spesies tanaman, umur, keseimbangan nutrisi, kondisi tanaman, temperature, kelembaban dan penyinaran.

1.      Dampak Pencemaran Udara

Adapun penyebab pencemaran udara yang berdampak terhadap lingkungan diantara lain adalah:

a. Zat-zat pencemar udara menimbulkan dampak terhadap lingkungan atmosfer yang lebih besar seperti hujan asam, kerusakan lapisan ozon stratosfer, dan perubahan iklim global.[5]

   b. Karbon monoksida merupa senyawa beracun yang mengikat hemoglobin (Hb) yang berfungsi mengantarkan oksigen keseluruh tubuh. Hal ini dapat menimbulkan gejala sesak napas bahkan menyebabkan kematian.

     c. Timbal mempunyai dampak akut terhadap kesehatan. Timbal tidak mampu terikat oleh unsur lain, sehingga mampu bersikulasi keseluruh jaringan tubuh dan merusak organ penting seperti serangan jantung, hipertensi, serta gangguan dan kelainan otak pada anak-anak.

    d. Timbal dapat ditanggulangi dengan penanaman tumbuhan peneduh sebagai bioindikator seperti pohon trembesi (Samanea saman) sebagai penyerap timbal dan pohon asam (Tamarindus indica L.) sebagai penyerap karbon.

      e. Tanaman yang mengalami gangguan nutrisional dan atraksional biologis dapat menurunkan tingkat kandungan enzim, gangguan respon fisiologis berupa penurunan sistem fotosintesa, chlorosis (perusakan zat hijau daun), Flecking (daun bitnik-bintik) Reduced crop yield (penurunan hasil panen).

     f. Pencemaran udara pada material menyebabkan perkaratan dan kemampuan elektris pada permukaan logam, kotornya bangunan, serta pelapukan batuan dan kulit oleh sulfur dioksida.

    g. Meningkatnya hujan asam akibat peningkatan senyawa asam sukfat dan nitrat yang terlarut dalam hujan.[6]

2.      Penanggulangan Pencemaran Udara

Pencemaran udara dapat ditanggulangi dengan pembangunan kawasan penghijauan seperti kawasan Green Belt. Adanya Green Belt tersebut antara lain dapat berperan sebagai :

a.       Penahan dan Penyaring Partikulat.

Lahan Green Belt yang ditanami pepohonan dengan tajuk pohon yang tinggi dan rapat dapat membersihkan partikel padat yang tersuspensi yang melayang akan terjerap (menempel) pada permukaan daun, terutama daun yang berbulu dan permukaan yang kasar.

b.      Penyerap dan Penapis Bau

Lahan Green Belt disiapkan utuk mengurangi tingkat kebauan dapat dilakukan dengan menyiapkan tanaman dengan kemampuan menyerap bau secara langsung atau dengan mengembangkan penanaman tanaman yang menghasilkan bau harum sehingga dapat menetralisir bau busuk dan menggantinya dengan bau harum, seperti cempaka, dan tanjung.

c.       Peredam Kebisingan

Lahan Green Belt disiapkan untuk mengantisipasi kebisingan dari sumber kawasan industri, memerlukan karakteristik tegakan pohon peredam kebisingan dengan tajuk tebal dan daun yang rindang. Daun-daun tegakan pohon tersebut menurut hasil kajian mampu menyerap kebisingan higga 95%.[7]

Upaya pengendalian pencemaran udara akibat kendaraan bermotor yang mencakup upaya-upaya pengendalian baik langsung maupun tidak langsung, akan dapat menurunkan tingkat emisi dari kendaraan bermotor secara efektif antara lain :

a.       Mengurangi jumlah mobil lalu lalang. Misalnya dengan jalan kaki, naik sepeda, kendaraan umum, atau naik satu kendaraan pribadi bersama teman-teman (car pooling).

b.      Selalu merawat mobil dengan saksama agar tidak boros bahan bakar dan asapnya tidak mengotori udara.

c.       Meminimalkan pemakaian AC. Pilihlah AC non-CFC dan hemat energi.

d.      Memilih bensin yang bebas timbal  (unleaded fuel) seperti biodiesel.[8]

Pemerintah dan masyarakat harus bekerja sama dalam menanggulangi pencemaran udara. Pemerintah berusaha membenahi sektor transportasi umum dan membatasi izin penggunaan alat transportasi pribadi. Pemerintah dan masyarakat harus belajar dari kota-kota di negara maju. Mengembangkan teknologi transporasi seperti merealisasi MRT dan Electronic Road Pricing (ERP). Peraturan lalu lintas, rambu-rambu dan tindakan tegas terhadap pelanggaran, serta penanaman pohon dipinggir jalan untuk mengurangi pencemaran udara.

---

[1] R.T.M Sutamirardja, Kualitas dan Pencemaran Lingkungan, Institut Pertanian Bogor, Bogor, 1978, hlm.1.

[2] Peraturan Undang-undang Pokok Pengelolaan Lingkungan Hidup Nomor 4 Tahun 1982, diakses dari ………………………………………………………………………………

[3] Dyah Agustiningsih, dkk., Analisis Kualitas Air dan Strategi Pengendalian Pencemaran Air Sungai Blukar Kabupaten Kendal, Jurnal Presipitasi, Vol. 9, No.2, September 2012, h. 69

[4] Saepudi, Aep, Tri Admono, Kajian Pencemaran Udara Akibat Emisi Kendaraan Bermotor di DKI Jakarta, (Jakarta : LIPI, 200), h. 29-30.

[5]Sengkey Linna, Sandri, Freddy Jansen, Steeni Wallah, Tingkat Pencemaran Udara Co Akibat Lalu Lintas dengan Model Prediksi Polusi Udara Skala Mikro, Jurnal Ilmiah Media Engineering, Vol. 1, No. 2, Juli 2011, hal 120 

[6]Afif Budiyono, Pencemaran Udara : Dampak Pencemaran Udara pada Lingkungan, Berita Dirgantara, Vol.2, No.1, Maret 2001, h.21-26

[7]Joko P. S. dan Wage K., Pembangunan Green Belt sebagai Antipasi Pencemaran Udara Industri Pupuk di Kalimantan Timur, Jurnal  Teknologi Lingkungan, Vol. 19, No. 2, Juli 2018

[8] Ismiyati, dkk, Pencemaran Udara Akibat Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor, Jurnal Manajemen Transportasi & Logistik (JMTransLog), Vol.01. No.6G, November 2014, h. 247

---

[1] Harun M. Husein, Lingkungan Hidup Masalah, Pengelolaan dan Penegakan Hukumnya, Bumi Aksara, Jakarta, 1995, hlm.7. 

[2] R.T.M Sutamirardja, Kualitas dan Pencemaran Lingkungan, Institut Pertanian Bogor, Bogor, 1978, hlm. 3.

Read More