James Webb Dedah Planet Gergasi Perlu Berlumba Sebelum Gas Hilang

Bahan mentah untuk membina planet gergasi tidak kekal selama-lamanya. Bintang muda dikelilingi cakera protoplanet yang berputar, terdiri daripada gas dan debu yang menjadi asas pembentukan planet. Namun, jet, angin, bahan yang jatuh ke bintang serta sinaran bintang secara beransur-ansur menghakis cakera ini.

Kajian yang diketuai Naman Bajaj dari University of Arizona menggunakan data arkib Teleskop Angkasa James Webb (JWST), khususnya instrumen Mid-Infrared Instrument (MIRI), untuk meneliti 72 cakera yang condong mengelilingi bintang muda seperti Matahari. Hasilnya, yang diterbitkan dalam The Astronomical Journal, menunjukkan cara cakera kehilangan gas berubah sepanjang evolusinya. 12

Teras mesti tumbuh sebelum cakera hilang

Teras berbatu hanya boleh berubah menjadi planet gergasi bergas jika sempat menarik selimut besar hidrogen dan helium ketika cakera di sekeliling bintang masih kaya dengan gas. Jika cakera itu terlebih dahulu dikosongkan, teras tersebut mungkin kekal sebagai planet berbatu atau menjadi planet lebih kecil yang kekurangan gas.

Justeru, pembentukan planet gergasi boleh dianggap sebagai perlumbaan antara pertumbuhan pantas atmosfera dan penyebaran takungan gas. 12

Keadaan ini amat penting bagi planet seperti Musytari. Kajian tersebut tidak dapat menentukan tarikh tepat pembentukan Musytari, tetapi ia mengukuhkan keperluan asas bahawa teras dan atmosfera besarnya mesti terbentuk ketika Sistem Suria muda masih mempunyai cakera gas yang besar. 12

Apa yang dikesan Webb dalam 72 cakera

Penyelidik menggunakan pancaran inframerah daripada molekul dan atom untuk mengesan bahan yang sedang bergerak keluar dari cakera. Pancaran meluas daripada hidrogen molekul atau neon terion dikesan dalam 66 daripada 72 sistem. Pasukan itu mengenal pasti:

• 46 angin hidrogen molekul berbentuk kon, yang menjejaki aliran keluar bahan cakera yang lebih luas.
• 40 jet neon terion berkelajuan tinggi, yang menunjukkan aliran lebih pantas dan tertumpu.

Setiap sistem yang mempunyai jet neon terion turut menunjukkan bukti kewujudan angin yang lebih luas. Dalam kebanyakan kes, aliran itu dikesan melalui hidrogen molekul; selebihnya melalui oksigen atom. Gabungan ini menghubungkan jet sempit dan pantas dengan proses lebih besar yang mampu mengeluarkan gas daripada persekitaran pembentukan planet. 2

Sampel ini bukan rakaman satu sistem yang diperhatikan secara berterusan dari lahir hingga matang. Sebaliknya, 72 cakera itu mewakili sistem pada peringkat perkembangan berbeza. Dengan membandingkannya, penyelidik dapat membina gambaran evolusi—ibarat menyusun siri gambar pegun untuk memahami perubahan proses pengosongan cakera dari semasa ke semasa. 12

Cara cakera kehilangan gas berubah mengikut usia

Corak yang dilihat konsisten dengan dua fasa utama pengosongan cakera yang berlaku berturutan dalam kira-kira 10 juta tahun pertama kehidupan sistem planet. 1

Fasa awal: jet magnetik dan angin molekul

Sistem dengan kadar pertambahan bahan ke bintang yang lebih tinggi lebih cenderung menunjukkan jet dan angin molekul. Hubungan ini selari dengan fasa awal apabila jet dan angin magnetohidrodinamik—iaitu aliran yang dipacu medan magnet—memainkan peranan utama dalam mengeluarkan bahan cakera.

