Cabang-cabang spesifik
Astronomi surya
Matahari adalah bintang yang
terdekat dari Bumi pada sekitar 8 menit cahaya, dan yang paling sering
diteliti; ia merupakan bintang katai pada deret utama dengan klasifikasi G2 V dan usia sekitar 4,6
miliar tahun. Walau tidak sampai tingkat bintang
variabel, Matahari mengalami sedikit perubahan cahaya melalui
aktivitas yang dikenal sebagai siklus bintik Matahari — fluktuasi
pada angka bintik-bintik Matahari selama sebelas
tahun. Bintik Matahari ialah daerah dengan suhu yang lebih rendah dan aktivitas
magnetis yang hebat.[48]
Luminositas Matahari
terus bertambah kuat secara tetap sepanjang hidupnya, dan sejak pertama kali
menjadi bintang deret utama sudah bertambah sebanyak 40%. Matahari juga telah
tercatat melakukan perubahan periodik dalam luminositas, sesuatu yang bisa
menyebabkan akibat-akibat yang signifikan atas kehidupan di atas Bumi.[49]Misalnya
periode minimum Maunder, yang
sampai menyebabkan fenomena zaman es kecil pada Abad
Pertengahan.[50]
Permukaan luar Matahari yang bisa
kita lihat disebut fotosfer. Di atasnya ada lapisan tipis yang biasanya tidak
terlihat karena terangnya fotosfer, yaitu kromosfer.
Di atasnya lagi ada lapisan transisi di mana suhu bisa naik secara cepat, dan
di atasnya terdapatlah korona yang sangat panas.
Di tengah-tengah Matahari ialah
daerah inti; ada tingkat suhu dan tekanan yang cukup di sini sehingga fusi nuklirdapat
terjadi. Di atasnya terdapat zona radiatif;
di sini plasma akan menghantarkan panas melalui proses radiasi. Di atas zona radiatif adalah
zona konvektif; materi gas di zona ini akan menghantarkan energi sebagian besar
lewat pergerakan materi gas itu sendiri. Zona inilah yang dipercaya sebagai
sumber aktivitas magnetis penghasil bintik-bintik Matahari.[48]
Terdapat angin surya berupa
partikel-partikel plasma yang bertiup keluar dari Matahari secara terus-menerus
sampai mencapai titik heliopause.
Angin ini bertemu dengan magnetosfer Bumi
dan membentuk sabuk-sabuk radiasi Van Allen dan —
di mana garis-garis medan magnet Bumi turun menujur atmosfer —
menghasilkan aurora.[51]
Ilmu keplanetan
Cabang astronomi ini meneliti
susunan planet, bulan, planet katai, komet, asteroid,
serta benda-benda langit lain yang mengelilingi bintang, terutama Matahari,
walau ilmu ini meliputi juga planet-planet luar surya. Tata Surya kita
sendiri sudah dipelajari secara mendalam — pertama-tama melalui teleskop dan
kemudian menggunakan wahana-wahana
antariksa — sehingga pemahaman sekarang mengenai formasi dan
evolusi sistem keplanetan ini sudah sangat baik, walaupun masih ada
penemuan-penemuan baru yang terjadi.[52]
Titik hitam di atas ialah sebuahsetan debu (dust devil) yang tengah
memanjat suatu kawah di Mars. Ini serupa dengan tornado yang berpilin dan berpindah-pindah,
menghasilkan "ekor" yang panjang dan gelap. Citra oleh NASA.
Tata Surya dibagi menjadi
beberapa kelompok: planet-planet bagian dalam, sabuk
asteroid, dan planet-planet bagian luar. Planet-planet bagian dalam
adalah planet-planet bersifat kebumian yaitu Merkurius, Venus, Bumi danMars. Planet-planet bagian
luar adalah raksasa-raksasa gas Tata Surya yaitu Yupiter, Saturnus, Uranus,
danNeptunus.[53] Apabila
kita pergi lebih jauh lagi, maka akan ditemukan benda-benda trans-Neptunus: pertama sabuk Kuiper dan
akhirnya awan Oort yang bisa membentang sampai satu
tahun cahaya.
