Ramadhan dan Bukti Baru Kelahiran Bulan

Kelahiran Bulan? Ya. Ini fakta terbaru yang ditemukan jelang bulan suci Ramadhan 1435 H (2014). Namun kelahiran Bulan di sini tidak terkait dengan hiruk-pikuk seputar penentuan awal bulan suci Ramadhan kali ini, dimana salah satu “kriteria” yang digunakan (sebagian) Umat Islam di Indonesia adalah “kriteria” lahirnya Bulan (wujudul hilaal). Tetapi terkait dengan asal-usul benda langit pengiring setia Bumi kita yang kita beri nama Bulan, yang dilahirkan bermilyar tahun silam di era tata surya muda lewat rangkaian peristiwa menggetarkan yang saling berkait. Kini lebih dari 250 simulasi terbaru yang dilakukan Seth Jacobson dan rekan-rekannya dengan bersenjatakan komputer berkecepatan tinggi menambahkan bukti baru ke dalam saat-saat kelahiran Bulan.

Darimana Bulan berasal telah lama menjadi bahan pemikiran dan pencarian umat manusia. Pernah muncul anggapan bahwa Bulan mungkin saja merupakan benda langit yang terbentuk di bagian lain tata surya kita, lantas kemudian melintas terlalu dekat dengan Bumi purba (proto-Bumi). Kala itu proto-Bumi dianggap sudah memiliki atmosfer dan jauh lebih pekat (lebih tebal) ketimbang atmosfer saat ini. Maka saat Bulan purba melintas terlalu dekat dengan proto-Bumi, kecepatannya sedikit melambat akibat ulah atmosfer yang pekat ini. Akibatnya gravitasi Bumi pun memaksanya berubah haluan menjadi mengedari Bumi kita untuk seterusnya tanpa bisa keluar lagi. Anggapan tentang satelit alami tangkapan ini bukanlah sekedar obrolan ringan di warung kopi, karena eksplorasi antariksa bersenjatakan wahana-wahana penjelajah telah membuktikan bahwa beberapa planet dalam tata surya kita memiliki satelit alami tangkapan. Misalnya Mars, yang bersatelitkan Phobos dan Deimos. Baik Phobos maupun Deimos semula adalah asteroid berukuran lumayan besar yang mengelilingi Matahari kita. Namun saat melintas terlalu dekat dengan Mars di masa silam, gravitasi planet merah menangkapnya dan mengubahnya menjadi satelit alami.



Namun anggapan bahwa Bulan adalah satelit alami tangkapan harus berhadapan dengan sejumlah persoalan serius. Misalnya terkait dinamika jarak satelit terhadap planet induknya. Pengukuran jarak Bumi-Bulan dengan akurasi sangat tinggi menggunakan instrumen yang dipasang di Bulan sebagai bagian program pendaratan manusia di Bulan (lihat di sini) menunjukkan Bulan ternyata terus menjauh dari Bumi setiap tahunnya, meski kecepatan menjauhnya amat sangat lambat dibandingkan laju lari siput, yakni hanya 3,8 cm/tahun. Fakta ini bertolak-belakang bila dibandingkan dengan Phobos dan Deimos, yang justru terus mendekat ke planet induknya sehingga kelak akan jatuh ke Mars. Selain itu komposisi batuan Bulan yang dibawa ke Bumi oleh para astronot Apollo memperlihatkan kemiripan mengagumkan, meski tidak sama persis, dengan batuan yang kita kenal di Bumi. Kemiripan ini menunjukkan pada saat tata surya berusia sangat muda, baik Bumi maupun Bulan terbentuk di lokasi yang relatif sama.

Gambar 1. Ilustrasi bagaimana material yang membentuk Bulan dihasilkan menurut gagasan hantaman akbar, teori pembentukan Bulan terfavorit pada saat ini. Nampak proto-Bumi (ukuran lebih besar) kala dihantam oleh proto-Theia (berukuran lebih kecil). Hantaman akbar ini memencarkan material selubung dan kerak baik dari proto-Bumi maupun proto-Theia ke langit. Di kemudian hari material tersebut menggumpal kembali menjadi Bulan. Sumber: NASA Jet Propulsion Laboratory, 2014.
Gambar 1. Ilustrasi bagaimana material yang membentuk Bulan dihasilkan menurut gagasan hantaman akbar, teori pembentukan Bulan terfavorit pada saat ini. Nampak proto-Bumi (ukuran lebih besar) kala dihantam oleh proto-Theia (berukuran lebih kecil). Hantaman akbar ini memencarkan material selubung dan kerak baik dari proto-Bumi maupun proto-Theia ke langit. Di kemudian hari material tersebut menggumpal kembali menjadi Bulan. Sumber: NASA Jet Propulsion Laboratory, 2014.

