Setelah memecahkan misteri gravitasi, kita akan dapat menjawab pertanyaan terbesar sains: apa itu ruang? Apa itu waktu? Apa itu alam semesta? Dari mana semua ini berasal? Penulis sains terkenal yang terkenal, Marcus Chown, mengundang Anda dalam perjalanan yang mengasyikkan - mulai dari saat gravitasi diakui sebagai kekuatan fisik pada 1666 hingga penemuan gelombang gravitasi pada 2015. Pergeseran tektonik mendekati ide-ide kita tentang fisika, dan buku ini menceritakan pertanyaan apa yang diajukan fenomena gravitasi di hadapan kita.
Kutipan. Bulan: upaya untuk melarikan diri
Pengaruh pasang surut Bulan di Bumi memperlambat pergerakan planet kita, mengurangi momen rotasinya. Ada prinsip dasar fisika, yang disebut kekekalan momentum selama rotasi, yang dengannya torsi sistem tertutup (tertutup) tidak pernah berubah. Ini berarti bahwa jika momen rotasi bumi berkurang, momen rotasi elemen lain dari sistem harus mengimbanginya dengan meningkatkan. Dalam kasus kami, hanya ada satu opsi - bulan.
Daya tarik Bulan menciptakan dua gundukan pasang surut di dua sisi Bumi, tetapi yang muncul di sisi yang sama dengan Bulan menariknya dengan kekuatan terbesar. Seperti yang telah kita ketahui, bukit pasang surut ini biasanya melewati bulan dalam orbitnya, karena Bumi membuat revolusi di sekitar porosnya lebih cepat daripada bulan yang melewatinya. Oleh karena itu, gravitasi Bumi menyeret bulan ke depan dalam orbitnya, memberinya percepatan.
Harap perhatikan bahwa gaya gravitasi Bumi pada jarak ke Bulan memiliki nilai yang persis sama dengan yang diperlukan untuk menekuk lintasan benda yang bergerak dengan kecepatan bulan dan memberinya bentuk orbit yang tertutup, yang kami amati. Dengan demikian, jika bulan bergerak terlalu cepat, kecepatannya akan melebihi yang diperlukan dan akan terbang keluar dari orbit. Sehubungan dengan Bumi, "di luar orbit" berarti naik, tetapi kita tahu bahwa jika Anda melempar benda (misalnya, bola) ke atas, gravitasi akan memperlambat penerbangannya. Paradoksnya, Bulan, dipercepat oleh interaksi pasang surut dengan Bumi, bergerak lebih lambat dengan jarak dari Bumi. Karena itu, torsi meningkat ke nilai yang diperlukan.
Dan ini bukan hanya alasan teoretis. Pesawat ruang angkasa Amerika berawak Apollo 11, Apollo 14, dan Apollon 15, serta kendaraan Soviet tak berawak Lunokhod-1 dan Lunokhod-2, meninggalkan reflektor di permukaan bulan. Cermin berukuran kepalan tangan ini juga disebut reflektor sudut, dan mereka dapat memantulkan cahaya persis ke arah mana ia berasal. Artinya, Anda dapat mengarahkan sinar laser ke bulan sehingga memantulkan reflektor sudut, dan kemudian mengukur waktu kembali ke Bumi. Mengetahui kecepatan cahaya, Anda dapat dengan mudah menghitung jarak ke bulan.
Eksperimen menunjukkan bahwa setiap tahun jarak yang dipantulkan sinar dari perjalanan bulan meningkat sebesar 3,8 sentimeter. Dengan kata lain, setiap 12 bulan, bulan bergerak menjauh dari Bumi dengan jarak kira-kira sama dengan panjang ibu jari. Jika Anda berusia 70 tahun, dalam hidup Anda ia telah menempuh jalur yang sama dengan panjang mobil.
Pengamatan gerhana total
Fakta bahwa setiap tahun bulan berjarak 3,8 sentimeter dari Bumi berarti bulan itu pernah jauh lebih dekat dengan kita. Dan ini, pada gilirannya, memengaruhi penampilan gerhana total - salah satu fenomena alam yang paling menakjubkan.
