GJ 523b: Mega-Bumi Muda yang Menantang Teori Pembentukan Planet

Untuk mengukur massa, para astronom menggunakan NEID, spektrograf berpresisi tinggi pada teleskop WIYN. Ketika GJ 523b mengorbit, gravitasi planet membuat bintang induknya bergerak sedikit mendekat dan menjauh dari Bumi. Gerak periodik ini—dikenal sebagai kecepatan radial—terdeteksi oleh NEID pada periode yang sama dengan transit TESS. Hasilnya mengonfirmasi sifat keplanetan sinyal tersebut sekaligus menghasilkan pengukuran massa 23,5 ± 3,3 kali massa Bumi.

Dengan menggabungkan massa dan radius, peneliti dapat menghitung kepadatan rata-rata GJ 523b. Di sinilah letak keunikannya: ukurannya berada dalam rentang yang sering dikaitkan dengan sub-Neptunus, tetapi kepadatannya jauh lebih tinggi dan menunjukkan kandungan material berat yang besar.

Mengapa planet ini membingungkan teori pembentukan?

Dalam model akresi inti, planet terbentuk ketika material padat—seperti debu, kerikil, dan planetesimal—bergabung menjadi inti yang semakin besar di dalam cakram gas protoplanet.

Jika inti mencapai kira-kira 20 kali massa Bumi ketika cakram tersebut masih kaya gas, inti itu diperkirakan mulai menarik hidrogen dan helium dengan cepat. Proses yang disebut akresi gas tak terkendali dapat mengubahnya menjadi raksasa gas.

GJ 523b memiliki massa di atas ambang perkiraan tersebut. Namun, pengukuran massa dan radiusnya tidak menunjukkan adanya selubung hidrogen-helium besar. Radius 2,55 kali radius Bumi memang menempatkannya di wilayah sub-Neptunus, tempat banyak planet mempertahankan atmosfer gas tebal. GJ 523b justru tampak lebih kaya batuan dan unsur berat.

Kesimpulan ini merupakan inferensi dari pengukuran massa dan radius, bukan hasil deteksi atmosfer secara langsung. Dengan kata lain, para astronom belum “melihat” atmosfer GJ 523b secara langsung; mereka menyimpulkan komposisinya berdasarkan seberapa banyak massa yang terkumpul dalam volume planet tersebut.

Usia planet ini menambah kejanggalan. Penelitian memperkirakan sistem GJ 523 berusia 169 juta tahun, dengan ketidakpastian +100 juta dan −48 juta tahun. Itu berarti planet ini masih tergolong muda dalam skala waktu astronomi. Waktu yang tersedia untuk mengikis atmosfer secara perlahan relatif terbatas, sementara gravitasi GJ 523b yang kuat seharusnya membuat atmosfer lebih sulit lepas.

Orbitnya juga memberi petunjuk tentang sejarah yang tidak sederhana. Peneliti memperkirakan kemiringan sumbu rotasi bintang sebesar 17,6° ± 5,0°. Karena GJ 523b terlihat melintas di depan bintangnya, geometri tersebut mengindikasikan ketidakselarasan minimum antara sumbu rotasi bintang dan orbit planet sebesar 71,4°. Ini konsisten dengan orbit yang hampir polar, meski pengukurannya masih bersifat tidak langsung.

Beberapa penjelasan yang masih mungkin

Pracetak tersebut belum menetapkan satu mekanisme pembentukan yang pasti. Sebaliknya, data saat ini membuka sejumlah kemungkinan.

Terbentuk setelah cakram gas menghilang

GJ 523b mungkin mengumpulkan sebagian besar material padatnya setelah cakram gas di sekitar bintang sudah menipis atau menghilang. Dalam skenario ini, inti batuan yang sangat besar dapat terbentuk ketika hanya sedikit hidrogen dan helium yang tersisa untuk ditangkap.

Akresi gas terhambat

Kondisi cakram yang miskin gas secara lokal, menghilangnya cakram dengan cepat, atau panas yang dilepaskan selama pertumbuhan planet dapat menghambat pembentukan selubung gas besar.

Para peneliti juga membahas jalur gabungan yang melibatkan kerikil kosmik dan planetesimal. Akresi material padat yang berkelanjutan dapat memanaskan selubung planet dan menunda atau mencegah penangkapan gas dalam jumlah besar.

Atmosfer awal mungkin telah hilang

Kemungkinan lain adalah GJ 523b pada awalnya memiliki atmosfer yang lebih tebal, lalu kehilangan sebagian besar atmosfer tersebut akibat radiasi berenergi tinggi pada masa mudanya, tumbukan raksasa, atau pengupasan akibat interaksi pasang-surut dan dinamika orbit.

Namun, penguapan atmosfer oleh radiasi bintang saja belum tentu cukup sebagai penjelasan. GJ 523b cukup masif, mengorbit setiap 17,75 hari, dan masih muda. Faktor-faktor itu tidak menutup kemungkinan hilangnya atmosfer, tetapi membuat skenario tersebut lebih sulit dibandingkan kasus inti planet yang terkikis di orbit sangat dekat dengan bintangnya.

