Modul 22: Gugus dan Populasi Bintang

Oleh: Mochammad Miftahul Fahmi

A. Pendahuluan

Gugus bintang pertama diidentifikasi oleh Viktor Amazaspovich,

astronom Rusia yang mengidentifikasi daerah bintang-bintang muda yang

tampak menyebar (scatter) pada tahun 1947.

Gugus bintang atau biasa disebut star cluster sendiri merupakan

kumpulan dari bintang (yang jumlahnya hingga ratusan juta) yang terikat

secara gravitasi. Bintang-bintang anggota gugus ini pada umumnya merupakan

bintang-bintang yang lahir dari kumpulan gas dan debu yang sama. Pada

mulanya, gas dan debu tersebut berinteraksi satu sama lain, memampat dan

mengkerut, hingga suhu dan tekanan yang tepat untuk terbentuknya suatu

bintang. Kumpulan gas dan debu tersebut cukup luas hingga menghasilkan

ribuan bahkan miliaran individu bintang. Kemudian bintang-bintang baru lahir

tersebut akan terikat dengan gravitasi satu sama lain, membentuk gugusan yang

disebut gugus bintang (star cluster). Istilah gugus juga sering digunakan

sebagai penyebutan dalam kumpulan grup galaksi yang disebut gugus galaksi.

B. Gugus Terbuka

Gugus terbuka memiliki anggota bintang-bintang muda yang cukup panas

(kelas O, B, atau A), biasanya masih diselimuti oleh gas dan debu; HII region (T

Tauri Star), dan yang khas yaitu sebaran bintangnya yang belum simetri.

Source: abyss.uoregon.edu

Mengapa hal ini bisa terjadi? Beberapa faktor dapat terjadi seperti

1. Hal ini disebabkan bintang-bintang muda tersebut berawal dari gas dan debu

yang tentunya bentuknya tidak simetris juga, menyebabkan pembentukan

bintang yang tidak homogen di setiap area debu.

2. Energi kinetik bintang-bintang yang beragam,

3. Rotasi differensial Galaksi (tidak keplerian), dan

4. Gangguan gravitasi eksternal (dari luar gugus).

Perhatikan gambar gugusan muda berikut

Gambar 1: Gugus muda Pleiades, Messier 45 di rasi Taurus

Gambar 2: Messier 6, NGC 6405 (kiri) dan Messier 7, NGC 6475. Keduanya terletak di rasi Scorpius.

Source: google images

Dengan demikian, gugus terbuka atau open cluster memiliki karakteristik umum:

- Jumlah relatif sedikit (puluhan hingga ribuan bintang),

- Umurnya relatif muda (bintang populasi 1),

- Banyak memiliki bintang biru,

- Dikelilingi oleh gas dan debu; HII Region (merupakan ciri bahwa umur bintang

relatif muda),

- Bentuknya yang tidak simetri,

untuk Gambar 2 di atas, ke-tidaksimetrian-nya terlihat dengan bentuknya yang

seperti kupu-kupu (Messier 6, Butterfly Cluster berumur sekitar 100 juta tahun).

- Banyak ditemukan di daerah lengan galaksi spiral (karena kaya akan debu, dan

proto-star atau calon bintang) dan daerah disk (piringan) galaksi.

Gambar 3 Disk galaksi banyak memiliki debu dan gas pembentuk bintang muda- astro.psu.edu

Apabila kita telaah tiap anggota gugus terbuka dan menuangkannya ke

dalam diagram Hertsprung-Russel, maka semua anggota dari gugus terbuka akan

berada di daerah deret utama (main squence).

Source: Puji Irawati, ITB dan www.astrophysicsspectator.com

C. Gugus Bola

Apabila gravitasi dari gugus terbuka mulai seimbang, dan terikat dengan

gravitasinya sendiri (maksudnya adalah tidak banyak terpengaruh oleh gaya

gravitasi eksternal), maka sistem gugus tersebut akan tervirialisasi, di mana

teorema virial (akan dibahas di akhir bab) akan berlaku untuk gugus tersebut.

Akibat dari gugus yang tervirialisasi adalah bentuk gugus akan simetri,

bentuknya menyerupai bola dengan jumlah miliaran bintang di dalamnya. Gugus

seperti ini disebut dengan Gugus Bola, atau Globular Cluster.