Seperti yang telah kita ketahui, gerhana total terjadi ketika Bulan melewati antara Bumi dan Matahari, menutupi cakram matahari dan melemparkan bayangan di Bumi. Gerhana total dimungkinkan karena Matahari, meskipun 400 kali lebih besar dari Bulan, 400 kali lebih jauh dari kita. Itulah sebabnya matahari dan bulan tampak sama ukurannya dengan kita di langit. Ini adalah keadaan yang sangat baik bagi kita. Terlepas dari kenyataan bahwa ada lebih dari 170 bulan di tata surya, tidak mungkin untuk mengamati gerhana total dari planet mana pun. Selain itu, kami beruntung tidak hanya dengan tempat, tetapi juga dengan waktu.
Saat Bulan bergerak menjauh dari Bumi, di masa lalu itu tampak lebih besar, dan di masa depan akan menjadi lebih kecil. Rupanya, gerhana total pertama dimulai sekitar 150 juta tahun yang lalu, dan setelah 150 juta tahun lagi mereka tidak akan sama sekali. Penghuni Bumi dapat mengamati gerhana total hanya untuk periode singkat keberadaannya. Misalnya, pada zaman dinosaurus mereka tidak ada di sana.
Fakta bahwa Bulan bergerak menjauh dari Bumi, dan di masa lalu lebih dekat dengannya, secara sempurna dikombinasikan dengan teori asalnya.
Planet yang mengejar Bumi
Bulan terlalu besar dalam hubungannya dengan Bumi, dan diameternya kira-kira seperempat dari diameter planet kita. Semua bulan lain di tata surya tampak kecil di sebelah planet mereka. Kecuali untuk Pluto, yang bulannya bahkan lebih besar dalam kaitannya dengan ukurannya, tetapi sejak 2006, Pluto tidak lagi dianggap sebagai planet.
Ukuran bulan ini mengisyaratkan kepada kita bahwa asalnya tidak biasa. Para ilmuwan menyatakan bahwa 4,55 miliar tahun yang lalu, ketika planet kita baru saja terbentuk, ia bertabrakan dengan benda langit dengan massa kira-kira sama dengan massa Mars (hari ini planet hipotetis ini disebut Theia). Lapisan bagian dalam Bumi berubah menjadi cairan, dan sebagian mantelnya terciprat ke dalam ruang hampa. Sebuah cincin telah terbentuk di sekitar planet kita, mirip dengan yang dikelilingi oleh gas raksasa di tata surya. Dari cincin ini Bulan dengan cepat terbentuk, yang orbitnya sepuluh kali lebih dekat ke Bumi. Setelah itu, bulan mulai berangsur-angsur menjauh dari planet kita.
Konfirmasi teori Big Burst ditemukan selama program luar angkasa Apollo Amerika, berkat yang kita tahu bahwa komposisi Bulan mirip dengan komposisi mantel luar Bumi. Selain itu, batuan bulan mengandung air jauh lebih sedikit daripada tebing terestrial yang paling kering. Ini menegaskan bahwa mereka pernah terkena suhu tinggi. Satu-satunya pertanyaan adalah: agar sebuah benda dengan massa Mars tidak menghancurkan seluruh planet kita, tetapi hanya menciptakan Bulan, ia harus mengikuti garis singgung ke Bumi dengan kecepatan yang sangat rendah. Namun, semua benda kosmik bergerak dalam orbit di sekitar Matahari (baik di dalam orbit Bumi dan di luarnya) terlalu cepat untuk ini.
Teori Big Burst hanya akan bekerja jika Teia pernah berada di orbit yang sama dengan Bulan. Itu bisa terbentuk dari puing-puing di titik stabil Lagrange, yaitu 60 derajat di depan Bumi atau di belakangnya di orbit mengelilingi Matahari. Saat ini, potongan asteroid yang sama bergerak di orbit Jupiter 60 derajat di depannya dan di belakangnya, sehingga Jupiter tampak mengambang di Laut Sargasso. Menurut teori Big Burst, Teia telah mengejar Bumi selama jutaan tahun, dan kemudian pindah ke orbit lain, yang menyebabkan tabrakan.
Karena gaya gravitasi tubuh melemah dengan kuadrat jarak darinya, gaya pasang surut, yang dijelaskan oleh perbedaan dalam daya tarik, berkurang dengan kubus jarak. Bulan yang baru terbentuk sekitar sepuluh kali lebih dekat ke Bumi daripada sekarang, yang berarti bahwa gaya pasang surut yang memengaruhi Bumi adalah
kali lebih banyak dari sekarang. Pada saat itu, Bumi belum memiliki lautan, tetapi jika ada, air di dalamnya akan naik dua kali sehari, bukan beberapa meter, tetapi beberapa kilometer.