Karena itu meski sempat difavoritkan hingga dekade 1980-an, pelan namun pasti anggapan bahwa Bulan adalah satelit alami tangkapan mulai ditinggalkan. Di sisi lain, miripnya komposisi batuan Bulan dan Bumi sempat pula melahirkan asumsi baru, dimana Bulan dan Bumi dianggap sama-sama terbentuk di kawasan yang sama dan terus bertahan hingga kini. Meski demikian asumsi ini pun harus berhadapan dengan sejumlah tantangan lain yang sulit dijelaskan. Misalnya, relatif besarnya momentum sudut (momentum angular) dalam sistem Bumi-Bulan. Atau bagaimana bisa Bulan memiliki inti kaya besi yang relatif kecil, yakni hanya 25 % terhadap jari-jari Bulan, dibandingkan dengan inti Bumi kita yang sampai mencapai 50 % terhadap jari-jari Bumi.

Jarak Bumi-Bulan yang terus membesar dan tingginya momentum sudut sistem Bumi-Bulan menjadi indikasi bahwa dalam ratusan juta hingga milyaran tahun silam, Bulan pernah berada dalam jarak yang sangat dekat dengan Bumi kita. Bahkan ada kemungkinan Bulan dan Bumi pernah menjadi satu di kala tata surya masih sangat muda. Anggapan ini pertama kali diapungkan seorang George Darwin pada tahun 1898 dan lantas populer sebagai gagasan fisi (pemecahan). Menurut Darwin, saat tata surya masih sangat muda, proto-Bumi sudah mulai berbentuk membulat namun masih sangat panas sehingga keseluruhannya bagiannya masih bersifat cair. Karena proto-Bumi berotasi sangat cepat maka ada sebagian materialnya yang terlontar keluar ke langit. Inilah yang lambat laun kemudian membulat dan membeku menjadi Bulan. Sementara lokasi dimana material pembentuk Bulan tersebut semula berada menjadi cekungan raksasa yang di kemudian hari digenangi air sebagai Samudera Pasifik.

Gagasan fisi Darwin tak pernah menjadi favorit. Apalagi setelah revolusi ilmiah melanda dunia pengetahuan kebumian kita, yang dipantik Wegener dengan teori pengapungan benua-nya pada 1912 dan berpuncak pada diterimanya teori tektonik lempeng dalam setengah abad kemudian. Teori tektonik lempeng menunjukkan bahwa Samudera Pasifik baru terbentuk dalam kurun 200 juta tahun terakhir, alias masih sangat muda dibanding usia Bulan yang telah bermilyar tahun. Samudera Pasifik juga terbentuk sebagai hasil aktivitas lempeng-lempeng tektonik, khususnya lempeng Pasifik. Dengan demikian gagasan fisi ini pun kehilangan salah satu pijakannya. Namun pada 2010 lalu gagasan ini bangkit kembali lewat tangan Rob de Meijer dan Wim van Estrenen. Kedua ilmuwan kebumian Belanda tersebut memaparkan modifikasi fisi lewat gagasan baru yang tak kalah kontroversialnya: fisi terjadi bukan karena proto-Bumi berotasi terlalu cepat, melainkan akibat ledakan nuklir berkekuatan amat sangat dahsyat dengan mengambil lokasi di kawasan perbatasan inti dan selubung proto-Bumi. Ledakan nuklir tersebut dipicu oleh gelombang tekanan yang dihasilkan tumbukan asteroid raksasa (diameter melebihi 100 km) terhadap proto-Bumi. Akibatnya bahan nuklir seperti Uranium-235, Thorium-232 dan Uranium-238 pun demikian terkonsentrasi hingga mencapai massa kritis, yakni massa yang dibutuhkan bagi bahan nuklir untuk bisa menyelenggarakan reaksi fisi berantai dalam kurun waktu tertentu.

Hantaman Akbar

Berbanding terbalik dengan fisi, gagasan yang lebih difavoritkan semenjak dekade 1980-an hingga saat ini adalah gagasan hantaman akbar (giant impact). Gagasan yang pertama kali diapungkan Reginald Adworth Daly, profesor Harvard (AS) kelahiran Canada, pada 1946. Pada intinya gagasan ini mirip dengan gagasan fisi Darwin, hanya saja penyebab terlontarnya sebagian material proto-Bumi ke langit bukanlah faktor internal seperti rotasi Bumi yang sangat cepat ataupun ledakan nuklir yang amat sangat dahsyat. Melainkan faktor internal, yakni saat Bumi purba ditubruk/dihantam oleh benda langit asing seukuran Mars.

