Studi tentang “planet ekstrasurya”, nama yang terdengar seperti fiksi ilmiah untuk semua planet di kosmos di luar tata surya kita, adalah bidang yang cukup baru. Terutama, peneliti planet ekstrasurya seperti yang ada di ExoLab di Universitas Kansas menggunakan data dari teleskop luar angkasa seperti Teleskop Luar Angkasa Hubble dan Teleskop Luar Angkasa Webb. Setiap kali tajuk berita memuat temuan tentang planet “mirip Bumi” atau planet-planet yang berpotensi mendukung umat manusia, yang mereka bicarakan adalah exoplanet di dalam Bima Sakti kita.
Jonathan Brande, kandidat doktor di ExoLab Universitas Kansas, baru saja menerbitkan temuannya di jurnal ilmiah akses terbuka The Astrophysical Journal Letters yang menunjukkan detail atmosfer baru di 15 eksoplanet yang mirip Neptunus. Meskipun tidak ada yang bisa mendukung umat manusia, pemahaman yang lebih baik tentang perilaku mereka mungkin dapat membantu kita memahami mengapa kita tidak memiliki Neptunus berukuran kecil, sementara sebagian besar tata surya tampaknya memiliki planet sekelas ini.
“Selama beberapa tahun terakhir di KU, fokus saya adalah mempelajari atmosfer planet ekstrasurya melalui teknik yang disebut spektroskopi transmisi,” kata Brande. “Saat sebuah planet transit, artinya ia bergerak antara garis pandang kita dan bintang yang diorbitnya, cahaya dari bintang tersebut melewati atmosfer planet tersebut, diserap oleh berbagai gas yang ada. Dengan menangkap spektrum bintang – melewatkan cahaya melalui instrumen yang disebut spektrograf, mirip dengan melewatkannya melalui prisma – kita mengamati pelangi, mengukur kecerahan berbagai warna penyusunnya. Area kecerahan atau keremangan yang bervariasi dalam spektrum menunjukkan adanya gas yang menyerap cahaya di atmosfer planet ini.”
Dengan metodologi ini, beberapa tahun lalu Brande menerbitkan makalah tentang planet ekstrasurya “Neptunus hangat” TOI-674 b, di mana ia mempresentasikan pengamatan yang menunjukkan adanya uap air di atmosfernya. Pengamatan ini adalah bagian dari program yang lebih luas yang dipimpin oleh penasihat Brande, Ian Crossfield, profesor fisika & astronomi di KU, untuk mengamati atmosfer planet ekstrasurya seukuran Neptunus.
“Kami ingin memahami perilaku planet-planet ini, mengingat planet yang sedikit lebih besar dari Bumi dan lebih kecil dari Neptunus adalah yang paling umum ditemukan di galaksi,” kata Brande.
Makalah ApJL terbaru ini merangkum pengamatan dari program tersebut, menggabungkan data dari pengamatan tambahan untuk mengatasi mengapa beberapa planet tampak berawan sementara yang lain terlihat cerah.
“Tujuannya adalah untuk mengeksplorasi penjelasan fisik di balik penampakan berbeda dari planet-planet ini,” kata Brande.
Brande dan rekan penulisnya mencatat secara khusus wilayah di mana planet ekstrasurya cenderung membentuk awan atau kabut di atmosfernya. Ketika ada aerosol di atmosfer, peneliti KU mengatakan kabut dapat menghalangi penyaringan cahaya melalui atmosfer.
“Jika sebuah planet memiliki awan tepat di atas permukaannya dengan ratusan kilometer udara jernih di atasnya, cahaya bintang dapat dengan mudah melewati udara jernih tersebut dan hanya diserap oleh gas tertentu di bagian atmosfer tersebut,” kata Brande. “Namun, jika awan ditempatkan sangat tinggi, awan umumnya buram di seluruh spektrum elektromagnetik. Meskipun kabut memiliki fitur spektral, dalam penelitian kami, di mana kami fokus pada rentang yang relatif sempit dengan Hubble, kabut juga menghasilkan sebagian besar spektrum datar.”
Menurut Brande, ketika aerosol berada jauh di atmosfer, tidak ada jalur yang jelas bagi cahaya untuk menyaringnya.