Terbentuknya planet-planet
bermula pada sebuah cakram protoplanet yang mengitari Matahari
pada periode-periode awalnya. Dari cakram ini terwujudlah gumpalan-gumpalan
materi melalui proses yang melibatkan tarikan gravitasi, benturan, dan akresi;
gumpalan-gumpalan ini kemudian lama-kelamaan menjadi kumpulan protoplanet.
Karena tekanan radiasi dari angin surya terus
mendorong materi-materi yang belum menggumpal, hanya planet-planet yang
massanya cukup besar yang mampu mempertahankan atmosfer berbentuk gas.
Planet-planet muda ini terus menyapu dan memuntahkan materi-materi yang
tersisa, menghasilkan sebuah periode penghancuran yang hebat. Sisa-sisa periode
ini bisa dilihat melalui banyaknya kawah-kawah
tabrakan di permukaan Bulan. Adapun dalam jangka waktu ini
sebagian dari protoplanet-protoplanet yang ada mungkin bertabrakan satu sama
lain; kemungkinan
besar tabrakan seperti itulah yang melahirkan Bulan kita.[54]
Ketika suatu planet mencapai massa
tertentu, materi-materi dengan massa jenis yang berlainan mulai saling
memisahkan diri dalam proses yang disebutdiferensiasi planet. Proses demikian bisa menghasilkan
inti yang berbatu-batu atau terdiri dari materi-materi logam, diliputi oleh
lapisan mantel dan lalu permukaan luar. Inti planet ini bisa terbagi menjadi
daerah-daerah yang padat dan cair, dan beberapa mampu menghasilkan medan magnet mereka
sendiri, sehingga planet dapat terlindungi dari angin surya.[55]
Panas di bagian dalam sebuah
planet atau bulan datang dari benturan yang dihasilkan sendiri oleh
planet/bulan tersebut, atau oleh materi-materi radioaktif (misalnya uranium, torium,
atau 26Al), atau pemanasan pasang surut. Beberapa planet
dan bulan berhasil mengumpulkan cukup panas untuk menjalankan proses-proses
geologis seperti vulkanisme dan aktivitas-aktivitas tektonik. Apabila
planet/bulan tersebut juga memiliki atmosfer,
maka erosipada
permukaan (melalui angin atau air) juga dapat terjadi. Planet/bulan yang lebih
kecil dan tanpa pemanasan pasang surut akan menjadi dingin lebih cepat dan
kegiatan-kegiatan geologisnya akan berakhir, terkecuali pembentukan kawah-kawah
tabrakan.[56]
Astronomi bintang
Nebula Semut.
Gas yang dimuntahkan dari bintang sekarat di tengahnya tidak biasa karena
membentuk pola yang simetris, bukan semrawut seperti ledakan pada umumnya.
Untuk memahami alam semesta,
penelitian atas bintang-bintang dan bagaimana mereka berevolusi sangatlah
fundamental. Astrofisika yang berkenaan dengan bintang sendiri bisa diketahui
baik lewat segi pengamatan maupun segi teoretis, serta juga melalui simulasi
komputer.[57]
Bintang terbentuk pada awan-awan molekul raksasa,
yaitu daerah-daerah yang padat akan debu dan gas. Ketika kehilangan
kestabilannya, serpihan-serpihan dari awan-awan ini bisa runtuh di bawah gaya
gravitasi dan membentuk protobintang.
