Cahaya sebagai Petunjuk

Peneliti Matahari dan Antariksa LAPAN

Tahukah Anda bahwa Majelis Umum PBB telah mencanangkan tahun 2015 ini sebagai tahun cahaya (International Year of Light, IYL)? Ini berarti PBB menyadari pentingnya membangkitkan kesadaran dunia internasional (global awareness) tentang bagaimana teknologi yang menggunakan cahaya mampu mendukung pembangunan yang berkelanjutan dan menyediakan solusi atas berbagai permasalahan di bidang energi, pendidikan, pertanian, dan kesehatan.

Secara resmi, ada empat tema IYL tahun ini yaitu: science of light, light technology, light in nature, dan light and culture. Tulisan ini mengangkat tema lain yaknilight and religion (dalam hal ini Islam) yang saya ajukan untuk dimuat di buku Tafsir Ilmi: Cahayaterbitan Kementerian Agama. 

Allah (Pemberi) cahaya (kepada) langit dan bumi. perumpamaan cahaya Allah, adalah seperti sebuah lubang yang tak tembus, yang di dalamnya ada Pelita besar. Pelita itu di dalam kaca (dan) kaca itu seakan-akan bintang (yang bercahaya) seperti mutiara, yang dinyalakan dengan minyak dari pohon yang berkahnya, (yaitu) pohon zaitun yang tumbuh tidak di sebelah timur (sesuatu) dan tidak pula di sebelah barat(nya), yang minyaknya (saja) hampir-hampir menerangi, walaupun tidak disentuh api. cahaya di atas cahaya (berlapis-lapis), Allah membimbing kepada cahaya-Nya siapa yang dia kehendaki, dan Allah memperbuat perumpamaan-perumpamaan bagi manusia, dan Allah Maha mengetahui segala sesuatu. (QS. 24:35)

Dalam tafsir Jalalain, cahaya-Nya ditafsirkan adalah agama Islam. Manusia yang memahami dan mengikuti agama ini akan meraih kebahagiaan di dunia dan akhirat. Itu makna cahaya secara spiritual. Dalam maknanya secara fisik, cahaya juga memiliki arti yang sangat penting. Pemahaman manusia tentang cahaya secara fisik telah memungkinkannya untuk mengenal alam ini lebih jauh dan menciptakan berbagai teknologi yang memberikan berbagai kemudahan dalam hidupnya.

Pada kenyataannya, manusia sejak lama telah memanfaatkan cahaya secara fisik. Dengan astronomi, cahaya bintang diamati dan diteliti untuk memahami alam semesta. Dengan astronomi pula, posisi bintang (yang diketahui dari cahayanya) sejak lama digunakan sebagai pedoman bagi manusia untuk melanglang buana ke negeri-negeri yang jauh. Cahaya selama ini telah berperan sebagai petunjuk bagi manusia untuk mengenal dan memanfaatkan lebih jauh alam yang ditempatinya ini guna meningkatkan kesejahteraan hidupnya.

A.    Cahaya untuk memahami alam semesta

Cahaya yang kita terima dari bintang (termasuk matahari) adalah bagian dari energi yang dipancarkan bintang tersebut dari proses termal yang dialaminya. Reaksi fusi nuklir yang terjadi di pusat bintang mampu menyalakan cahaya ini selama milyaran tahun. Matahari sebagai bintang terdekat diyakini telah bercahaya selama 5 miliar tahun. Bintang-bintang lainnya ada yang mencapai usia lebih dari 10 miliar tahun.

Cahaya bintang yang terlihat (cahaya tampak, visible light) hanya sebagian kecil dari keseluruhan spektrum elektromagnetik. Sebuah bintang bisa memancarkan cahaya dalam rentang elektromagnetik yang sangat lebar. Dengan menganalisis cahaya (gelombang elektromagnetik) yang dipancarkan sebuah bintang, astronom dapat mengetahui karakteristik bintang tersebut antara lain jenisnya, temperaturnya, massanya, dan usianya.