Gugus Bola bermula dari gugus terbuka, mereka juga lahir dari gas dan

debu dengan evolusi awal yang sama. Seiring berjalannya waktu, gugus terbuka

akan berevolusi lebih lanjut sehingga gas dan debu di sekitarnya menipis

(karena angin bintang, dan tarikan gravitasi). Bintang-bintang mulai terikat

secara kuat oleh gravitasi satu sama lain dan terdistribusi merata membentuk

satu sistem yang seimbang. Bentuknya yang awalnya tidak simetri, perlahan

selama miliaran tahun akan berbentuk simetri bola. Jumlah anggotanya juga jauh

lebih banyak dibanding gugus terbuka (sekitar 105 bintang).

Berikut contoh gugus bola, perhatikan perbedaanya dengan gugus

terbuka,

Messier 13, Great Globular Cluster in Hercules

Radius ~ 84 tahun cahaya dengan umur ~ 11,7 miliar tahun

NGC 5139, Omega Centauri Cluster . source: wikipedia.com

Radius ~ 86 tahun cahaya dengan umur ~ 11,5 miliar tahun

Messier 4, Globular cluster in Scorpius . source: wikipedia.com

Radius ~ 35 tahun cahaya dengan umur ~ 12 miliar tahun

Ciri-ciri utama dari gugus bola adalah sebagai berikut:

- Jumlah bintang yang sangat banyak (mencapai 105 bintang).

- Umur yang sangat tua, bahkan hingga mencapai 12 miliar tahun (sebagai

perbandingan, umur alam semesta diperkirakan sekitar 13,7 miliar tahun).

- Anggotanya bintang-bintang tua (populasi 2) dan berevolusi lanjut.

- Sedikit gas dan debu, karena aktivitas angin bintang, gravitasi bintang, maupun

evolusi bintang.

- Berbentuk bola, alias simetris.

- Banyak ditemukan di daerah halo galaksi.

Source: spacetelescope.org

Diagram HR untuk bintang-bintang anggota gugus terbuka adalah seperti

Anggota bintang gugus bola cenderung

meninggalkan deret utama, karena banyak

bintang tua yang mengalami evolusi

lanjut (red giant hingga white dwarf).

Source: Puji Irawati, ITB

D. Perbandingan antara Gugus Terbuka dan Gugus Bola

Perbedaan antara kedua jenis gugus di atas ringkasnya adalah sebagai berikut

Pembeda Gugus Terbuka Gugus Bola

Bentuk

Tidak beraturan (asimetris),

biasanya dicirikan dengan namanya

yang unik, seperti butterfly cluster,

ptolemy cluster, dll.

Simetri bola

Jumlah

anggota100 - 1000 105 - 106

Dominasi

bintang

Bintang muda dan panas, T Tauri

star

Bintang tua evolusi

lanjut

Umur Relatif muda (orde juta tahun) Tua (orde miliar tahun)

Distribusi di

galaksiTersebar di piringan

Banyak di halo galaksi,

isotropik radial (di

dekat galaksi makin

rapat)

Keberadaan

debu materi

antar

bintang

Melimpah dan menyelimuti bintang Sangat minim

Dalam sajian diagram HR:

waktu

Gambar 3: evolusi gugus bintang, tampak bintang-bintang anggota gugus mulai

meninggalkan deret utama.

E. Parameter Fisis Gugus Bintang

Beberapa parameter fisis yang dapat ditentukan dari suatu bintang adalah

1. Jarak gugus bintang

Jarak gugus dapat ditentukan salah satunya dengan pengamatan fotometri

bintang yang ada pada gugus, apabila diketahui magnitudo mutlaknya,

menggunakan persamaan pogson

d=10m−M +5−A

5

Dengan:

d = jarak gugus ke pengamat (parsek)

m = magnitudo semu

M = magnitudo mutlak

A = efek absorpsi oleh materi antar bintang

Diagram HR beberapa gugus bintang.

Dapatkah kamu menentukan mana gugus terbuka dan

mana yang gugus bola?

Source: Puji Irawati, ITB

2. Radius gugus bintang

Radius gugus dapat ditentukan misalnya dengan diameter sudut dari gugus

tersebut. Dengan menentukan jaraknya terlebih dahulu, maka

tan (α )=2 Rd

α = diameter sudut gugus dilihat oleh pengamat

R = radius linear gugus

d = jarak gugus ke pengamat (parsek)

3. Umur gugus

Umur gugus dapat ditentukan dengan main squence fitting and isochrone,

yaitu membandingkan diagram HR standar (lengkap dengan data metalisitas

(Fe/H)) dengan data pengamatan.

Main squence lingkaran putih merupakan data pengamatan, garis tebal

merupakan diagram HR standar yang akan di-fit dengan data pengamatan.