Apabila bagian intinya mencapai kepadatan dan suhu tertentu, fusi nuklir akan
dipicu dan akan terbentuklah sebuah bintang deret utama.[58]
Nyaris semua unsur yang lebih
berat dari hidrogen dan helium merupakan
hasil dari proses yang terjadi di dalam inti
bintang-bintang.[57]
Ciri-ciri yang akan dimiliki oleh
suatu bintang secara garis besar ditentukan oleh massa awalnya: semakin besar
massanya, maka semakin tinggi pula luminositasnya, dan semakin cepat pula ia
akan menghabiskan bahan bakar hidrogen pada inti. Lambat laun, bahan bakar
hidrogen ini akan diubah menjadi helium, dan bintang yang bersangkutan akan
mulai berevolusi. Untuk melakukan fusi helium, diperlukan suhu inti yang lebih
tinggi, oleh sebab itu intinya akan semakin padat dan ukuran bintang pun
berlipat ganda — bintang ini telah menjadi sebuah raksasa merah.
Fase raksasa merah ini relatif singkat, sampai bahan bakar heliumnya juga sudah
habis terpakai. Kalau bintang tersebut memiliki massa yang sangat besar, maka
akan dimulai fase-fase evolusi di mana ia semakin mengecil secara bertahap,
sebab terpaksa melakukan fusi nuklir terhadap unsur-unsur yang lebih berat.[59]
Adapun nasib akhir sebuah bintang
bergantung pula pada massa. Jika massanya lebih dari sekitar delapan kali lipat
Matahari kita, maka gravitasi intinya akan runtuh dan menghasilkan sebuah supernova;[60] jika
tidak, akan menjadi nebula planet, dan terus berevolusi menjadi
sebuah katai putih.[61] Yang
tersisa setelah supernova meletus adalah sebuah bintang
neutron yang sangat padat, atau, apabila materi sisanya
mencapai tiga kali lipat massa Matahari, lubang hitam.[62] Bintang-bintang
biner yang saling berdekatan evolusinya bisa lebih rumit lagi,
misalnya, bisa terjadi pemindahan massa ke arah bintang rekannya yang dapat
menyebabkan supernova.[63]
Nebula-nebula planet dan
supernova-supernova diperlukan untuk proses distribusi logam di medium antarbintang; kalau tidak demikian,
seluruh bintang-bintang baru (dan juga sistem-sistem planet mereka) hanya akan
tersusun dari hidrogen dan helium saja.[64]
Astronomi galaksi
Tata Surya kita
beredar di dalam Bima Sakti, sebuah galaksi
spiral berpalang di Grup Lokal. Ia merupakan
salah satu yang paling menonjol di kumpulan galaksi tersebut. Bima Sakti
merotasi materi-materi gas, debu, bintang, dan benda-benda lain, semuanya
berkumpul akibat tarikan gaya gravitasi bersama. Bumi sendiri terletak pada
sebuah lengan galaksi berdebu yang ada di bagian luar, sehingga banyak
daerah-daerah Bima Sakti yang tidak terlihat.
Pada pusat galaksi ialah bagian
inti, semacam tonjolan berbentuk seperti batang; diyakini bahwa terdapat sebuahlubang hitam supermasif di bagian
pusat ini. Bagian ini dikelilingi oleh empat lengan utama yang melingkar dari
tengah menuju arah luar, dan isinya kaya akan fenomena-fenomena pembentukan
bintang, sehingga memuat banyak bintang-bintang muda (metalisitas
populasi I). Cakram ini lalu diliputi oleh cincin galaksi yang
berisi bintang-bintang yang lebih tua (metalisitas
populasi II) dan juga gugusan-gugusan bintang berbentuk
bola (globular), yaitu semacam kumpulan-kumpulan bintang
yang relatif lebih padat.[65]
Daerah di antara bintang-bintang
disebut medium antarbintang, yaitu daerah dengan kandungan
materi yang jarang — bagian-bagiannya yang relatif terpadat adalah awan-awan
molekul berisi hidrogen dan
unsur lainnya, tempat di mana banyak bintang baru akan lahir. Awalnya akan
terbentuk sebuah inti pra-bintang atau nebula gelap yang