Tidak semua cahaya (gelombang elektromagnetik) yang dipancarkan oleh bintang bisa diamati dari permukaan bumi. Atmosfer menyerap sebagian besar gelombang tersebut ketika melewatinya sehingga hanya cahaya tampak dan sebagian gelombang lainnya yang bisa teramati dari permukaan bumi (Gambar 1). Meski demikian, pengamatan cahaya optik yang telah berlangsung sejak dahulu kala telah memberikan banyak sekali informasi tentang karakeristik alami bintang, planet, dan benda langit lainnya.

Gambar 1. Cahaya tampak, sebagian gelombang inframerah, dan sebagian gelombang radio mampu menembus atmosfer sehingga teramati dari permukaan bumi. Sumber:http://imagine.gsfc.nasa.gov/

Pengamatan cahaya tampak

Pengamatan cahaya tampak atau lebih dikenal dengan pengamatan optik telah berlangsung sangat lama. Bahkan jauh sebelum ditemukannya teleskop optik, manusia telah mengamati gerak harian matahari, bintang, planet, dan bulan dengan mata telanjang. Pengamatan komet bahkan telah tercatat pada 164 SM (Gambar 2). Pengamatan-pengamatan tersebut memberi petunjuk mengenai keteraturan alam ini. Pemahaman ini selanjutnya dimanfaatkan untuk berbagai keperluan seperti bercocok tanam dan penanggalan seperti dilakukan antara lain di Mesopotamia, Mesir, dan Cina.

Gambar 2. Pengamatan komet Halley pada pada 164 SM yang tertera dalam sebuah Babylonian tablet. Sumber: http://en.wikipedia.org/

Setelah ditemukannya teleskop optik, yang mampu mengumpulkan dan memusatkan cahaya, manusia bisa mengamati cahaya benda langit yang jauh lebih redup daripada yang bisa dilihatnya dengan mata telanjang. Pengamatan gerak benda-benda langit yang lebih lengkap dan akurat akhirnya memungkinkan manusia untuk memahami gerak benda-benda langit yang dilihatnya. Salah satu kesimpulan yang diambil adalah bahwa planet-planet (yang berbeda gerak dan penampakan cahayanya dari bintang-bintang) bergerak mengelilingi Matahari yang berada di pusat garis edar planet-planet tersebut (Gambar 3).

Gambar 3. Planet-planet dan benda-benda lain dalam tata surya beredar mengitari matahari di pusatnya. Sumber: https://heasarc.gsfc.nasa.gov

Aplikasi matematika dalam astronomi kemudian mampu menghasilkan model pergerakan benda-benda dalam tata surya dan memungkinkan diprediksinya posisi benda-benda langit tersebut secara akurat di masa depan dan di masa lalu. Dengan kemampuan melakukan prediksi ini, manusia dapat memperkirakan dengan lebih baik relevansi antara suatu kejadian di Bumi dengan kejadian di langit pada suatu waktu dan mengantisipasi suatu kejadian yang mungkin terjadi.

Pada abad ke-20, melalui pengamatan optik manusia baru menyadari bahwa matahari adalah salah satu dari milyaran bintang lain yang merupakan anggota dari suatu struktur yang sangat besar yang dinamakan Galaksi Bimasakti dan bahwa alam semesta terdiri dari sangat banyak galaksi. Dari pengamatan galaksi-galaksi yang sangat jauh jaraknya dari Bumi dan terus menerus menjauh, manusia akhirnya sampai pada kesimpulan bahwa alam semesta ini berawal dari suatu titik yang kemudian mengembang dan terus mengembang. Maha suci Allah SWT yang telah berfirman:

Dan langit itu Kami bangun dengan kekuasaan (Kami) dan sesungguhnya Kami yang meluaskannya. (QS. 51:47).

Dan apakah orang-orang yang kafir tidak mengetahui bahwasanya langit dan bumi itu keduanya dahulu adalah suatu yang padu, Kemudian Kami pisahkan antara keduanya. dan dari air Kami jadikan segala sesuatu yang hidup. Maka mengapakah mereka tiada juga beriman? (QS. 21:30).