 Gambar 2. Simulasi bagaimana proto-Bumi dihantam oleh proto-Theia dan apa yang selanjutnya terjadi hingga 29 jam kemudian. Nampak baik proto-Bumi maupun proto-Theia sudah berbentuk membulat tepat pada saat hantaman akbar terjadi (A). Namun dalam 1,3 jam kemudian, keduanya sontak meleler laksana telur pecah (B). 3 jam kemudian, gravitasi mulai berusaha menyatukan kembali seluruh material yang terpencar-pencar akibat hantaman (C). Sehingga dalam 6 jam pasca hantaman, material yang terpencar dari proto-Theia dan proto-Bumi mulai menyatu kembali dan melonjong, dengan sebagian diantaranya tersembur ke langit seiring tingginya energi (D). 8 jam pasca hantaman, proto-Bumi yang baru mulai terbentuk, namun semburan material ke langit di sekitar Bumi masih terjadi yang menampakkan bentuk 2 lengan (E). Material di dua lengan inilah yang kemudian membentuk dua Bulan. Gravitasi yang terus bekerja membuat proto-Bumi yang baru telah mulai membulat hanya dalam 29 jam pasca hantaman (E). Proto-Bumi yang baru kini dikelilingi oleh cincin pekat produk hantaman. Sumber: NASA Jet Propulsion Laboratory, 2014.
Gambar 2. Simulasi bagaimana proto-Bumi dihantam oleh proto-Theia dan apa yang selanjutnya terjadi hingga 29 jam kemudian. Nampak baik proto-Bumi maupun proto-Theia sudah berbentuk membulat tepat pada saat hantaman akbar terjadi (A). Namun dalam 1,3 jam kemudian, keduanya sontak meleler laksana telur pecah (B). 3 jam kemudian, gravitasi mulai berusaha menyatukan kembali seluruh material yang terpencar-pencar akibat hantaman (C). Sehingga dalam 6 jam pasca hantaman, material yang terpencar dari proto-Theia dan proto-Bumi mulai menyatu kembali dan melonjong, dengan sebagian diantaranya tersembur ke langit seiring tingginya energi (D). 8 jam pasca hantaman, proto-Bumi yang baru mulai terbentuk, namun semburan material ke langit di sekitar Bumi masih terjadi yang menampakkan bentuk 2 lengan (E). Material di dua lengan inilah yang kemudian membentuk dua Bulan. Gravitasi yang terus bekerja membuat proto-Bumi yang baru telah mulai membulat hanya dalam 29 jam pasca hantaman (E). Proto-Bumi yang baru kini dikelilingi oleh cincin pekat produk hantaman. Sumber: NASA Jet Propulsion Laboratory, 2014.

Kini, penelitian terbaru berbasis simulasi termutakhir menambahkan bukti terbaru bagaimana hantaman akbar ini terjadi. Saat proto-Bumi mulai terbentuk dari gumpalan planetisimal yang terus membesar pada 4,5 milyar tahun silam, ia tidaklah sendirian di orbitnya. Sebuah protoplanet lainnya pun turut terbentuk dan berbagi orbit yang sama dengan proto-Bumi. Kita menyebutnya sebagai proto-Theia, protoplanet yang seukuran dengan Mars dengan komposisi batuan sedikit berbeda dengan proto-Bumi dan lebih mirip dengan asteroid tipe E. Proto-Bumi dan Theia purba (proto-Theia) mengedari Matahari dalam orbit bersama demikian rupa, sehingga jika dilihat dari arah Matahari maka proto-Theia selalu berjarak sudut (berelongasi) 60 derajat terhadap proto-Bumi. Dan jika antara pusat proto-Bumi, Matahari dan proto-Theia ditarik garis lurus, maka akan terbentuk sebuah segitiga samasisi imajiner. Meski imajiner, segitiga ini sangat penting kedudukannya dalam astronomi karena menjanjikan stabilitas bagi dua benda langit yang berada dalam sebuah orbit yang sama seperti diungkapkan matematikawan Joseph Louis Lagrange pada hampir 2,5 abad silam.