Tapi bukan hanya Bulan yang baru lahir yang memengaruhi Bumi. Bumi itu sendiri juga bertindak di atasnya dengan kekuatan pasang surut meningkat 1000 kali. Penghambatan gerakan bulan begitu kuat sehingga, kemungkinan besar, itu diperbaiki di dalamnya cukup awal (selama sekitar sepuluh juta tahun setelah pembentukannya). Sejak mikroorganisme pertama di Bumi muncul jauh kemudian, sekitar 3,8–4 miliar tahun yang lalu, tidak ada satu pun makhluk hidup yang mengamati sisi sebaliknya dari bulan yang berputar di langit malam.
Bulan tidak selalu bergerak dengan kecepatan seperti itu
Sebuah pertanyaan menarik muncul: apakah Bulan selalu bergerak menjauh dari Bumi dengan kecepatan 3,8 sentimeter per tahun? Pada 2013, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Matthew Huber dari Purdue University (West Lafayette, Indiana) menemukan seperti apa situasi ini 50 juta tahun yang lalu. Mereka memasukkan data pada kedalaman lautan dan kontur benua yang ada pada saat itu dalam sebuah simulator komputer pasang surut dan, berdasarkan indikatornya, menyimpulkan bahwa pada waktu itu Bulan bergerak menjauh dari Bumi lebih lambat, kemungkinan besar dua kali.
Ini semua tentang Samudra Atlantik, yang cukup luas hari ini untuk membentuk punuk pasang surut yang besar, mempengaruhi Bulan dan menyebabkannya surut dengan cukup cepat; 50 juta tahun yang lalu, samudera belum berbentuk seperti sekarang, jadi punuk pasang surutnya lebih kecil, dan pengaruhnya terhadap pergerakan bulan lebih lemah. Pada saat itu, Pasifik bertanggung jawab atas sebagian besar dampak pasang surut.
Contoh ini adalah ilustrasi lain tentang betapa rumitnya sistem pasang surut. Ketinggian mereka dan kekuatan yang dengannya mereka memperlambat pergerakan Bumi dan mempercepat mundurnya bulan, tergantung pada seberapa mudah punuk pasang surut dapat bergerak melintasi lautan. Hal ini, pada gilirannya, disebabkan oleh lokasi benua, yang terus berubah karena pergeseran benua (lempeng tektonik, sebagaimana secara resmi disebut).
Karena kenyataan bahwa mustahil untuk memprediksi pergerakan lempeng dalam jangka panjang, kita juga tidak bisa tahu kapan rotasi Bumi akan melambat sehingga selamanya berubah satu sisi ke Bulan. Kita hanya tahu satu hal: agar Bumi mulai membuat revolusi lengkap di sekitar sumbunya dalam 47 hari, dan Bulan bergerak sangat jauh darinya sehingga jalur orbitnya juga akan memakan waktu 47 hari, setidaknya sepuluh miliar tahun harus berlalu. Kita sudah tahu bahwa ini adalah skenario yang sepenuhnya hipotetis, karena pada saat ini Matahari akan berubah menjadi raksasa merah yang menakutkan, bersinar 10.000 kali lebih terang daripada hari ini, dan menghancurkan (atau setidaknya secara signifikan mengubah) sistem Bumi-Bulan.
Air pasang memiliki properti lain. Setiap hari, ketika ombak bergulung di pantai, dan kemudian kembali ke laut, mereka mengambil banyak kerikil kecil. Gesekan antara batu yang terus-menerus bertabrakan satu sama lain menghasilkan energi panas yang diserap oleh lingkungan. Kehilangan energi sedemikian rupa yang pada akhirnya menyebabkan perlambatan rotasi Bumi.
Pasang surut memanaskan Bumi sedikit, dan jika Anda berenang di laut, pasir atau batu tidak akan membakar kaki Anda. Tetapi di tata surya ada satu tempat di mana ombak menghasilkan lebih banyak energi panas. Ini adalah Io, satelit raksasa Jupiter, ditemukan oleh Galileo pada 1609.
Pizza bulan
8 Maret 1979 Pesawat antariksa Voyager-1 NASA terbang melalui sistem Jupiter lebih cepat dari pada peluru, bergegas untuk menemui Saturnus pada 1980. Tetapi sebelum raksasa gas itu meninggalkan probe selamanya, tim kontrol memaksanya untuk membalik kamera dan mengambil gambar perpisahan Io. Linda Morabito, insinyur navigasi, adalah orang pertama yang melihat gambar itu, menempuh jarak 640 juta kilometer dari Mission Control Center, dan dia sangat mengagumkan. Kolom gas berpendar keluar dari bulan yang kecil dan terlihat hanya setengahnya.