Pengamatan gelombang lain

Pengamatan radio untuk astronomi (astronomi radio) berawal pada sekitar tahun 1930. Perkembangannya mengantar manusia pada penemuan cosmic microwave background radiation yang menguatkan kesimpulan yang diambil sebelumnya bahwa alam semesta ini berasal dari suatu titik yang kemudian mengembang dan terus mengembang.

Pengamatan pada panjang gelombang lain terus bermunculan seiring berkembangnya iptek di abad ke-20 khususnya ketika manusia mampu meluncurkan satelit yang mengorbit di luar atmosfer. Dengan teleskop yang ditempatkan di satelit, seluruh spektrum elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah objek dapat diamati (Gambar 4).

Gambar 4. Saat ini manusia telah mampu mengamati alam semesta di berbagai panjang gelombang termasuk pada sinar gamma. Sumber: http://www.isdc.unige.ch/

Dengan mengamati suatu objek pada berbagai panjang gelombang, pengetahuan manusia tentang karakteristik alami benda tersebut menjadi semakin sempurna. Sebagai contoh,  mengamati matahari pada berbagai panjang gelombang memungkinkan kita untuk mengetahui lebih detil berbagai fenomena di Matahari. Jika dengan gelombang optik (4000 hingga 7000 Angstrom) kita hanya bisa mengamati fotosfer (permukaan matahari) dengan bintik-bintiknya (disebut bintik matahari atau sunspot), dengan dengan panjang gelombang yang lebih rendah yakni 1700 Angstrom kita bisa mengamati lapisan di atas fotosfer yakni kromosfer, dengan panjang gelombang yang lebih rendah lagi yakni 171 Angstrom kita bisa mengamati lapisan terluar matahari yakni korona.

B.    Cahaya untuk navigasi

Navigasi adalah pengetahuan yang dibutuhkan untuk menentukan dan mempertahankan gerak kendaraan dari satu tempat ke tempat lainnya. Dari sejarahnya, navigasi berawal dari keinginan manusia untuk mengarahkan kapalnya atau hewan tunggangannya di antara dua titik yang telah diketahui memakai jarak yang paling pendek dan waktu yang paling cepat (Gambar 5).

Gambar 5. Ilustrasi penggunaan bintang sebagai panduan dalam navigasi laut.

Tidak mudah untuk mengetahui siapa atau bangsa mana yang pertama kali menggunakan bintang untuk navigasi mereka. Kendati pengetahuan astronomi bangsa Babilonia, Fenisia, Yunani, dan Arab terekam dengan baik dalam catatan sejarah dan mungkin saja pengetahuan tersebut telah digunakan untuk keperluan navigasi, sedikit sekali catatan yang mengaitkan kedua disiplin ilmu tersebut. Berdasarkan catatan yang ada, navigasi dengan mengamati bintang dimulai dengan kisah Odysseus dalam epik Odyssey (akhir abad ke-8 SM). Dalam salah satu perjalanan khayalnya, dia mengatur arah kapalnya sehingga bintang-bintang dalam rasi Beruang Besar (Great Bear) atau Ursa Major selalu berada di sebelah kirinya malam demi malam.

Di masa lalu

Para pelaut di belahan bumi utara telah biasa memakai Bintang Kutub (Polaris) untuk memandu mereka mengarungi samudera luas sejak dahulu kala (Gambar 6). Keunikan bintang ini adalah posisinya yang sangat dekat dengan arah utara bumi yang sebenarnya (utara geografis) sehingga bisa digunakan sebagai penuntun menuju arah utara. Bagi pelaut di utara, Polaris akan selalu terlihat di malam hari karena tidak mengalami terbit dan terbenam. Bintang-bintang di sekitarnya akan terlihat jelas mengitari Polaris jika dipotret dengan waktu paparan (exposure time) yang cukup lama (Gambar 7).

Gambar 6. Posisi Bintang Kutub (Polaris) yang berada di rasi Ursa Minor. Gambar dibuat dengan perangkat lunak TheSky6.0 untuk lokasi pengamat di Spanyol.