Sistemnya mungkin mengalami perubahan orbit

Orbit yang kemungkinan hampir polar dapat disebabkan oleh migrasi planet, kemiringan cakram protoplanet, atau interaksi dengan benda langit lain. Penulis studi menilai ketidakselarasan yang berasal dari cakram protoplanet sebagai kemungkinan yang masuk akal.

Mekanisme von Zeipel–Lidov–Kozai juga dipertimbangkan, tetapi skenario ini memerlukan pasangan luar yang orbitnya miring dan hingga kini belum terdeteksi. Karena itu, mekanisme tersebut dinilai kurang disukai dalam studi ini.

Mengapa GJ 523b penting?

GJ 523b dapat menjadi contoh yang sangat jelas dari kelompok mega-Bumi, yaitu planet dengan radius setidaknya 2,1 kali radius Bumi dan kepadatan setidaknya 5,5 gram per sentimeter kubik. Planet-planet seperti ini berada di wilayah ukuran sub-Neptunus, tetapi tampaknya memiliki kandungan unsur berat yang jauh lebih besar daripada perkiraan umum.

Temuan ini juga berkaitan dengan celah radius eksoplanet, yaitu kelangkaan relatif planet yang berada di antara planet berbatu kecil dan sub-Neptunus yang memiliki atmosfer tebal. Jika sebagian planet yang berada di atas celah tersebut ternyata tetap sangat padat dan miskin gas, ukuran planet saja tidak cukup untuk menjelaskan evolusinya.

Pengukuran massa menjadi penting untuk membedakan dua kemungkinan yang secara ukuran bisa tampak mirip: mega-Bumi yang kaya batuan atau planet berdensitas lebih rendah yang diselimuti atmosfer tebal.

GJ 523b juga menunjukkan bahwa ambang massa sekitar 20 kali massa Bumi tidak boleh diperlakukan sebagai aturan mutlak. Ambang tersebut mungkin menandai kecenderungan kuat menuju akresi gas, tetapi kondisi cakram, waktu pembentukan, riwayat akresi, dan perubahan dinamika setelahnya dapat sama pentingnya.

Masalah “satu contoh”

Satu planet yang tidak biasa belum cukup untuk membuktikan bahwa mega-Bumi merupakan kelompok yang umum atau untuk menetapkan jalur pembentukan yang berlaku universal. Pengukuran massa dan radius GJ 523b masih memiliki ketidakpastian, sementara kepadatan rata-rata tidak dapat mengungkap secara unik struktur interior atau komposisi atmosfernya.

Planet yang sangat padat tetap mungkin memiliki atmosfer sekunder atau atmosfer kaya logam yang sulit dideteksi hanya melalui massa dan radius. Kesimpulan bahwa GJ 523b tidak memiliki selubung hidrogen-helium besar adalah hasil pemodelan dari pengukuran massanya, bukan deteksi atmosfer langsung.

Kemiringan orbitnya juga perlu diuji lebih lanjut. Nilai 71,4° merupakan perkiraan minimum ketidakselarasan tiga dimensi, yang diturunkan dari orientasi rotasi bintang dan fakta bahwa planet tersebut mengalami transit. Nilai ini bukan pengukuran langsung sudut spin-orbit yang terlihat dari bidang langit.

Karena itu, istilah “menantang teori pembentukan planet” lebih tepat daripada mengatakan GJ 523b “mematahkan hukum” pembentukan planet. Planet ini merupakan kasus sulit bagi ekspektasi standar, tetapi pengamatan terhadap lebih banyak sistem diperlukan untuk mengetahui apakah GJ 523b adalah pengecualian langka, sisa planet yang atmosfernya terkikis, atau bagian dari kategori planet yang selama ini belum diperhitungkan dengan baik.

Pengamatan lanjutan yang dapat menjawab misterinya

Beberapa pengamatan berikut dapat membantu membedakan berbagai skenario tersebut:

• Pemantauan kecepatan radial tambahan dapat memperbaiki estimasi massa, mengukur eksentrisitas orbit, serta mencari pasangan luar berperiode panjang yang mungkin memengaruhi orbit planet.
• Fotometri transit lanjutan dapat memperhalus pengukuran radius dan waktu transit berikutnya.
• Spektroskopi transit dapat mencari atmosfer yang masih tersisa dan menguji apakah atmosfernya miskin hidrogen-helium, kaya logam, atau nyaris tidak ada.
• Pengukuran efek Rossiter–McLaughlin dapat menentukan sudut spin-orbit pada bidang langit dan menguji apakah orbit yang hampir polar benar-benar ada.
• Sampel yang lebih besar berisi sub-Neptunus muda dan padat dapat menunjukkan apakah GJ 523b merupakan anomali tunggal atau bagian dari populasi mega-Bumi yang lebih luas.

Untuk saat ini, GJ 523b paling tepat dipahami sebagai studi kasus yang kuat tetapi masih sementara: TESS menemukan transitnya, NEID mengukur massanya, dan kombinasi kedua data tersebut menghasilkan planet yang belum dapat dijelaskan dengan nyaman oleh model pembentukan standar. Kesimpulan akhirnya masih menunggu pengamatan lanjutan dan proses penelaahan sejawat.