Biasanya, planet-planet dalam sistem planet yang berevolusi, seperti Tata Surya, mengikuti orbit yang stabil di sekitar bintang pusatnya. Namun, banyak indikasi menunjukkan bahwa beberapa planet mungkin menyimpang dari tempat kelahirannya selama awal evolusi dengan bermigrasi ke dalam atau ke luar. Migrasi planet ini mungkin juga menjelaskan pengamatan yang telah membingungkan para peneliti selama beberapa tahun: jumlah eksoplanet yang relatif sedikit dengan ukuran sekitar dua kali lebih besar dari Bumi, yang dikenal sebagai radius lembah atau celah. Sebaliknya, ada banyak exoplanet yang lebih kecil dan lebih besar dari ukuran tersebut.
“Enam tahun lalu, analisis ulang data dari teleskop luar angkasa Kepler mengungkapkan kekurangan exoplanet dengan ukuran sekitar dua jari-jari Bumi,” jelas Remo Burn, peneliti exoplanet di Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg. Dia adalah penulis utama artikel yang melaporkan temuan yang diuraikan dalam artikel ini, yang sekarang diterbitkan di Astronomi Alam.
Dari mana datangnya radius lembah?
“Faktanya, kami – seperti kelompok penelitian lainnya – memperkirakan berdasarkan perhitungan kami, bahkan sebelum observasi ini, bahwa kesenjangan tersebut pasti ada,” jelas rekan penulis Christoph Mordasini, anggota dari National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS. Dia mengepalai Divisi Penelitian Luar Angkasa dan Ilmu Planet di Universitas Bern. Prediksi ini bermula saat ia menjabat sebagai ilmuwan di MPIA, yang telah bersama-sama meneliti bidang ini dengan Universitas Bern selama bertahun-tahun.
Mekanisme yang paling umum dikemukakan untuk menjelaskan munculnya lembah radius seperti itu adalah bahwa planet mungkin kehilangan sebagian atmosfer aslinya akibat iradiasi dari bintang pusatnya – terutama gas yang mudah menguap seperti hidrogen dan helium. “Namun, penjelasan ini mengabaikan pengaruh migrasi planet,” jelas Burn. Telah ditetapkan selama sekitar 40 tahun bahwa dalam kondisi tertentu, planet dapat bergerak masuk dan keluar melalui sistem planet seiring berjalannya waktu. Seberapa efektif migrasi ini dan sejauh mana pengaruhnya terhadap perkembangan sistem planet berdampak pada kontribusinya terhadap pembentukan lembah radius.
Sub-Neptunus yang penuh teka-teki
Dua jenis exoplanet berbeda menghuni kisaran ukuran di sekitar celah tersebut. Di satu sisi, terdapat planet berbatu, yang mungkin lebih masif daripada Bumi sehingga disebut Bumi super. Di sisi lain, para astronom semakin banyak menemukan apa yang disebut sub-Neptunus (juga mini-Neptunus) di sistem planet jauh, yang rata-rata berukuran sedikit lebih besar daripada super-Bumi.
“Namun, kita tidak memiliki kelas exoplanet seperti ini di Tata Surya,” kata Burn. “Itulah sebabnya, hingga saat ini, kami tidak begitu yakin mengenai struktur dan komposisinya.”
Meski begitu, para astronom sepakat bahwa planet-planet ini memiliki atmosfer yang jauh lebih luas dibandingkan planet berbatu. Akibatnya, pemahaman tentang kontribusi karakteristik sub-Neptunus terhadap kesenjangan radius masih belum pasti. Mungkinkah kesenjangan tersebut menunjukkan bahwa kedua jenis dunia ini terbentuk secara berbeda?
Berkeliaran di planet es
“Berdasarkan simulasi yang telah kami publikasikan pada tahun 2020, hasil terbaru menunjukkan dan mengonfirmasi bahwa evolusi sub-Neptunus setelah kelahirannya berkontribusi signifikan terhadap lembah radius yang diamati,” simpul Julia Venturini dari Universitas Jenewa. Dia adalah anggota PlanetS kolaborasi yang disebutkan di atas dan memimpin studi tahun 2020.