Namun stabilitas Lagrange hanya berlaku jika salah satu benda langit tersebut berukuran sangat kecil dibanding benda langit lainnya. Jika ukurannya cukup besar seperti dalam kasus proto-Theia terhadap proto-Bumi, maka stabilitas tak pernah tercapai. Sebaliknya proto-Theia mulai bergerak mengayun di sepanjang orbitnya dan lama-kelamaan kian liar hingga kian mendekati Bumi pada salah satu ayunannya. Dengan memanfaatkan lebih dari 250 hasil simulasi komputer berkekuatan tinggi yang dipublikasikannya pada April 2014 lalu, Seth Jacobson dan rekan-rekannya memperlihatkan bahwa pada akhirnya proto-Theia pun menghantam proto-Bumi.



Hantaman itu menyebabkan proto-Bumi yang sudah mulai membulat sontak amburadul dan muncrat kemana-mana layaknya telur yang dilemparkan ke dinding. Permukaan Bumi yang mulai memadat kontan mencair kembali akibat paparan suhu tinggi hingga sekitar 10.000 derajat Celcius. Sebagian material proto-Bumi bahkan sampai terlontar ke langit dan kemudian mengembun menjadi debu dan bongkahan batu beraneka ragam ukuran. Bilamana kita telah ada pada masa itu, maka Bumi akan terlihat dikitari oleh cincin yang besar dan jauh lebih padat ketimbang cincin-cincin Saturnus. Lambat laun batu demi batu dan debu demi debu itu dalam cincin mulai terkumpul kembali melalui proses akresi. Hingga terbentulah gumpalan material yang lama kelamaan kian membesar. Tak hanya satu gumpalan, melainkan terbentuk dua dengan salah satunya berukuran lebih kecil. Jadi, berjuta tahun setelah hantaman akbar terjadi, kita akan melihat cincin Bumi kian menipis, berganti dengan pemandangan dua benda langit baru yang mengawal Bumi kita sebagai Bulan pertama dan Bulan kedua.

Laksana proto-Bumi dan proto-Theia, Bulan pertama dan Bulan kedua mengedari proto-Bumi kita pada orbit yang sama dalam konfigurasi Lagrange. Selama berjuta tahun kemudian Bulan pertama dan Bulan kedua ini terus membulat dan memadat. Namun seperti halnya yang dialami proto-Theia, stabilitas Lagrange tak pernah diraih Bulan kedua yang lebih kecil (diameter sekitar 1.000 km). Sehingga perlahan tapi pasti, aksi gravitasi Bumi dan pengaruh gravitasi planet-planet tetangga membuat Bulan kedua mulai berayun-ayun di dalam orbitnya. Ayunannya kian lama kian liar dan pada akhirnya ia pun bertuburukan dengan Bulan pertama yang ukurannya lebih besar. Peristiwa mirip hantaman akbar pun terulang, hanya saja kali ini keduanya menyatu menjadi apa yang kini kita kenal sebagai satu-satunya satelit alami planet biru: Bulan. Penyatuan ini terjadi dalam kurun 50 juta tahun pasca hantaman besar. Penyatuan tersebut membentuk sisi jauh Bulan, juga menyebabkan pusat inti Bulan sedikit bergeser dibanding pusat Bulan dan ketebalan kerak Bulan di sisi dekat Bulan jauh lebih tipis. Sehingga gunung-gemunung berapi Bulan banyak dijumpai di sini.

Setahun 400 Hari

 Gambar 3. Simulasi bagaimana kedua Bulan yang dimiliki proto-Bumi pasca hantaman akbar kembali menyatu sekitar 50 juta tahun setelah terjadinya hantaman akbar. Nampak tepat pada saat penyatuan akan terjadi, Bulan pertama sudah berbentuk membulat sementara Bulan kedua relatif lonjong. Saat Bulan kedua menghantam Bulan pertama, energinya tak cukup besar untuk memencarkan sebagian besar material Bulan pertama, sehingga Bulan kedua justru melekat (menyatu) dengan Bulan pertama. Dalam 1,4 jam pasca penyatuan, gravitasi terus bekerja sehingga bentuk Bulan yang baru mulai membulat. Penyatuan ini boleh dikata telah usai hanya dalam 2,8 jam kemudian, saat Bulan yang baru telah hadir dan benar-benar bulat. Material yang melekat dari Bulan kedua membentuk apa yang kita kenal sebagai sisi jauh Bulan. Sumber: NASA Jet Propulsion Laboratory, 2014.
Gambar 3. Simulasi bagaimana kedua Bulan yang dimiliki proto-Bumi pasca hantaman akbar kembali menyatu sekitar 50 juta tahun setelah terjadinya hantaman akbar. Nampak tepat pada saat penyatuan akan terjadi, Bulan pertama sudah berbentuk membulat sementara Bulan kedua relatif lonjong. Saat Bulan kedua menghantam Bulan pertama, energinya tak cukup besar untuk memencarkan sebagian besar material Bulan pertama, sehingga Bulan kedua justru melekat (menyatu) dengan Bulan pertama. Dalam 1,4 jam pasca penyatuan, gravitasi terus bekerja sehingga bentuk Bulan yang baru mulai membulat. Penyatuan ini boleh dikata telah usai hanya dalam 2,8 jam kemudian, saat Bulan yang baru telah hadir dan benar-benar bulat. Material yang melekat dari Bulan kedua membentuk apa yang kita kenal sebagai sisi jauh Bulan. Sumber: NASA Jet Propulsion Laboratory, 2014.

