Teori Pembentukan Tata Surya

Teori ataupun hipotesis kosmogoni modern yang pertama sebenarnya telah diperkenalkan oleh seorang filsuf dan ahli Matematika Perancis Renè Descartes pada tahun 1642-4, di mana justru nantinya argumennya dapat dijelaskan melalui teori gravitasi Newton.

Dinyatakan bahwa Tata Surya berasal dari awan partikel yang berputar mirip pusaran air dengan orbit mendekati lingkaran (vortices of swirling particles).

Cikal bakal Matahari berada di pusat dan calon planet berada pada pusaran utama (piringan cakram materi pembentuknya), sedangkan satelit ada pada pusaran tambahan di sekitar pusaran calon planet.

Adapun penjelasan tentang bagaimana mekanisme partikel awal saling berkumpul membentuk cikal bakal Tata Surya tidak diurai jelas.

Pada analisis inilah, pada masa kemudian dijabarkan melalui teori gravitasi.
Adapun pusaran materi yang akhirnya mendorong terbentuknya planet atau satelit pada masa kemudian diselisik melalui terbentuknya gerak turbulensi.

Bila kita perhatikan aliran air di sungai yang terhalang bebatuan, sering didapati adanya pusaran-pusaran. Kira-kira seperti inilah gerak turbulensi.

Pada perkembangan berikutnya, awan partikel cikal bakal Tata Surya lambat laun digantikan dengan adanya nebula (materi antar bintang) yang semakin banyak ditemukan di segenap pelosok alam semesta (walau awalnya tidak terbedakan, apakah yang dijumpai memang benar nebula atau benda langit lain semisal galaksi, yang baru mulai terkuak ketika disadari bahwa Nebula Andromeda ternyata adalah galaksi besar tetangga terdekat galaksi kita Bima Sakti).

Pada tahun 1734 muncul pertama kali gagasan asal muasal Tata Surya dari hadirnya nebula oleh astronom Swedia, Emanuel Swedenborg (1688 – 1772).

Ide ini disambut oleh Immanuel Kant (1724 – 1804) dari Jerman tahun 1755 melalui bukunya Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels (pen.:

Sejarah Alam Universal dan Teori tentang Langit) dan dilengkapi secara terpisah oleh Marquis Pierre Simon de Laplace (1749 – 1827) dari Perancis tahun 1796 dalam bukunya Exposition du systeme du monde (pen.: Peragaan Langit).

Teori mereka dikenal sebagai Hipotesis Nebula. Sebutan lainnya Teori Kant–Laplace atau Teori Kabut.

Teori ini menyebutkan bahwa Tata Surya berasal dari proses kondensasi (sederhananya: menggumpal) kabut materi (protosolar nebula) berwujud materi campuran gas dan debu berukuran jauh lebih besar dari ukuran Tata Surya.

Materi seperti ini sekarang sangat banyak ditemui di alam semesta. Lambat laun materi ini berputar berotasi dan ini tidak lepas dari interaksi ataupun dampak adanya gaya gravitasi antar materi yang ada.

Adonan Tata Surya ini akhirnya mengerut yang berdampak rotasinya semakin cepat yang membuatnya menjadi memipih layaknya bentuk cakram (layaknya adonan martabak telur, diputar-putar akhirnya memipih).

Massa materi terkumpul atau terkonsentrasi di pusat. Akibat putaran, maka pusat yang makin padat akan semakin panas.

Terbentuklah protostar (protobintang atau janin bintang). Proses ini disebut kondensasi utama (penggumpalan utama).

Sementara itu, di sayap cakram pun terjadi proses kondensasi berikutnya dalam rupa cincin-cincin materi membentuk protoplanet, berlanjut hingga terbentuknya protosatelit.

Kadang bila nebulanya bermassa sangat besar, akan terjadi tahapan kondensasi yang berulang dan ini disebut proses fragmentasi.

Teori ini secara dinamika ternyata masih banyak kendala, khususnya tentang kaitan antara cepatnya gerak edar planet dengan lambatnya rotasi Matahari.

Selain itu, mekanisme pada proses pembentukan cincin-cincin materi pada awal penggumpalan pun masih belum dapat dijelaskan. Keberatan ini datang utamanya dari James Clerk Maxwell.

Adapun Sir David Brewster (1781 – 1868, Inggris) menyatakan, apabila Bumi terbentuk dari pusaran utama bentukan Matahari sedemikian Bumi punya atmosfer dan banyak terdapat air, maka seharusnya Bulan pun demikian (Kasus ini yang kini menjadi alternatif penelitian asal muasal terbentuknya Bulan, yaitu dalam analisis hipotesis tangkapan – capture model.