Morabito adalah yang pertama dalam sejarah umat manusia untuk melihat gunung api Io. Keesokan harinya, seluruh tim manajemen Voyager mencondongkan foto yang diperbesar dan data pengukuran suhu. Mereka menemukan delapan pilar gas raksasa, melemparkan materi hingga ratusan kilometer. Ternyata Io adalah benda kosmik paling aktif secara geologis di tata surya, tempat lebih dari 400 gunung berapi berada. Lubang-lubang di mana batu oranye, kuning dan coklat dilemparkan ke permukaan Io, membuatnya tampak seperti pizza, menyerupai geyser di Yellowstone Park. Dalam arti tertentu, gunung berapi Io benar-benar geyser. Lava di dalamnya tidak lepas ke permukaan, tetapi memanaskan sulfur dioksida cair, yang terletak tepat di bawah kulit Io, dan berubah menjadi gas. Kemudian gas itu dilontarkan seperti halnya uap di geyser bumi.
Setiap tahun, Io melepaskan sekitar 10.000 juta ton zat ke dalam ruang hampa udara, yang kemudian jatuh ke permukaan, menutupinya dengan belerang, seperti bumi di sekitar mata air panas di Yellowstone. Itu sebabnya Io terlihat seperti pizza raksasa di foto-foto. Warna-warna cerah hanyalah lapisan belerang yang memiliki suhu berbeda.
Kunci untuk memahami gunung api super Io adalah Yupiter, 318 kali massa Bumi. Io berada pada jarak yang sama dengan itu bahwa bulan berasal dari bumi. Tetapi karena kekuatan gravitasi Jupiter yang luar biasa, Io berputar di sekitarnya bukan dalam 27 hari, seperti bulan kita, tetapi hanya dalam 1,7 hari. Gravitasi yang bekerja pada punuk pasang surut Io telah lama menghentikan perputarannya, sehingga sekarang bulan secara konstan beralih ke planetnya di satu sisi. Bayangkan saja pandangan seperti apa yang akan terbuka di hadapan orang-orang jika pesawat ruang angkasa itu pernah duduk di permukaan Io: Jupiter dan cincin berawan multi-warnanya akan menempati seperempat langit.
Karena Io terpaku pada satu posisi, dua punuk pasang surut yang muncul di bawah pengaruh tarikan Jupiter akan diarahkan langsung kepadanya dan langsung darinya. Mereka tidak akan bergerak di batu, seperti punuk pasang surut bergerak di lautan. Jika sesuatu seperti ini terjadi pada Io, bebatuan yang keras akan terus meregang dan menyusut, secara bertahap pemanasan karena gesekan (bola karet yang Anda remas di tangan Anda memanas dengan cara yang sama). Karena ini tidak terjadi, logis untuk mengasumsikan bahwa suhu Io tidak meningkat di bawah pengaruh pasang surut Jupiter.
Tapi ini tidak benar.
Peran kunci dalam pemanasan Io dimainkan oleh dua bulan lainnya yang ditemukan oleh Galileo, yang bergerak dalam orbit yang lebih jauh dari planet ini - Eropa dan Ganymede. Ganymede adalah bulan terbesar di tata surya dan lebih besar dari Merkurius. Dalam waktu yang diperlukan bagi Io untuk berkeliling Jupiter empat kali, Eropa melakukan ini dua kali, dan Ganymede - sekali. Karena itu, dua satelit berubah secara berkala untuk disejajarkan dalam satu baris, yang meningkatkan efeknya pada Io. Mereka tampaknya menarik Io ke samping, memperpanjang orbitnya. Jadi, Io terus bergerak ke arah Jupiter, atau menjauh darinya. Gerakan inilah yang membuat Io melakukan pemanasan dari dalam.
Ya, pasang surut Io diarahkan langsung ke dan dari Jupiter. Tetapi ketika Io mendekati planetnya, punuk pasang tumbuh, dan ketika ia pergi, punuk berkurang. Karena pergerakan batu yang konstan, ia dikompresi atau diregangkan, dan karena proses ini, Io dipanaskan sedemikian rupa sehingga panaslah yang menghasilkan panas per pon berat terbesar di Tata Surya, dan bukan Matahari.