Gambar 7. Bintang Polaris (Bintang Kutub) sejak lama digunakan untuk pelaut-pelaut di belahan bumi utara sebagai panduan arah karena lokasinya yang cukup dekat dengan arah utara bumi yang sebenarnya. Bintang-bintang di sekitarnya terlihat mengitari Polaris. Sumber:http://www.darkerview.com/

Pada siang hari, para navigator masa lalu mengamati posisi matahari untuk mengatur arah mereka. Posisi matahari saat melewati titik tertingginya di langit (kulminasi atas) digunakan sebagai tanda arah selatan (atau utara). Ketika itu matahari akan condong ke selatan. Sebaliknya, bagi orang-orang yang berada di belahan bumi selatan, matahari akan condong ke utara saat berada di kulminasi atas. Di lintang rendah, terbit dan terbenam matahari dipakai untuk menentukan arah timur dan barat.

Tidak tersedianya bintang di belahan bumi selatan yang bisa berfungsi seperti Polaris di belahan utara menjadi pendorong berkembangnya navigasi berbasis astronomi (astronomical navigation) pada pertengahan abad ke-15. Berbeda dengan navigasi yang hanya mengandalkan pada penampakan bintang-bintang di langit, navigasi astronomi telah memanfaatkan instrumen-instrumen ilmiah dan tabel-tabel astronomi yang diperoleh dari studi ilmiah. Pada masa inilah, mariner’s astrolabe dikembangkan dari astronomical astrolabe sekitar tahun 1445 untuk mengukur ketinggian sudut (Gambar 8). Selain itu, para astronomer turut melatih para navigator dan juga bertanggungjawab dalam menyediakan instrumen-instrumen navigasi dan memperbaiki peta-peta yang digunakan oleh navigator.

Gambar 8. Ilustrasi mariner’s astrolabe yang dikembangkan dari astronomical astrolabe. Sumber: http://en.wikipedia.org/

Di jaman modern

Dewasa ini navigasi tidak lagi berbasis astronomi. Navigasi berbasis satelit mulai mengambil alih peran navigasi astronomi pada akhir 1970an. Dengan satelit navigasi seperti GPS (Global Positioning System) milik Amerika Serikat dan Glonass milik Rusia (Gambar 9), posisi dapat diketahui secara instan dan mudah sekali dengan akurasi yang jauh lebih baik dibanding navigasi astronomi.  Meskipun demikian, ternyata cahaya bintang-bintang masih tetap digunakan.

Gambar 9. Ilustrasi beberapa satelit yang membentuk sistem satelit navigasi seperti GPS dan Glonass. Sumber: http://timeandnavigation.si.edu/

Satelit senantiasa perlu dikendalikan arahnya (sikapnya) agar stabil (tidak berputar ke sembarang arah). Satelit-satelit navigasi harus selalu diatur arahnya diantaranya agar sinyal yang diterima dan dipancarkannya tepat sasaran. Sebelum melakukan koreksi arah, tentu saja arah satelitnya sendiri harus diketahui. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan posisi bintang-bintang sebagai referensi arah satelit (Gambar 10). Alat yang dikembangkan untuk mengamati bintang dalam keperluan ini disebut startracker (Gambar 11).

Gambar 10. Ilustrasi penggunaan bintang-bintang untuk mengetahui arah satelit. Sumber:http://nmp.jpl.nasa.gov/

Gambar 11. Ilustrasi identifikasi bintang pada detektor Astro APS star tracker untuk satelit Alphasat milik ESA. Sumber: http://www.esa.int/

Demikianlah, cahaya bintang sejak dahulu kala hingga saat ini digunakan untuk keperluan navigasi jarak jauh. Jika dahulu para pelaut langsung menggunakan cahaya bintang untuk memandu kapal mereka ke tempat tujuan, saat ini kita pun memanfaatkannya namun tidak secara langsung. Perkembangan teknologi telah memungkinkan kita untuk sampai ke tempat-tempat yang jauh tanpa mengamati bintang sedikit pun melalui satelit dan berbagai teknologi modern lainnya.