Di wilayah es tempat kelahirannya, di mana planet-planet menerima sedikit radiasi pemanasan dari bintangnya, sub-Neptunus seharusnya memiliki ukuran yang tidak sesuai dengan distribusi yang diamati. Saat planet-planet yang diduga es ini bermigrasi mendekati bintang, es tersebut mencair, yang akhirnya membentuk atmosfer uap air yang kental.
Proses ini mengakibatkan pergeseran jari-jari planet ke nilai yang lebih besar. Lagi pula, observasi yang digunakan untuk mengukur jari-jari planet tidak dapat membedakan apakah ukuran yang ditentukan disebabkan oleh bagian padat planet itu sendiri atau karena adanya atmosfer tambahan yang padat.
Pada saat yang sama, seperti yang telah dikemukakan pada gambar sebelumnya, planet berbatu 'menyusut' karena kehilangan atmosfernya. Secara keseluruhan, kedua mekanisme tersebut menghasilkan kekurangan planet dengan ukuran sekitar dua jari-jari Bumi.
Model komputer fisik yang mensimulasikan sistem planet
“Penelitian teoretis yang dilakukan oleh kelompok Bern-Heidelberg telah secara signifikan memajukan pemahaman kita tentang pembentukan dan komposisi sistem planet di masa lalu,” jelas Direktur MPIA Thomas Henning. “Oleh karena itu, penelitian ini merupakan hasil kerja persiapan bersama selama bertahun-tahun dan perbaikan terus-menerus pada model fisik.”
Hasil terbaru berasal dari perhitungan model fisik yang melacak pembentukan planet dan evolusi selanjutnya. Mereka mencakup proses dalam piringan gas dan debu yang mengelilingi bintang-bintang muda yang menghasilkan planet-planet baru. Model-model ini mencakup kemunculan atmosfer, pencampuran berbagai gas, dan migrasi radial.
“Inti dari penelitian ini adalah sifat-sifat air pada tekanan dan suhu yang terjadi di dalam planet dan atmosfernya,” jelas Burn. Memahami bagaimana air berperilaku pada berbagai tekanan dan suhu sangat penting untuk simulasi. Pengetahuan ini baru memiliki kualitas yang memadai dalam beberapa tahun terakhir. Komponen inilah yang memungkinkan penghitungan perilaku sub-Neptunus secara realistis, sehingga menjelaskan manifestasi atmosfer yang luas di wilayah yang lebih hangat.
“Sungguh luar biasa bagaimana, dalam kasus ini, sifat fisik pada tingkat molekuler mempengaruhi proses astronomi skala besar seperti pembentukan atmosfer planet,” tambah Henning.
“Jika kami memperluas hasil penelitian kami ke wilayah yang lebih dingin, yang airnya berbentuk cair, hal ini mungkin menunjukkan adanya dunia air dengan lautan dalam,” kata Mordasini. “Planet-planet tersebut berpotensi menampung kehidupan dan akan menjadi target yang relatif mudah untuk mencari biomarker karena ukurannya.”
Pekerjaan lebih lanjut ke depan
Namun, pekerjaan saat ini hanyalah sebuah tonggak penting. Meskipun distribusi ukuran yang disimulasikan sangat cocok dengan distribusi yang diamati, dan kesenjangan radius berada di tempat yang tepat, detailnya masih terdapat beberapa ketidakkonsistenan. Misalnya, terlalu banyak planet es yang terlalu dekat dengan bintang pusat dalam perhitungan. Meskipun demikian, para peneliti tidak menganggap keadaan ini sebagai suatu kerugian namun berharap dapat mempelajari lebih lanjut tentang migrasi planet dengan cara ini.
Pengamatan dengan teleskop seperti James Webb Space Telescope (JWST) atau Extremely Large Telescope (ELT) yang sedang dibangun juga dapat membantu. Mereka akan mampu menentukan komposisi planet berdasarkan ukurannya, sehingga memberikan ujian bagi simulasi yang dijelaskan di sini.