James Webb Menunjukkan Pembentukan Planet Raksasa Berpacu Melawan Hilangnya Gas

Bahan mentah untuk membangun planet raksasa ternyata tidak bertahan selamanya. Bintang-bintang muda dikelilingi cakram protoplanet yang berputar, berisi gas dan debu yang menjadi bahan dasar planet. Namun, cakram ini perlahan terkikis oleh jet, angin bintang, material yang jatuh ke bintang, serta radiasi bintang.

Survei James Webb Space Telescope (JWST) yang dipimpin Naman Bajaj dari University of Arizona mengubah proses tersebut menjadi gambaran evolusi berdasarkan populasi. Dengan memanfaatkan data arsip dari Mid-Infrared Instrument (MIRI), para peneliti memeriksa 72 cakram yang terlihat miring dan sebagian besar termasuk kelas II, semuanya mengelilingi bintang muda yang mirip Matahari. Hasilnya, yang diterbitkan dalam The Astronomical Journal, menunjukkan bahwa cara cakram kehilangan gas berubah seiring usia sistem. 12

Intinya: inti planet harus lebih cepat daripada hilangnya cakram

Inti planet berbatu hanya dapat berubah menjadi raksasa gas jika berhasil menangkap selubung besar hidrogen dan helium ketika cakram di sekitarnya masih kaya gas. Jika cakram lebih dulu kehilangan sebagian besar materialnya, inti tersebut mungkin tetap menjadi planet berbatu atau berkembang menjadi planet yang lebih kecil dan miskin gas.

Karena itu, pembentukan planet raksasa dapat dipandang sebagai perlombaan antara pertumbuhan cepat selubung gas dan menghilangnya cadangan gas pembentuk planet. 12

Temuan ini penting untuk memahami planet seperti Jupiter. Survei tersebut tidak dapat menentukan tanggal pasti terbentuknya Jupiter, tetapi memperkuat syarat dasarnya: inti Jupiter dan atmosfer masifnya harus terbentuk ketika Tata Surya muda masih memiliki cakram gas yang cukup besar. 12

Jejak yang ditemukan Webb pada 72 cakram

Para peneliti menggunakan pancaran inframerah dari molekul dan atom sebagai penanda material yang bergerak menjauh dari cakram. Pancaran meluas dari hidrogen molekuler atau neon terionisasi terdeteksi pada 66 dari 72 sistem. Tim kemudian mengidentifikasi:

• 46 angin hidrogen molekuler berbentuk kerucut, yang menandai aliran material cakram dalam cakupan lebih luas.
• 40 jet neon terionisasi berkecepatan tinggi, yang menunjukkan aliran lebih cepat dan terfokus.

Setiap sistem yang memiliki jet neon terionisasi juga menunjukkan bukti adanya angin yang lebih luas. Dalam sebagian besar kasus, angin tersebut ditelusuri melalui hidrogen molekuler; pada sistem lainnya, penandanya adalah oksigen atomik. Keterkaitan ini menghubungkan jet yang sempit dan cepat dengan proses yang lebih luas, yang mampu mengeluarkan gas dari lingkungan tempat planet terbentuk. 2

Ke-72 cakram itu bukan satu sistem yang diamati terus-menerus sejak lahir hingga matang. Sebaliknya, masing-masing sistem berada pada tahap awal perkembangan yang berbeda. Dengan membandingkannya, peneliti dapat menyusun urutan evolusi—ibarat merangkai sejumlah foto untuk memperkirakan bagaimana pembersihan cakram berubah dari waktu ke waktu. 12

Cara cakram kehilangan gas berubah seiring usia

Pola yang terlihat konsisten dengan dua tahap besar pembersihan cakram yang berlangsung berturut-turut selama beberapa juta tahun pertama kehidupan sistem planet. 1

Tahap awal: jet magnetik dan angin molekuler

Sistem dengan laju akresi bintang yang lebih tinggi—yakni laju material cakram yang jatuh ke bintang—lebih sering memperlihatkan jet dan angin molekuler. Hubungan ini sesuai dengan tahap awal ketika jet dan angin yang digerakkan medan magnet, atau aliran magnetohidrodinamik, menjadi pendorong utama hilangnya material cakram. Aliran tersebut dapat membawa gas menjauh saat cakram masih aktif memasok material ke bintang muda. 12

Bagi inti planet yang sedang tumbuh, inilah bagian paling genting dalam perlombaan. Gas mungkin masih berlimpah, tetapi lingkungan yang sama juga mulai mengurasnya.

Tahap berikutnya: jet melemah, radiasi mengambil peran

Ketika akresi menurun, jet ikut melemah dan penanda angin molekuler yang lebih panas menghilang terlebih dahulu. Aliran yang tersisa semakin banyak terdiri atas material atomik. Para peneliti menafsirkan kondisi lanjut ini sebagai tahap ketika radiasi bintang, termasuk fotoevaporasi, makin berperan dalam mengikis cakram yang sudah menipis. 12

Perubahan tersebut bukan berarti satu mekanisme langsung menggantikan mekanisme lainnya. Yang bergeser adalah tingkat kepentingan relatif setiap mekanisme seiring evolusi sistem bintang dan cakram. Peralihan yang diamati membantu memperkirakan kapan perubahan itu berlangsung, meski statistik deteksi saat ini belum memberikan anggaran massa lengkap untuk setiap angin. 12

Mengapa ada sistem yang membentuk raksasa gas, sementara yang lain tidak?

Temuan ini menawarkan penjelasan fisik untuk perbedaan arsitektur planet pada sistem-sistem muda yang tampak serupa. Sebuah sistem dapat menghasilkan planet raksasa jika intinya tumbuh cukup besar dan cukup cepat untuk mulai menangkap selubung gas secara pesat. Sistem lain mungkin kehilangan sebagian besar gas cakram sebelum intinya mencapai ambang tersebut.

Hasil akhirnya dapat dipengaruhi oleh sejumlah faktor, termasuk massa cakram, kecepatan pertumbuhan inti, riwayat akresi bintang, kekuatan aliran magnetik, serta tingkat radiasi berenergi tinggi dari bintang. Survei ini mendukung hilangnya cakram yang dipicu angin sebagai salah satu faktor penting, bukan satu-satunya penentu terbentuk atau tidaknya planet raksasa gas. 2

Temuan tersebut juga memberi konteks bagi Tata Surya. Saat ini Tata Surya berusia sekitar 4,6 miliar tahun, dan cakram pembentuk planetnya telah lama lenyap. Planet-planet yang tersisa merupakan hasil dari persaingan singkat pada masa awal antara pertumbuhan planet, material yang jatuh ke Matahari muda, serta gas yang terlepas melalui jet, angin, dan radiasi. 12

Pengukuran berikutnya akan menentukan seberapa besar dampaknya

Mengetahui jenis aliran yang muncul pada tahap evolusi berbeda merupakan langkah penting, tetapi keberadaannya saja belum menunjukkan apakah aliran tersebut mengeluarkan cukup gas untuk mengendalikan pembentukan planet. Tim peneliti berencana mengukur laju kehilangan massa setiap angin dan menentukan radius cakram tempat angin itu diluncurkan. 12

Pengukuran tersebut dapat menghubungkan sinyal inframerah dengan pertanyaan kuantitatif: apakah aliran yang diamati mampu menguras gas cakram cukup cepat hingga mengubah peluang terbentuknya planet seperti Jupiter?

Jawabannya akan membantu membedakan antara urutan evolusi yang meyakinkan dan pengukuran langsung mengenai bagaimana hilangnya cakram menentukan arsitektur akhir sistem planet.