Source: IOAA 2015, Indonesia Guest Team poster competition

4. Massa gugus

Khusus untuk globular cluster,

dapat ditentukan dengan teorema

virial. Singkatnya,

E k=−12Epg

Dengan:

Ek = energi kinetik

Epg= energi potensial gravitasi sistem, dapat ditentukan secara teoritas

menggunakan kalkulus.

Epg=−GM 2

R.35

G = konstanta gravitasi

M = massa gugus

R = radius gugus,

semua dalam satuan SI agar mempermudah.

F. Populasi Bintang

Pada tahun 1944, Walter Baade, astronom asal Jerman membagi bintang menjadi

2 jenis, yaitu bintang populasi I dan bintang populasi II.

- Bintang Populasi I merupakan bintang-bintang muda dan panas,

- Bintang Populasi II merupakan bintang yang tua dan mengalami evolusi lanjut.

Bintang Populasi I Bintang Populasi II

Bintang-bintang muda Bintang-bintang tua

Berwarna biru, banyak merupakan

bintang maharaksasa biru

Berwarna merah, banyak

merupakan bintang maharaksasa

merah.

Dari pengamatan spektroskopi,

banyak bintang memiliki garis

logam kuat, ada juga yang lemah

(contoh Matahari).

Mengandung unsur berat yang

lebih sedikit dibanding populasi I,

karena tercipta dari gas dan debu

yang dominan hidrogen maupun

unsur ringan lainnya.

Latihan Soal Modul 22

Pilihlah salah satu dari jawaban a, b, c, d atau e untuk setiap nomor soal!

Hal yang dibahas di tiap soal di bawah ini mungkin ada yang di luar modul bab 22

ini, namun penulis sengaja melakukannya agar Anda bisa belajar dengan banyak

sumber dan me-management ilmu yang banyak Anda dapatkan! Good luck!

1. Pilih mana yang BENAR

a. Dengan menggunakan pengamatan distribusi gugus bola, Shapley di awal abad

ke 20 menyimpulkan bahwa Galaksi kita berpusat di Matahari

b. Bintang muda dan panas dalam Galaksi kita terdistribusi pada lengan spiral

dan halo Galaksi

c. Semua galaksi dalam jagat raya mempunyai bentuk spiral

d. Kalau diamati secara spektroskopik semua galaksi yang jauh dalam jagat raya

memperlihatkan pergeseran merah (redshift)

e. Kalau diamati secara spektroskopik sebagian galaksi memperlihatkan

pergeseran merah (redshift) dan sebagian lagi memperlihatkan pergeseran biru

(blueshift).

2. Harlow Shapley menyimpulkan bahwa Matahari tidak berada di pusat Galaksi

Bimasakti, dengan menggunakan hasil...

a. pemetaan distribusi bintang di galaksi

b. pemetaan distribusi gugus bola di galaksi.

c. melihat bentuk “pita susu” (milkyway) di langit.

d. melihat galaksi spiral di sekitar Bimasakti

e. pemetaan distribusi awan gas di lengan spiral.

3. 3. Metode Main Squence Fitting digunakan untuk mencari jarak …

a. Ekstragalaksi

b. Bintang ganda

c. Gugus bintang

d. a dan b benar

e. a dan c benar

4. Berikut ini merupakan objek-objek untuk menelusuri lengan spiral galaksi,

kecuali :

a. Dark cloud

b. Bintang asosiasi A dan B

c. Daerah HII

d. Gugus bola

e. Gugus galaktik

5. Gugus bola...

a. terutama terdapat dalam halo Galaksi.

b. terutama terdapat dalam bulge Galaksi.

c. mengandung banyak bintang yang muda dan panas.

d. merupakan tempat yang baik untuk mencari supernova masif.

e. terdistribusi secara asimetris di dalam Galaksi.

6. Bintang-bintang di dalam sebuah rasi adalah kelompok

a. bintang sejenis

b. bintang jarak berdekatan

c. bintang dalam gugus

d. bintang pola rekaan

e. bintang berumur sama

7. Perhatikan rasi berikut!

Salah satu gugus yang terletak di rasi tersebut adalah... (M adalah messier)

a. M8b. M15c. M20d. M69e. M81

8. Perhatikan gambar diagram HR berikut!

Di atas adalah plot diagram Hertzprung-Russel (HR) dari 4 buah gugus bintang.