Bulan tidak terbentuk bersamaan dengan Bumi dan tidak juga melalui proses pelepasan materi Bumi.)

Menyimak vortex model dan hipotesis nebula, sebenarnya secara garis besar beranjak dari landasan dan mekanisme yang mirip.

Penelitian ini terus berlanjut dan bersamaan muncul gagasan pada tahun 1749 yang sama sekali baru dan berbeda dalam landas acunya dari Georges-Louis Leclerc Comte de Buffon, ahli Matematika Perancis.

Planet, satelit, atau benda kecil lainnya terbentuk dari puing-puing atau reruntuhan tumbukan sebuah komet besar dengan Matahari.

Yang menjadi pertanyaan pada penelitian selanjutnya adalah seberapa besar ukuran komet, karena saat itu mulai diketahui bahwa ukuran Matahari luar biasa besar dan komet teramat sangat kecil (beberapa puluh km saja).

Teori ini tahun 1796 telah diruntuhkan oleh Laplace melalui permodelan Matematika dan Fisika. Sejak saat itu hingga kini telah menjadi sekedar catatan sejarah ilmu pengetahuan saja dan sudah ditinggalkan.

Namun demikian, bahwa terjadinya penggumpalan dari remah-remah akibat tumbukan sebenarnya dipakai juga pada pendapat yang muncul kemudian, yaitu hipotesis planetesimal. Lebih lanjut kalau ditelaah, pada sebagian proses pun sejalan dengan vortex model dan hipotesis nebula.

Bagaimana pun materi tadi harus menggumpal atau berakumulasi membentuk sesuatu (proses akresi) karena adanya gaya tarik menarik (gaya gravitasi) yang kala itu telah dikembangkan oleh Newton.

Sumber gambar
Astronom Amerika Serikat Forest Ray Moulton (1900) menunjukkan bahwa ada ketidaksesuaian antara hipotesis nebula dengan hasil observasi berbasis penelitian momentum sudut  benda yang berpusar.

Pada tahun 1904-5 bersama pakar geologi yang juga dari negaranya, Thomas Chrowder Chamberlain menawarkan ide baru, yaitu hipotesis planetesimal.

Pengamatannya terhadap bentuk nebula spiral makin menguatkan pandangannya. Namun, nyatanya nebula ini bukanlah nebula.

Diteliti oleh astronom Amerika Serikat Harold Shapley (1885 – 1972, yang menyimpulkan bentuk galaksi kita adalah spiral) dan Heber Doust Curtis (1872 – 1942, Amerika Serikat) bahwa nebula yang dilihat ternyata sebuah galaksi spiral.

Inipun butuh waktu observasi dan ragam perhitungan hingga 16 tahun kemudian. Secara umum bahwa ide dasar hipotesisnya memunculkan gagasan hipotesis pasang surut yang muncul kemudian.

Teori ini (Tidal Theory) dalam telaah pembentukan Tata Surya dikemukakan oleh astronom Inggris James Hopwood Jeans (1917, tidal/near-collision hypothesis) yang menyatakan bahwa Tata Surya diperkirakan terbentuk sebagai akibat melintasnya sebuah bintang dekat Matahari.

Sebagian materi Matahari tersedot dan terlempar ke luar kemudian membentuk planet-planet.

Teori ini terkendala dengan banyaknya kekurangan dalam analisis mekanikanya khususnya tentang lagi-lagi masalah kekekalan momentum sudut setelah diteliti tahun 1929 oleh Sir Harold Jeffreys seorang pakar Matematika, Statistik, Geofisika, dan sekaligus seorang astronom dari Inggris.

Juga oleh Henry Norris Russell, astronom Amerika Serikat yang juga terkenal sebagai pakar teori evolusi bintang, khususnya diagram evolusinya yang terkenal – Hertzsprung-Russell Diagram.

Lyman Spitzer (namanya diabadikan pada teleskop angkasa berbasis inframerah, “saudara” dari teleskop angkasa Hubble yang berbasis visual) pun menolaknya, dengan alasan apabila ada materi Matahari terlepas, maka materi akan terhambur – bukan terkondensasi atau menggumpal. Jadi tidak mungkin terbentuk planet.

Kendati demikian, gagasan adanya proses pembentukan planet melalui mekanisme planetesimal accretion dipertahankan hingga kini (dalam arti, dalam kondisi khusus bahwa mekanisme ini dapat terjadi. Namun, tidak pada Tata Surya).

Pada tahun 1937 – 1941, Ray Lyttleton menyimpulkan bahwa Matahari awalnya merupakan sistem bintang ganda (berdua atau pasangan bintang).

