Penyusutan planet bisa menjelaskan misteri dunia alam semesta yang hilang

Dengan mempelajari data dari Teleskop Luar Angkasa Kepler, para peneliti Institut Flatiron menemukan bahwa penyusutan planet selama miliaran tahun mungkin menjelaskan teka-teki yang telah berlangsung selama bertahun-tahun: Kelangkaan planet hampir dua kali lipat ukuran Bumi.

Telah terjadi terobosan dalam masalah planet yang hilang.

Sementara pencarian planet telah menemukan ribuan dunia yang mengorbit bintang jauh, ada kelangkaan exoplanet dengan radius antara 1,5 dan dua kali diameter Bumi. Ini adalah medium antara planet super-batuan dan planet besar yang menyelimuti gas yang disebut miniatur Neptunus. Sejak penemuan “ celah radius ” ini pada tahun 2017, para ilmuwan telah meneliti mengapa hanya ada sedikit benda langit berukuran sedang.

Bukti baru muncul dari cara baru dalam memandang data. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Trevor David dari Flatiron Institute telah menyelidiki apakah celah radius berubah seiring bertambahnya usia planet. Mereka membagi planet ekstrasurya menjadi dua kelompok – kecil dan besar – dan menilai kembali celahnya. Mereka menemukan bahwa jari-jari planet yang kurang umum dari kelompok yang lebih kecil rata-rata lebih kecil daripada yang paling tidak umum dari kelompok yang lebih tua. Sementara ukuran paling langka dari planet-planet kecil sekitar 1,6 kali radius Bumi, itu sekitar 1,8 kali radius Bumi pada usia yang lebih tua.

Para peneliti menyarankan implikasinya adalah bahwa beberapa Neptunus muda menyusut secara dramatis selama miliaran tahun saat atmosfer mereka terlepas, hanya menyisakan inti yang kokoh. Kehilangan gasnya, Neptunus muda “melompati” celah radius planet dan menjadi Bumi super. Seiring waktu, celah radius bergeser saat Neptunus kecil yang semakin besar melakukan lompatan, berubah menjadi planet terestrial yang semakin besar. Dengan kata lain gap adalah jarak antara super-Bumi terbesar dengan Neptunus terkecil yang sangat kecil sehingga masih mampu mempertahankan atmosfernya. Peneliti melaporkan temuan mereka pada 14 Mei 2021, di Jurnal Astronomi.

Diagram yang menggambarkan celah radius sebuah planet ekstrasurya. Kredit: The Simons Foundation

“Intinya adalah bahwa planet bukanlah domain tetap dari batuan dan gas, terkadang kita cenderung memikirkannya,” kata David, seorang peneliti di Center for Computational Astrophysics (CCA) di Flatiron Institute (CCA) di New York. Kota. Dalam beberapa model kehilangan atmosfer yang diusulkan sebelumnya, “beberapa planet ini sepuluh kali lebih besar pada awal kehidupan mereka.”

Hasilnya memberikan kepercayaan kepada dua tersangka yang diusulkan sebelumnya dalam kasus ini: panas sisa dari pembentukan planet dan radiasi intens dari bintang induk. Kedua fenomena tersebut menambah energi ke atmosfer planet, menyebabkan gas lepas ke luar angkasa. “Ada kemungkinan bahwa kedua efek itu penting,” kata David, “tetapi kita akan membutuhkan model yang lebih kompleks untuk melihat seberapa banyak dan kapan” masing-masing memberikan kontribusi pada siklus hidup planet.

Rekan penulis makalah ini adalah Gabriella Contardo, Rekan Peneliti CCA, Ruth Angus, Ilmuwan Riset Asosiasi CCA Megan Biddle, Ilmuwan Riset Asosiasi Daniel Furman-McKee, dan Peneliti Tamu CCA Samuel Gronblatt.

Studi baru menggunakan data yang dikumpulkan oleh pesawat ruang angkasa Kepler, yang mengukur cahaya dari bintang yang jauh. Kapan Planet ekstrasurya Bergerak di antara bintang dan Bumi, cahaya yang diamati dari bintang tersebut meredup. Dengan menganalisis seberapa cepat planet berputar mengelilingi bintangnya, ukuran bintangnya, dan seberapa gelapnya, astronom dapat memperkirakan ukuran planet ekstrasurya. Analisis ini akhirnya mengarah pada penemuan celah radius.