“Dengan Hubble, satu-satunya gas yang paling sensitif bagi kita adalah uap air,” katanya. “Jika kita mengamati uap air di atmosfer suatu planet, itu merupakan indikasi yang baik bahwa tidak ada awan yang cukup tinggi untuk menghalangi penyerapannya. Sebaliknya, jika uap air tidak teramati dan hanya spektrum datar yang terlihat, meskipun planet tersebut diketahui memiliki atmosfer yang luas, hal ini menunjukkan kemungkinan adanya awan atau kabut di ketinggian yang lebih tinggi.”
Brande memimpin pekerjaan tim astronom internasional pada makalah tersebut, termasuk Crossfield di KU dan kolaborator dari Max Planck Institute di Heidelberg, Jerman, kelompok yang dipimpin oleh Laura Kreidberg, dan peneliti di Universitas Texas, Austin, yang dipimpin oleh Caroline. Morley.
Brande dan rekan penulisnya melakukan pendekatan analisis yang berbeda dari upaya sebelumnya dengan berfokus pada penentuan parameter fisik atmosfer kecil Neptunus. Sebaliknya, analisis sebelumnya sering kali melibatkan penyesuaian spektrum model tunggal pada observasi.
“Biasanya, para peneliti akan mengambil model atmosfer dengan kandungan air yang telah dihitung sebelumnya, menskalakannya dan menggesernya agar sesuai dengan planet yang diamati dalam sampel mereka,” kata Brande. “Pendekatan ini menunjukkan apakah spektrumnya cerah atau berawan, tetapi tidak memberikan informasi tentang jumlah uap air atau lokasi awan di atmosfer.”
Sebaliknya, Brande menggunakan teknik yang dikenal sebagai “pengambilan atmosfer”.
“Ini melibatkan pemodelan atmosfer di berbagai parameter planet seperti jumlah uap air dan lokasi awan, mengulangi ratusan dan ribuan simulasi untuk menemukan konfigurasi yang paling sesuai,” katanya. “Pengambilan yang kami lakukan memberi kami spektrum model yang paling sesuai untuk setiap planet, yang kemudian kami hitung seberapa berawan atau cerahnya planet tersebut. Kemudian, kami membandingkan kejernihan yang diukur tersebut dengan rangkaian model terpisah dari Caroline Morley, sehingga kami dapat melihat bahwa hasil yang kami peroleh sejalan dengan ekspektasi untuk planet serupa. Dalam memeriksa perilaku awan dan kabut, model kami menunjukkan bahwa awan lebih cocok dibandingkan kabut. Parameter efisiensi sedimentasi, yang mencerminkan kekompakan awan, menunjukkan bahwa planet yang diamati memiliki efisiensi sedimentasi yang relatif rendah, sehingga menghasilkan awan yang halus. Awan ini, terdiri dari partikel-partikel seperti tetesan air, tetap berada di atmosfer karena kecenderungan pengendapannya yang rendah.”
Temuan Brande memberikan wawasan tentang perilaku atmosfer planet ini dan menimbulkan “ketertarikan besar” ketika ia mempresentasikannya pada pertemuan American Astronomical Society baru-baru ini.
Temuan lainnya
Apalagi Brande merupakan bagian dari program observasi internasional yang dipimpin oleh Crossfield, yang baru saja mengumumkan temuan uap air di GJ 9827d — planet sepanas Venus yang berjarak 97 tahun cahaya dari Bumi di konstelasi Pisces.
Pengamatan yang dilakukan dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble menunjukkan bahwa planet ini mungkin hanyalah salah satu contoh planet kaya air di Bima Sakti. Hal ini diumumkan oleh tim yang dipimpin oleh Pierre-Alexis Roy dari Trottier Institute for Research on Exoplanets di Université de Montréal.
“Kami sedang mencari uap air di atmosfer planet tipe sub-Neptunus,” kata Brande. “Makalah Pierre-Alexis adalah yang terbaru dari upaya utama tersebut karena diperlukan sekitar 10 atau 11 orbit atau transit planet untuk melakukan deteksi uap air. Spektrum Pierre-Alexis dimasukkan dalam makalah kami sebagai salah satu titik data tren, dan kami menyertakan semua planet dari proposal mereka dan planet lain yang dipelajari dalam literatur, sehingga hasil kami lebih kuat. Kami berkomunikasi erat dengan mereka selama proses pembuatan kedua makalah tersebut untuk memastikan kami menggunakan hasil terkini yang tepat dan mencerminkan temuan mereka secara akurat.”