Pasangan Matahari mengalami tabrakan dengan bintang lain. Sisa ledakannya membentuk planet.

Alternatif berikutnya adalah sistem bintang bertiga dan dua bintang teman Matahari bertumbukan yang akhirnya menjadi planet-planet.

Hal ini mirip dengan Teori Bintang Ganda yang dikemukakan Russel 2 tahun sebelumnya (1935) yang menyatakan bahwa Matahari awalnya merupakan bintang kembar, salah satu komponennya meledak dan hancur.

Sisa-sisa materi ledakan tersebut tidak terlontar jauh akibat tarikan Matahari. Sisa materi inilah yang kembali bergumpal membentuk planet dan satelit.

Hal ini menjadi sulit ketika kita harus membahas komposisi jumlah massa Matahari dibandingkan dengan jumlah massa seluruh planet dan satelit.

Dalam pendapat Interstellar Cloud Theory yang ditawarkan pada tahun 1943 oleh astronom Soviet, Otto Schmidt, dinyatakan bahwa Matahari melewati daerah awan materi yang padat.

Melalui proses penarikan materi akhirnya terbentuk cakram materi di sekitar Matahari, berpusar (seperti teori sebelumnya), kemudian terbentuklah planet.

Banyak astronom Soviet yang bergabung untuk fokus pada teori ini, bahkan Lyttleton pun berkenan turut memodifikasinya berbasis mekanisme penggumpalan awan materi (mirip planetesimal).

Kombinasi ini pada akhirnya menyangkut ragam teori, baik pasang surut, pasangan bintang (sebut pada kasus di sini adalah adanya awan materi), proses akresi massa, planetesimal, dll. Demikian pula pengembangannya oleh Bondi dan Fred Hoyle sejak tahun 1944.

Fred Hoyle (1915 – 2001), astrofisikawan dan kosmolog Inggris yang terkenal dengan teori steady state dalam pembentukan Jagad Raya, pada tahun 1944 mengemukakan teori mirip teori bintang ganda, namun lebih fokus dan berlandas acu pada mekanisme ledakannya.

Awalnya Matahari merupakan sistem bintang ganda, bintang pasangan Matahari meledak sebagai supernova.

Ledakan tersebut cukup kuat untuk melontarkan sebagian besar massanya ke luar sistem Tata Surya, meninggalkan sisanya yang sedikit dan hanya cukup untuk membentuk planet-planet dan satelit (mempertimbangkan kendala bintang gandanya Lyttleton).

Permodelan mekanisme ledakan inilah yang belum tuntas sedemikian komposisi ataupun distribusi materinya belum sesuai dengan kondisi sekarang.

Teori yang sempat muncul di atas hingga kini sulit dibuktikan baik secara analisis teori maupun secara pengamatan. Namun, detail perhitungan kasus per kasus masih tetap dipertahankan.

Pada akhirnya mulai tahun 1944, berdasar kehadiran materi antar bintang dengan segala jenis sifat dan kandungannya, serta gerak acak (turbulensi) yang dimiliki materi tersebut – teori Kant-Laplace disempurnakan oleh Carl Friedrich von Weisszacker, seorang filsuf dan ahli Fisika Jerman.

Gagasannya sebenarnya juga merupakan pengembangan gagasan Descartes (Vortex Model).

Landasannya adalah masalah turbulensi pada materi antar bintangnya. Teorinya disempurnakan kembali tahun 1948 oleh Dirk Ter Haar, ahli fisika Belanda.

Namun, bagaimana kala waktu terbentuknya planet masih belum sesuai hasil penelitian bidang ke-planet-an.

Hasilnya, kala waktu terbentuknya planet terlalu singkat, beberapa juta tahun. Sementara itu, hasil telaah usia batuan (Bumi) mencapai orde milyard tahun (juga teori yang ada sekarang, termasuk usia Bulan).

Dari hasil penelitian yang dikombinasikan dengan data pengamatan, pada akhirnya teori kabut ataupun lainnya diracik ulang dan dikembangkan Gerard Peter Kuiper (1905 – 1973, astronom Amerika Serikat kelahiran Belanda, yang juga mendeteksi pertama kali adanya atmosfer di Titan, satelitnya Saturnus) sejak 1944 hingga 1950.

Berawal dari hadirnya materi purba atau materi antar bintang dan merupakan teori yang paling memenuhi syarat (kala itu) karena dapat menjelaskan lahirnya Tata Surya kita maupun Tata Surya lain setelah dibandingkan dengan data pengamatan yang salah satunya dibantu dengan ditemukannya planet-planet di luar Tata Surya.