Garis putus-putus adalah posisi bintang seperti Matahari kita. Pernyataan di

bawah ini adalah kesimpulan yang dapat diambil dari analisa ke-empat diagram

HR diatas adalah

1) D-A-B-C adalah urutan diagram HR gugus berdasarkan umurnya dari yang

paling muda hingga ke paling tua

2) Bintang bermassa rendah lebih banyak dari bintang bermassa besar

3) Bintang sekelas Matahari pada diagram B sama umurnya dengan bintang

sekelas Matahari pada diagram D

4) Umur gugus bintang pada diagram A sama dengan kala hidup matahari di

deret utama

a. Pernyataan 1, 2 dan 3 benar

b. Pernyataan 2 dan 4 benar

c. Pernyataan 1 dan 3 benar

d. Pernyataan 3, dan 4 benar

e. Semua pernyataan diatas

benar

9. Di dalam gugusan suatu gugus bintang terdapat 50 buah bintang. Bintang-

bintang di dalam gugus itu kemudian dikelompokkan berdasarkan ukurannya

menjadi kelompok bintang berukuran besar dan berukuran kecil. Ternyata ada

27 bintang yang termasuk kategori besar. Selain itu dikelompokkan juga

berdasarkan temperaturnya menjadi dua kelompok, bintang bertemperatur

tinggi dan rendah. Ternyata ada 35 bintang yang termasuk kategori

bertemperatur tinggi. Jika ada 18 bintang besar dan bertemperatur tinggi, ada

berapa banyak bintang kecil yang bertemperatur rendah ?

a. 4 bintang

b. 5 bintang

c. 6 bintang

d. 7 bintang

e. 8 bintang

10. Perhatikan tabel berikut

No.

Jarak Bintang (parsek) Jumlah Bintang

1 18 – 19 32 20 – 21 53 21 – 22 74 23 – 24 85 24 – 25 2

Di atas adalah tabel paralaks trigonometri (plx) dari 25 sampel buah bintang

anggota gugus terbuka XYZ. Jarak rerata dan simpangan baku dari bintang-bintang

anggota gugus XYZ terhadap Matahari sesuai tabel tsb adalah....

a. 22,8 parsek dan 1,5 parsek

b. 22,8 parsek dan 2,2 parsek

c. 30,0 parsek dan 2.0 parsek

d. 30,0 parsek dan 2,5 parsek

e. 38,3 parsek dan 2,9 parsek

11. Redshift sebuah gugus galaksi berharga z = 0,05. Radius gugus tersebut

sebesar RG = 2 Megaparsek. Berapa radius gugus (dalam menit busur) pada

citra yang diambil?

a. 31'8

b. 30'8

c. 29'8

d. 28'8

e. 27'8

12. Sebuah gugus bintang terdiri dari 200 bintang kelas F5V [masing masing Mv =

3,3 ; B-V = 0,41) dan 20 bintang kelas KOIII (masing masing Mv= - 0,7 ; B-V =

1,02). Maka magnitudo mutlak totalnya...

a. -3,00

b. -3,14

c. -3,26

d. -3,57

e. -4,00

13. Dua buah bintang deret utama dalam suatu gugus diamati memiliki magnitudo

semu masing-masing +9 dan +9,2 dan indeks warna masing-masing 0. Jika dari

colour-magnitude diagram, bintang dengan indeks warna 0 memiliki magnitudo

mutlak +1, maka rata-rata jarak pengamat ke gugus tersebut adalah sekitar...

(dalam parsek, dan abaikan efek absorpsi oleh materi antar bintang)

a. 35

b. 42

c. 47

d. 51

e. 55

14. Seorang pengamat mengamati suatu objek di langit dan mengukur

magnitudonya, diperoleh magnitudo semunya, m=0. Dari pengamatan lain, ia

mengetahui bahwa jaraknya adalah sekitar 20 pc. Dari pengamatan spektroskopi

diperoleh spektrumnya ternyata mirip spektrum bintang kelas G2V. Ia

menyimpulkan bahwa luminositas objek tsb terlalu terang untuk bintang dengan

kelas tsb. Kemungkinan objek itu adalah suatu gugus bintang yang rapat, dengan

anggota dominan kelas G2V. Kalau kesimpulan itu benar, maka kemungkinan

jumlah bintang yang ada di gugus itu adalah... (abaikan efek absorpsi oleh materi

antar bintang)

a. 200

b. 310

c. 420

d. 530

e. 640

15. A globular cluster with the radius R = 20 pc and root mean square (vrms) velocity

of stars in the cluster is 3 km/s. Assume that the vrms of the cluster is equal to

12√2vescape, with vescape is escape velocity. You can also assume that the potential

energy of this system is universal potential gravitation energy, so

The mass of the globular cluster is about.... (104 Msun)

a. 1,3

b. 2,5

c. 3,6

d. 4,2

e. 5,0