Bagaimana dengan Bumi? Hantaman akbar membuat inti kaya besi di proto-Theia melesak masuk dan bergabung dengan inti kaya besi proto-Bumi. Inilah yang membuat inti Bumi kita berukuran cukup besar pada saat ini. Hantaman akbar juga menghamburkan sebagian selubung dan kerak proto-Bumi ke langit, bersamaan dengan selubung dan kerak proto-Theia. Diduga kuantitas material yang berasal dari proto-Bumi lebih besar ketimbang material proto-Theia dan inilah yang kemudian membentuk komposisi Bulan kita.

Hantaman akbar juga menyebabkan Bumi miring hingga 23,5 derajat dari sumbu tegaklurus ekliptika. Bermilyar tahun kemudian, kemiringan ini sangat berperan dalam menentukan dinamika iklim di permukaan Bumi sehingga memungkinkan peradaban manusia tumbuh dan berkembang. Hantaman akbar pun membuat proto-Bumi pada awalnya berotasi sangat cepat, dengan periode rotasi hanya 5 jam. Namun begitu penyatuan Bulan terjadi, segera sistem Bumi-Bulan terbentuk dan saling berinteraksi secara gravitasi sehingga terjadilah kuncian gravitasi (gravity locking). Kuncian ini menyebabkan Bulan selalu menghadapkan wajahnya yang sama ke Bumi, membuat kita tak pernah bisa melihat sisi jauh Bulan secara langsung. Lambat laun Bulan pun kian menjauh, yang berimbas pada melambatnya rotasi Bumi. Sehingga pada 620 juta tahun silam, jejak yang terekam pada fosil kerang dan karang memperlihatkan periode rotasi Bumi telah sebesar 21,9 jam, yang berkorespondensi dengan jarak rata-rata Bumi ke Bulan saat itu sebesar 380.900 km. Konsekuensinya setahun Gregorian (Masehi) pada saat itu setara dengan 400 hari, bukan 365 hari.

Hantaman akbar merupakan fenomena teramat dahsyat yang umum dijumpai di saat tata surya berusia sangat muda. Peristiwa sejenis diyakini juga pernah dialami proto-Venus, yang berakibat pada lambatnya rotasi planet Venus saat ini dibanding revolusinya. Merkurius pun, kala masih sebagai proto-Merkurius, diindikasikan juga mengalami hal serupa yang membuat inti planet ini berukuran terlalu besar jika dibandingkan dengan inti-inti planet lainnya.

Referensi :

Choi. 2014. Moon’s Age Revealed, and a Lunar Mystery May Be Solved. Space.com, 2 April 2014.

Tate. 2014. How the Moon Was Made: Lunar Evolution Explained (Infographic). Space.com, 2 April 2014.

Ma'rufin Sudibyo

Orang biasa saja yang suka menatap bintang dan sedang mencoba menjadi komunikator. Saat ini sebagai ketua tim ahli Badan Hisab dan Rukyat Daerah (BHRD) Kebumen, Jawa Tengah. Aktif pula dalam Lembaga Pengkajian dan Pengembangan Ilmu Falak Rukyatul Hilal Indonesia (LP2IF RHI), Ikatan Cendekiawan Falak Indonesia (ICFI), Jogja Astro Club dan International Crescent Observations Project(ICOP). Juga sebagai pembimbing dan pendamping Forum Kajian Ilmu Falak (FKIF) Gombong dan Majelis Kajian Ilmu Falak (MKF) Kebumen, keduanya di Kabupaten Kebumen, Jawa Tengah.

Leave a Reply