JWST Ungkap Bagaimana Angin Bintang Mengikis Bahan Pembentuk Planet

Pengamatan James Webb Space Telescope (JWST) terhadap 72 sistem bintang muda mirip Matahari menunjukkan bahwa cakram protoplanet—cakram gas dan debu tempat planet terbentuk—tidak kehilangan materinya melalui satu mekanisme saja.

Sebaliknya, prosesnya tampak berlangsung berurutan. Pada masa awal, ketika bintang masih aktif menarik materi dari cakramnya, aliran gas yang kuat dan digerakkan medan magnet mendominasi. Seiring berkurangnya akresi dan bertambahnya usia sistem, aliran tersebut melemah. Radiasi sinar-X dan ultraviolet dari bintang kemudian dapat menembus permukaan cakram, memanaskan gas, dan mendorong fotoevaporasi, yakni keluarnya gas karena energi radiasi. 23

Temuan dari survei 72 cakram

Tim peneliti menganalisis data arsip instrumen Mid-Infrared Instrument (MIRI) milik JWST terhadap 72 cakram yang sebagian besar tergolong Class II dan diamati dengan posisi cukup miring. Emisi hidrogen molekuler (H₂) dan neon terionisasi ([Ne II]) berhasil dipisahkan secara spasial pada 66 sistem. Mereka menemukan angin H₂ berbentuk kerucut pada 46 cakram serta jet [Ne II] berkecepatan tinggi pada 40 cakram. 3

Dua penanda tersebut membantu membedakan struktur aliran gas:

• Hidrogen molekuler (H₂) menelusuri angin molekuler yang lebih lebar.
• Neon terionisasi ([Ne II]) pada awalnya terutama menandai jet yang lebih cepat dan terarah.

Pada sistem yang lebih muda dan masih aktif mengakresi materi, kedua ciri tersebut sering muncul bersamaan: angin H₂ yang lebar dan jet neon yang sempit serta berkecepatan tinggi. Pola ini konsisten dengan aliran keluar magnetohidrodinamik, ketika gas dipercepat dan diarahkan keluar mengikuti struktur medan magnet. 35

Pengamatan JWST lain juga menunjukkan susunan berlapis: jet cepat berada di dalam rongga yang dikelilingi aliran H₂ yang lebih lebar dan lebih lambat. 7

Perubahan saat bintang menua

Ketika laju akresi menurun, deteksi jet [Ne II] cepat dan angin H₂ ikut berkurang. Komponen H₂ yang lebih panas memudar lebih cepat dibandingkan komponen yang lebih dingin. Pada cakram dengan akresi rendah, yang lebih sering terlihat adalah emisi [Ne II] berkecepatan rendah dan angin atomik. 3

Temuan ini mengarah pada gambaran evolusi sebagai berikut:

1. Fase awal: aliran molekuler dan atomik yang kuat, ditenagai medan magnet, membawa banyak gas menjauh dari cakram.
2. Fase transisi: akresi melemah, sehingga jet cepat dan angin molekuler berangsur-angsur berkurang.
3. Fase akhir: sinar-X dan ultraviolet bintang mencapai permukaan cakram yang semakin tipis. Gas dipanaskan dan terlepas melalui angin fotoevaporatif yang terutama bersifat atomik. 23

Dengan kata lain, cakram pembentuk planet memiliki semacam “jam pembubaran”. Mekanisme pembuangan gas berubah seiring waktu, tetapi hasil akhirnya sama: cadangan bahan untuk membangun planet perlahan terkikis.

Mengapa hal ini penting bagi planet raksasa?

Planet seperti Jupiter membutuhkan cakram gas yang cukup masif untuk mengumpulkan selubung hidrogen dan helium. Setelah jet magnetik, angin cakram, dan pada tahap berikutnya fotoevaporasi menghabiskan cadangan tersebut, inti batuan yang terlambat tumbuh tidak lagi memiliki cukup gas untuk menjadi planet raksasa. 2

Karena itu, waktu pembentukan inti menjadi faktor penting. Inti yang terbentuk cukup dini dapat memicu akresi gas secara cepat dan berkembang menjadi raksasa gas. Inti lain dengan ukuran serupa, tetapi selesai terbentuk lebih lambat, mungkin menghadapi cakram yang sudah menipis atau bahkan kehilangan gas, sehingga tetap menjadi planet yang lebih kecil dengan atmosfer primordial yang terbatas. Ini merupakan konsekuensi yang disimpulkan dari urutan evolusi cakram yang diamati, bukan pengamatan langsung bahwa planet tertentu berubah jenis. 23

Implikasinya juga berlaku untuk sejarah Tata Surya. Tata Surya kini berusia sekitar 4,5–4,6 miliar tahun, tetapi Matahari muda kemungkinan pernah melalui fase angin magnetik yang kuat lalu fase pembersihan fotoevaporatif. Jupiter, dengan demikian, harus mengumpulkan sebagian besar selubung gasnya dalam beberapa juta tahun pertama, sebelum nebula Matahari kehilangan persediaan gasnya. 2

Berapa banyak gas yang sebenarnya hilang?

Survei ini berhasil menunjukkan perubahan keberadaan dan bentuk jet serta angin, tetapi belum sepenuhnya mengukur anggaran kehilangan massa setiap aliran. Penelitian lanjutan masih diperlukan untuk mendapatkan pengukuran yang memisahkan kecepatan dan lokasi, termasuk untuk mengetahui:

• berapa banyak massa yang dibawa keluar oleh setiap jet atau angin;
• radius dan lapisan vertikal cakram mana yang menjadi sumber masing-masing aliran;
• suhu, kecepatan, dan perubahan angin dari waktu ke waktu; serta
• berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk membersihkan gas hingga peluang pembentukan planet raksasa berakhir. 34

Berdasarkan materi yang tersedia, belum ada bukti yang cukup untuk menetapkan tenggat waktu universal yang presisi bagi pembubaran cakram atau laju kehilangan massa kuantitatif untuk setiap komponen angin.