Aliran ini boleh membawa gas pergi ketika cakera masih aktif menyalurkan bahan ke bintang muda. 12

Bagi teras planet yang sedang membesar, inilah bahagian paling genting dalam perlumbaan tersebut. Gas mungkin masih banyak, tetapi persekitaran yang aktif itu pada masa sama mula mengeringkan sumber yang diperlukan untuk membina atmosfera gergasi.

Fasa kemudian: jet melemah, kehilangan dipacu sinaran

Apabila kadar pertambahan bahan menurun, jet menjadi lebih lemah dan penjejak angin molekul yang lebih panas mula pudar. Aliran yang tinggal semakin bersifat atomik. Penyelidik mentafsir keadaan ini sebagai fasa apabila sinaran bintang, termasuk proses foto-sejatan, menjadi semakin penting dalam menghakis cakera yang semakin nipis. 12

Ini tidak bermakna satu mekanisme tiba-tiba menggantikan mekanisme lain. Sebaliknya, kepentingan relatif setiap mekanisme berubah apabila sistem bintang dan cakera berkembang. Peralihan yang diperhatikan membantu mengehadkan masa berlakunya perubahan itu, walaupun statistik pengesanan semasa masih belum memberikan jumlah keseluruhan jisim yang dibuang oleh setiap angin. 12

Mengapa sesetengah sistem menghasilkan planet gergasi

Penemuan ini membantu menjelaskan mengapa sistem muda yang kelihatan serupa boleh membentuk susunan planet yang sangat berbeza. Sesebuah sistem mungkin menghasilkan planet gergasi jika terasnya menjadi cukup besar pada peringkat awal untuk memulakan penangkapan atmosfera dengan pantas. Sistem lain pula mungkin kehilangan sebahagian besar gas cakera sebelum terasnya mencapai tahap tersebut.

Antara faktor yang boleh mempengaruhi hasilnya ialah jisim cakera, kadar pertumbuhan teras, sejarah pertambahan bahan ke bintang, kekuatan aliran keluar magnetik serta tahap sinaran bertenaga tinggi daripada bintang. Kajian ini menyokong kehilangan cakera yang dipacu angin sebagai salah satu faktor penting, tetapi bukan satu-satunya penentu pembentukan planet gergasi. 2

Implikasi terhadap Musytari dan Sistem Suria

Sistem Suria kini berusia kira-kira 4.6 bilion tahun, manakala cakera asal tempat planet-planetnya terbentuk sudah lama hilang. Susunan planet yang kita lihat hari ini ialah hasil persaingan singkat pada peringkat awal antara pertumbuhan planet, bahan yang jatuh ke Matahari muda dan gas yang terlepas melalui jet, angin serta sinaran. 12

Bagi Musytari, implikasinya jelas: terasnya mungkin perlu terbentuk dan menangkap sebahagian besar atmosferanya ketika cakera gas Sistem Suria masih cukup besar untuk membekalkannya. Jika proses kehilangan gas berlaku lebih awal, pembentukan planet gergasi seperti Musytari akan menjadi jauh lebih sukar. Kajian ini tidak memberikan tarikh khusus pembentukan Musytari, tetapi menguatkan idea bahawa proses itu perlu berlaku dalam jendela masa yang agak singkat. 12

Langkah seterusnya: mengukur jumlah gas yang hilang

Mengenal pasti jenis aliran keluar yang wujud pada setiap peringkat ialah langkah penting, tetapi kewujudan angin sahaja belum menunjukkan sama ada ia membuang gas yang mencukupi untuk mengawal pembentukan planet.

Pasukan penyelidik seterusnya mahu mengukur kadar kehilangan jisim setiap angin dan menentukan jejari cakera tempat angin itu dilancarkan. 12

Pengukuran tersebut boleh menjawab persoalan yang lebih kuantitatif: adakah aliran keluar yang dikesan mampu menghapuskan gas cakera dengan cukup pantas sehingga mengubah peluang pembentukan planet seperti Musytari?

Jawapannya akan membantu menentukan sama ada urutan evolusi yang diperhatikan benar-benar menetapkan seni bina akhir sistem planet, atau sekadar menunjukkan perubahan cara gas meninggalkan cakera.