Namun, teori ini sebenarnya merupakan gabungan ragam penelitian yang menyangkut antara lain mekanisme planetesimal, adanya protoplanet, analisis pusaran, turbulensi, pertimbangan momentum sudut (dinamika Tata Surya secara keseluruhan), dll.

Secara garis besar bahwa Tata Surya berasal dari bola gas–debu purba (nebula, materi antar bintang bertemperatur rendah dan kerapatan sangat kecil, namun radiusnya luar biasa besar).

Adanya gaya gravitasi antar molekul menyebabkan adanya pergerakan, lalu timbul pusaran-pusaran dan pemampatan pada tempat-tempat tertentu (secara lokal tergantung parameter yang terlibat). Saat ini berlangsung, secara bersamaan proses pemipihan pun terjadi.

Gumpalan yang berkumpul di tengah menjadi cikal bakal Matahari, sedangkan gumpalan lainnya menjadi planet-planet (ingat turbulensi Weisszacker).

Bentuk keseluruhan menyerupai cakram materi yang berputar yang mana 95% materi terkonsentrasi di pusat.

Lainnya di sayap cakram, kondensasi membentuk calon planet/satelit. Pada saatnya nanti, janin Matahari berhasil membangkitkan reaksi nuklir di pusatnya sebagai akibat dari makin padat materinya, makin cepat putarannya, dan semakin panas.

Tahap berikutnya, energy yang semakin besar di pusat perlahan terhambur keluar. Apabila segala kondisi terpenuhi, lahirlah Matahari sebagai bintang sejati (memancarkan energi dalam semua rentang panjang gelombang).

Tekanan radiasi dan angin Matahari (Solar Wind) membubuskan sisa gas dan debu termasuk yang menyelimuti protoplanet sedemikian tinggallah teras planet yang telanjang.

Dalam kasus Tata Surya, terbentuklah planet kebumian (terrestrial planets, inner planets) yang atmosfernya tipis, berukuran kecil dan padat. Untuk protoplanet yang jauh dari Matahari, materi selubung ini tidak semua terbubuskan.

Terbentuklah planet seperti planet gas/es raksasa (Jovian Planets, outer planets). Akhirnya radiasi Matahari ini mengusir sisa materi lainnya ke tepian nan jauh menjadi cikal bakal materi Sabuk Kuiper, materi antar planet (cikal bakal meteor misalnya), dan materi Awan Oort yang kesemuanya terkait hadirnya komet dan meteor.

Usia Tata Surya diduga kisaran 4,5 milyard tahun (Matahari kisaran 5 milyard tahun). Istilahnya, anggota Tata Surya selain Matahari baru terbentuk setelah ratusan juta tahun lahirnya Matahari sebagai bintang (Ingat kendala yang dialami Weisszacker dan Dirk Ter Haar).

Teori Kabut yang dikembangkan sejak Descartes, Kant-Laplace, Weisszacker, hingga Kuiper pada saat sekarang sudah dapat untuk diperiksa ulang tatkala para astronom berhasil menemukan banyak nebula (materi antar bintang), janin bintang (protostar), hingga hadirnya planet di nun jauh di sistem bintang selain Matahari di segenap pelosok Jagad Raya melalui baik teleskop landas Bumi hingga teleskop maupun wahana antariksa.

Salah satu penemuan awal hadirnya cikal bakal Tata Surya di luar sana dalam ujud cakram materi yang berpusar adalah obyek langit bernama Beta Pictoris (lihat gambar 4).

Lokasinya di arah rasi bintang Pictor, berjarak kisaran 63 tahun cahaya. Pertama kali dideteksi berbasis satelit inframerah (IRAS) pada tahun 1983.

Diketahui temperatur di daerah piringan gas dan debu kisaran 100 K dan berjejari 600 satuan astronomi (1 au = 150 juta km).

Gambaran piringan berhasil dicitrakan lebih detail oleh Richard Terrile dan Bradford Smith dengan teleskop landas Bumi, yaitu teleskop berdiameter 2,5 m yang berlokasi di observatorium Las Campanas.

Saat itu diketahui bahwa bintang ini tergolong bintang deret utama seperti Matahari (kelas spektrum: A3V) dengan prakiraan usia mencapai 20 juta tahun (bandingkan Matahari kisaran 5 milyard tahun).

Secara kasat mata bintangnya termasuk cukup terang dengan magnitudo visual 3,85 (batas umum penglihatan kita umumnya adalah magnitudo 6 dan bila angkanya makin kecil, maka bendanya makin terang).

Hal ini lebih terdeteksi rinci dengan bantuan bidikan teleskop angkasa Hubble.