merapat dan kemudian runtuh (dalam volume yang ditentukan oleh panjang Jeans) untuk
membangun protobintang.[58]
Ketika sudah banyak bintang besar
yang muncul, mereka akan mengubah awan molekul menjadi awan daerah H II, yaitu awan
dengan gas berpijar dan plasma. Pada akhirnya angin serta
ledakan supernova yang berasal dari bintang-bintang ini akan memencarkan awan
yang tersisa, biasanya menghasilkan sebuah (atau lebih dari satu) gugusan bintang terbuka yang
baru. Gugusan-gugusan ini lambat laun berpendar, dan bintang-bintangnya
bergabung dengan Bima Sakti.[66]
Sejumlah penelitian kinematika
berkenaan dengan materi-materi di Bima Sakti (dan galaksi lainnya) menunjukkan
bahwa materi-materi yang tampak massanya kurang dari massa seluruh galaksi. Ini
menandakan terdapat apa yang disebut materi gelap yang
bertanggung jawab atas sebagian besar massa keseluruhan, tapi banyak hal yang
belum diketahui mengenai materi misterius ini.[67]
Astronomi ekstragalaksi
Citra di atas menampilkan
beberapa benda biru berbentuk lingkaran; ini adalah gambar-gambar dari galaksi
yang sama, tergandakan oleh efeklensa
gravitasional yang disebabkan oleh gugusan galaksi-galaksi kuning
pada bagian tengah foto. Efek lensa itu dihasilkan medan gravitasi gugusan dan
membelokkan cahaya sehingga gambar salah satu benda yang lebih jauh diperbesar
dan terdistorsi.
Penelitian benda-benda yang
berada di luar galaksi kita — astronomi ekstragalaksi — merupakan cabang yang
mempelajari formasi dan
evolusi galaksi-galaksi, morfologi dan
klasifikasi mereka, serta pengamatan atas galaksi-galaksi aktif beserta grup-grup dan
gugusan-gugusan galaksi. Ini, terutama yang disebutkan belakangan,
penting untuk memahami struktur alam semesta dalam skala besar.
Kebanyakan galaksi akan
membentuk wujud-wujud tertentu, sehingga pengklasifikasiannya bisa disusun
berdasarkan wujud-wujud tersebut. Biasanya, mereka dibagi-bagi menjadi galaksi-galaksi
spiral, elips, dan tak beraturan.[68]
Persis seperti namanya, galaksi
elips berbentuk seperti elips. Bintang-bintang berputar pata garis edarnya secaraacak tanpa menuju arah yang jelas.
Galaksi-galaksi seperti ini kandungan debu antarbintangnya sangat sedikit atau
malah tidak ada; daerah penghasil bintangnya tidak banyak; dan rata-rata
penghuninya bintang-bintang yang sudah tua. Biasanya galaksi elips ditemukan
pada bagian inti gugusan galaksi, dan bisa terlahir melalui peleburan
galaksi-galaksi besar.
Galaksi spiral membentuk cakram
gepeng yang berotasi, biasanya dengan tonjolan atau batangan pada bagian tengah
dan lengan-lengan spiral cemerlang yang timbul dari bagian tersebut.
Lengan-lengan ini ialah lapangan berdebu tempat lahirnya bintang-bintang baru,
dan penghuninya adalah bintang-bintang muda yang bermassa besar dan berpijar
biru. Umumnya, galaksi spiral akan dikelilingi oleh cincin yang tersusun atas bintang-bintang
yang lebih tua. Contoh galaksi semacam ini adalah Bima Sakti dan Andromeda.
Galaksi-galaksi tak beraturan
bentuknya kacau dan tidak menyerupai bangun tertentu seperti spiral atau elips.
Kira-kira seperempat dari galaksi-galaksi tergolong tak beraturan, barangkali
disebabkan oleh interaksi gravitasi.
Sebuah galaksi dikatakan aktif
apabila memancarkan jumlah energi yang signifikan dari sumber selain
bintang-bintang, debu, atau gas; juga, apabila sumber tenaganya berasal dari
daerah padat di sekitar inti — kemungkinan sebuah lubang hitam supermasif yang
memancarkan radiasi benda-benda yang ia telan.