Simulasi komputer tentang bagaimana distribusi ukuran planet berubah seiring bertambahnya usia sistem planet. Celah radius muncul sekitar dua kali radius Bumi – meskipun itu tergantung pada periode orbit planet. Bukti menunjukkan bahwa celah tersebut berubah seiring waktu seperti selubung kecil yang tertutup gas.Neptunus Planet-planet kehilangan atmosfernya, meninggalkan Bumi raksasa yang kokoh. Salah satu planet yang melalui proses ini ditandai (digambarkan memiliki inti atmosfer), dengan perubahan ukurannya digambarkan di sebelah kanan. Kredit: Animasi oleh Eric Pettigura (Universitas California); Disimulasikan oleh James Owen (Imperial College London)

Para ilmuwan sebelumnya telah menyarankan beberapa mekanisme penciptaan celah potensial, dengan setiap proses terjadi pada skala waktu yang berbeda. Beberapa percaya bahwa celah tersebut terjadi selama pembentukan planet ketika beberapa planet terbentuk tanpa cukup gas di dekatnya untuk memperbesar ukurannya. Dalam skenario ini, jari-jari planet, dan juga celah radius, dicetak saat lahir. Hipotesis lain adalah bahwa tabrakan dengan batuan luar angkasa dapat menghilangkan ketebalan atmosfer planet dan mencegah planet yang lebih kecil mengumpulkan banyak gas. Mekanisme dampak ini akan memakan waktu mulai dari 10 juta hingga 100 juta tahun.

Mekanisme potensial lainnya membutuhkan lebih banyak waktu. Salah satu dugaan adalah bahwa sinar-X dan sinar ultraviolet yang intens dari bintang induk planet menghilangkan gas dari waktu ke waktu. Proses ini, yang disebut penguapan optik, membutuhkan waktu kurang dari 100 juta tahun untuk sebagian besar planet, tetapi mungkin memerlukan miliaran tahun untuk beberapa planet. Saran lain adalah bahwa panas yang tersisa dari pembentukan planet secara perlahan menambah energi ke atmosfer planet, menyebabkan gas tersebut lepas ke luar angkasa selama miliaran tahun.

David dan rekan-rekannya memulai penyelidikan mereka dengan melihat lebih dekat celah itu sendiri. Mengukur ukuran bintang dan exoplanet bisa jadi sulit, jadi mereka membersihkan data untuk memasukkan hanya yang diameternya diketahui dengan pasti. Pemrosesan data ini mengungkapkan celah yang lebih kosong dari yang diperkirakan sebelumnya.

Kemudian para peneliti menyortir planet berdasarkan apakah mereka lebih muda atau lebih tua dari 2 miliar tahun yang lalu. (Sebagai perbandingan, Bumi berusia 4,5 miliar tahun.) Karena bintang dan planetnya terbentuk secara bersamaan, mereka menentukan usia setiap planet berdasarkan usia bintangnya.

Hasilnya menunjukkan bahwa Neptunus muda tidak dapat menahan gasnya. Selama milyaran tahun, gas tersebut terkelupas, meninggalkan Bumi yang sangat besar dan padat. Proses ini memakan waktu lebih lama dalam kasus Neptunus yang lebih kecil dan lebih besar – yang telah menjadi planet super-Bumi terbesar – tetapi tidak akan memengaruhi sebagian besar raksasa gas, yang tarikan gravitasinya cukup kuat untuk mempertahankan atmosfer mereka.

Fakta bahwa celah radius berkembang selama milyaran tahun menunjukkan bahwa pelakunya bukanlah tabrakan planet atau imajinasi yang melekat dalam pembentukan planet. David mengatakan panas sisa dari dalam planet secara bertahap menghilangkan atmosfer mereka sangat cocok, tetapi radiasi intens dari bintang induk juga bisa berkontribusi, terutama sejak dini. Langkah selanjutnya adalah bagi para ilmuwan untuk memodelkan dengan lebih baik bagaimana planet berevolusi untuk melihat penjelasan mana yang memainkan peran lebih besar. Ini bisa berarti melihat kompleksitas tambahan seperti interaksi antara atmosfer yang baru lahir dan medan magnet planet atau samudra magma.

Referensi: “Evolusi Distribusi Ukuran Exoplanet: Pembentukan Planet Super-Bumi Selama Miliaran Tahun” oleh Trevor J. David, Gabriela Contardo, Angley Sandoval, Ruth Angus, Yuxi (Lucy) Lu, Megan Bidel, Jason El Curtis, dan Daniel Foreman-Mackie, Benjamin J.Fulton, Samuel K. Grunblatt dan Eric A.Petigura, 14 Mei 2021, Jurnal Astronomi.
DOI: 10.3847 / 1538-3881 / abf439