Pembentukan Planet Yang Kaya Karbon

Apa yang menentukan komposisi sebuah planet? Jawabannya tentu saja ada pada komposisi materi yang membentuk planet itu sendiri. Dalam penelitian yang dilakukan oleh John Moriarty, Nikku Madhusudhan, dan Debra Fischer dari Universitas Yale, mereka mencoba menganalisa tahap awal pembentukan planet untuk bisa memprediksikan elemen-elemen yang menyusun si planet.

Piringan pembentukan planet. Kredit: NASA
Piringan pembentukan planet. Kredit: NASA

Elemen yang dijadikan fokus adalah perbandingan keberadaan karbon dan oksigen di sebuah planet, mengingat perbedaan elemen-elemen ini memberikan pengaruh yang sangat besar dalam senyawa kimia planet. Sebagai contoh, planet yang kaya oksigen seperti Bumi (atau rasio C/O rendah) akan mendukung kehadiran uap air di atmosfer. Sedangkan jika sebuah planet memiliki C/O yang tinggi aka kaya karbon, maka planet hanya memiliki sedikit air dan lebih mendukung keberadaan metana (CH4).

Simulasi yang dilakukan menitikberatkan pada planet kebumian, seperti Bumi dan bukan planet gas. Planet kebumian terbentuk dari tabrakan dan campuran obyek-obyek kecil yang disebut planetesimal (dalam hal ini asteroid). Planetesimal terbentuk dalam piringan gas dan debu protoplanet yang mengelilingi bintang di masa awal kehidupan bintang dengan jawak waktu sampai beberapa juta tahun.

Pada bagian pertama simulasi, dilakukan pemodelan evolusi piringan protoplanet. Pada tahap ini, piringan gas dan debu tersebut memulai perjalanannya dalam kondisi yang panas dan rapat. Tapi kemudian secara bertahap mengalami pendinginan dan disipasi. Dari sini bisa diketahui temperatur, tekanan, dan kerapatan di setiap lokasi di dalam piringan. Tak hanya itu, pemodelan yang dibuat bisa mengikuti jejak materi di seluruh piringan.

Komposisi awal dari piringan tersebut diasumsikan memiliki kesamaan dengan bintang induknya mengingat keduanya berasal dari materi cikal bakal yang sama. Tapi saat piringan mengalami evolusi, komposisi akan berubah.  Pada saat piringan masih panas, sebagian besar materi berada dalam wujud gas. Ketika piringan mulai mengalami pendinginan, maka akan semakin banyak materi yang membeku dan mulai membentuk wujud padat.

Dalam proses perubahan wujud tersebut, ada tatanannya juga. Dan tatanan atau urutan ketika senyawa kimia menjadi padat disebut dengan “urutan kondensasi”.  Senyawa pertama yang mengalami pembekuan adalah materi “tahan panas” seperti logam dan batuan, dengan temperatur sublimasi yang tinggi. Kemudian, setelah piringan menjadi lebih dingin, materi yang mudah menguap dengan temperatur sublimasi yang lebih rendah akan mengalami kondensasi. Materi yang memiliki temperatur sublimasi paling rendah, seperti hidrogen dan helium akan tetap berada dalam wujud gas.

Melalui pemodelan, prediksi kelimpahan materi padat dan gas di piringan bisa dilakukan berdasarkan kondisi lokal. Dan untuk membuat pemodelan jadi lebih nyata, berbagai senyawa kimia yang ada juga dimungkinkan untuk bereaksi satu sama lainnya membentuk senyawa baru yang memiliki sifat yang bisa jadi sama sekali berbeda.

Setelah materi berubah menjadi padat, maka tentunya materi tersebut sudah bisa bergabung dalam planetesimal yang sedang bertumbuh. Dan seiring dengan evolusi piringan, sebagian materi gas akan dikeluarkan dari piringan, sedangkan materi yang sudah terperangkap dalam planetesimal akan tetap dibiarkan. Dengan demikian, jika ditilik dari kelimpahan awal dalam piringan, maka akan tampak kalau elemen yang mudah menguap jadi kurang terwakili dalam komposisi akhir planetesimal dibandingkan dengan elemen yang tahan panas.

Sebelumnya, para astronom juga membangun simulasi yang lebih sederhana untuk menguji pembentukan planet. Dalam penelitian yang dilakukan sebelumnya, analisa dilakukan pada planetesimal yang diasumsikan terbentuk dari materi padat yang sudah ada di piringan pada suatu waktu dalam sejarah piringan. Simulasi yang terbaru memberikan pembaruan dengan memodelkan pertumbuhan planetesimal selama jutaan tahun. Dalam rentang waktu tersebut, piringan akan melalui perubahan fisis dan kimia sehingga menghasilkan evolusi yang secara konstan menyediakan materi pembentuk planetesimal.

Simulasi juga dilakukan dengan komposisi awal piringan yang berbeda-beda sehingga bisa diperoleh komposisi planeteseimal yang berbeda pula untuk kemudian dianalisa kandungan karbon dan oksigennya.

Hasilnya, sistem dengan perbandingan awal C/O yang cukup tinggi akan berakhir dengan lebih banyak karbon untuk pembentukan planet. Dan untuk bisa membangun planetesimal yang kaya karbon, jika dalam penelitian sebelumnya membutuhkan rasio C/O >0,8 maka dalam simulasi terbaru, hanya dibutuhkan perbandingan C/O > 0,65. Dengan demikian planet yang kaya karbon ternyata lebih umum untuk ditemukan pada sebuah sistem dibanding yang diperkirakan sebelumnya.

Simulasi pembentukan planet kebumian. Kredit: Moriarty et. al
Simulasi pembentukan planet kebumian. Kredit: Moriarty et. al

Tahap akhir simulasi memodelkan pembentukan planet kebumian dari populasi planetesimal yang terbentuk dalam piringan. Simulasi dilakukan dalam lingkungan perbandingan C/O yang tinggi. Hasilnya, baik simulasi yang lama maupun baru menghasilkan terbentuknya 3 planet, dengan 2 planet dalam yang identik pada kedua model. Yang menarik, dalam simulasi terbaru, sisa karbon dalam pembentukan planet berakhir menjadi bagian dari planet terluar dari sistem. Sedangkan pada pemodelan yang lama planet terluar tidak memiliki kandungan karbon karena seluruh karbon sudah diakresi menjadi bagian dari planet dalam.


Sumber: Astrobites: How Easily Do Carbon-Rich Planets Form? oleh Nick Ballering berdasarkan makalah Chemistry in an Evolving Protoplanetary Disk: Effects on Terrestrial Planet Composition
oleh John Moriarty, Nikku Madhusudhan, dan Debra Fischer

Ditulis oleh

Avivah Yamani

Avivah Yamani

Tukang cerita astronomi keliling a.k.a komunikator astronomi yang dulu pernah sibuk menguji kestabilan planet-planet di bintang lain. Sehari-hari menuangkan kisah alam semesta lewat tulisan dan audio sambil bermain game dan sesekali menulis makalah ilmiah terkait astronomi & komunikasi sains.

Avivah juga bekerja sebagai Project Director 365 Days Of Astronomy di Planetary Science Institute dan dipercaya IAU sebagai IAU OAO National Outreach Coordinator untuk Indonesia.