Teka-teki Pluto dan Charon
Pasangan Jupiter - Io bukan satu-satunya di tata surya di mana dua benda langit yang bergerak dalam orbit di sekitar satu sama lain tetap dalam posisi sedemikian rupa sehingga masing-masing terlihat hanya di satu sisi yang lain. Ada juga Pluto dan bulan besarnya Charon.
Hal yang paling menarik di Charon adalah diameternya sama dengan setengah diameter Pluto. Berkat ini, Pluto untuk beberapa waktu dianggap sebagai planet dengan bulan terbesar (relatif terhadap ukurannya sendiri) di tata surya. Namun pada 2006, Uni Astronomi Internasional merampas status planet Pluto dan memindahkannya ke kategori planet kerdil. Sekarang itu hanyalah satu dari puluhan ribu puing es yang mengorbit matahari di perbatasan tata surya.
Sabuk Kuiper terdiri dari puing-puing es yang tersisa setelah munculnya planet-planet. Planet ini tidak berhasil karena mereka terlalu jarang. Sabuk Kuiper mirip dengan sabuk bagian dalam asteroid Tata Surya - tumpukan puing-puing konstruksi planet lain yang tidak dapat berkonsentrasi pada satu titik di bawah pengaruh gaya gravitasi Jupiter.
Tepi dalam sabuk Kuiper dimulai dekat Neptunus (yaitu, jarak dari itu ke Matahari sekitar 30 kali lebih besar dari dari Bumi), dan ujung luar pada jarak dari Matahari 50 kali lebih besar daripada di mana Bumi berada. Terlepas dari namanya, mantan tentara Irlandia dan astronom amatir Kenneth Edgeworth pertama kali meramalkan keberadaan sabuk ini pada tahun 1943, jadi dalam keadilan itu seharusnya disebut sabuk Edgeworth-Kuiper.
Pluto memenuhi dua kriteria planet yang dirumuskan oleh International Astronomical Union pada tahun 2006: ia bulat dan bergerak dalam orbit di sekitar Matahari. Tetapi karena ada banyak objek dari sabuk Kuiper di sebelahnya, ia tidak memenuhi persyaratan ketiga - orbit bebas yang tidak ada benda langit lainnya.
Pada 14 Juli 2015, stasiun New Horizons NASA terbang melalui sistem Pluto-Charon seperti kereta api berkecepatan tinggi, yang melintas hanya 14.000 kilometer di atas benda langit, yang pada saat stasiun itu dikirim masih dianggap sebagai planet. Karyawan Pusat Kontrol Misi di Bumi kagum. Mereka berharap akan melihat dunia yang mati dan tidak bergerak, terikat oleh dingin kosmik jauh dari Matahari. Alih-alih, gletser nitrogen dan gunung-gunung es muncul di hadapan mereka, puncak-puncaknya tersembunyi dalam pusaran awan tipis. Yang paling mengejutkan, apa yang disebut wilayah Tombo (titik merah muda di Pluto, berbentuk seperti awan dan dinamai menurut penemu Pluto, Clyde Tombo) tidak memiliki kawah tunggal, tidak seperti planet lainnya. Ini berarti bahwa es terbentuk di sini relatif baru.
Dari mana datangnya energi untuk kegiatan yang tidak biasa ini? Lapisan bagian dalam Bumi dipanaskan karena radioaktivitas uranium, torium dan kalium, tetapi ini tidak cukup untuk menghangatkan Pluto. Pemanasan di bawah pengaruh gaya pasang surut Charon juga dikecualikan, karena proses serupa tidak mungkin terjadi dalam sistem di mana bulan bergerak dalam lingkaran di sekitar planet ini dan kedua benda langit selalu saling berpaling di sisi yang sama. Namun, aturan ini hanya berfungsi jika Charon berada di orbit Pluto pada saat pembentukan tata surya, sekitar waktu yang sama ketika bulan menjadi satelit bumi. Jika Pluto memperoleh satelitnya baru-baru ini (selama setengah miliar tahun terakhir), maka pemanasan di bawah pengaruh gaya pasang surut akan terjadi dan berlanjut sampai Pluto dan Charon ditetapkan pada posisi mereka saat ini relatif satu sama lain. Tidak ada yang tahu bagaimana itu sebenarnya. Pertanyaan ini tetap terbuka.
»Informasi lebih lanjut tentang buku ini dapat ditemukan di
situs web penerbit»
Isi»
KutipanUntuk diskon 20% Khabrozhiteley pada kupon -
Gravity