Apabila sebuah galaksi aktif
memiliki radiasi spektrum radio yang sangat terang serta memancarkan jalaran gas
dalam jumlah besar, maka galaksi tersebut tergolong galaksi radio. Contoh
galaksi seperti ini adalah galaksi-galaksi Seyfert, kuasar,
dan blazar. Kuasar sekarang
diyakini sebagai benda yang paling dapat dipastikan sangat cemerlang; tidak
pernah ditemukan spesimen yang redup.[69]
Struktur skala besar dari alam
semesta sekarang digambarkan sebagai kumpulan dari grup-grup dan
gugusan-gugusan galaksi. Struktur ini diklasifikasi lagi dalam sebuah hierarki
pengelompokan; yang terbesar adalah maha-gugusan (supercluster).
Kemudian kelompok-kelompok ini disusun menjadifilamen-filamen dan
dinding-dinding galaksi, dengan kehampaan di antara
mereka.[70]
Kosmologi
Kosmologi, berasal dari bahasa
Yunani kosmos (κόσμος, "dunia") dan akhiran -logia dari logos (λόγος,
"pembelajaran") dapat dipahami sebagai upaya meneliti alam semesta
secara keseluruhan.
Pengamatan atas struktur skala
besar alam semesta, yaitu cabang yang dikenal sebagai kosmologi
fisik, telah menyumbangkan pemahaman yang mendalam tentang formasi
dan evolusi jagat raya. Salah satu teori yang paling penting (dan sudah
diterima luas) adalah teori Dentuman
Besar, yang menyatakan bahwa dunia bermula pada satu titik dan
mengembang selama 13,7 miliar tahun sampai ke masa sekarang.[71] Gagasan
ini bisa dilacak kembali pada penemuan radiasi latar belakang gelombang
mikro kosmis pada tahun 1965.[71]
Selama proses pengembangan ini,
alam telah mengalami beberapa tingkat evolusi. Pada awalnya, diduga bahwa
terdapat inflasi kosmik yang sangat cepat,
mengakibatkan homogenisasi pada kondisi-kondisi awal. Setelah itu melalui nukleosintesis dihasilkan
ketersediaan unsur-unsur untuk periode awal alam semesta.[71] (Lihat
juga nukleokosmokronologi.)
Ketika atom-atom pertama
bermunculan, antariksa menjadi transparan terhadap radiasi, melepaskan energi
yang sekarang dikenal sebagai radiasi CMB. Alam semesta yang tengah mengembang
pun memasuki Zaman Kegelapan, sebab tidak ada sumber daya bintang yang bisa
memancarkan cahaya.[72]
Susunan materi yang hierarkis
mulai terbentuk lewat variasi-variasi kecil pada massa jenis. Materi lalu
terhimpun pada daerah-daerah dengan massa jenis yang paling tinggi, melahirkan
awan-awan gas dan bintang-bintang yang paling purba (metalisitas
III). Bintang-bintang besar ini memicu proses reionisasidan dipercaya
telah menciptakan banyak unsur-unsur berat pada alam semesta dini; unsur-unsur
ini cenderung meluruh kembali menjadi unsur-unsur yang lebih ringan,
memperpanjang siklus.[73]
Pengumpulan yang dipicu oleh
gravitasi mengakibatkan materi membentuk filamen-filamen dan menyisakan
ruang-ruang hampa di antaranya. Lambat laun, gas dan debu melebur dan membentuk
galaksi-galaksi primitif. Lama-kelamaan semakin banyak materi yang ditarik, dan
tersusun menjadi grup dan gugusan galaksi. Pada akhirnya, maha-gugusan yang
lebih besar pun terwujud.[74]
Benda-benda lain yang memegang
peranan penting dalam struktur alam semesta adalah materi gelap dan energi gelap.
Benda-benda inilah yang ternyata merupakan komponen utama dunia kita, di mana
massa mereka mencapai 96% dari massa keseluruhan alam semesta. Oleh sebab itu,
upaya-upaya terus dibuat untuk meneliti dan memahami segi fisika benda-benda
ini.[75]