Struktur Piringan Protoplanet Penanda Kelahiran Planet

Hasil pengamatan 20 piringan protoplanet di sekeliling bintang muda memperlihatkan kemiripan struktur yang tampaknya terbentuk oleh planet-planet baru.

Perburuan exoplanet di bintang lain sudah membawa kita menemukan hampir 4000 exoplanet. Jumlah yang tidak sedikit, tapi masih terlalu sedikit jika dibandingkan dengan perkiraan bahwa setiap bintang memiliki planet. Menariknya, setiap exoplanet dan setiap sistem itu memiliki keunikan tersendiri.

Jika dahulu kita beranggapan bahwa tipe planet itu seperti di Tata Surya, ternyata tidak demikian. Planet yang ditemukan di bintang lain itu sangat beragam. Selain planet seperti di tata Surya, ditemukan juga Jupiter Panas, planet gas raksasa yang berada sangat dekat dengan bintang, ada pula planet batuan masif yang dijuluki Bumi Super, maupun planet es kecil yang dikenal sebagai Neptunus mini. Bintang dimana planet-planet ini mengorbit juga beragam. Tidak hanya yang serupa Matahari.

Tapi, masih ada misteri yang belum terungkap.

Bagaimana planet terbentuk dan takaran seperti apa yang bisa membentuk planet yang demikian beragam. Contohnya, bagaimana planet Jupiter panas atau Bumi super terbentuk belum kita ketahui dengan pasti. Pertanyaan lain yang muncul, mungkinkah ada ciri khusus yang bisa dikenali ketika planet terbentuk pada bintang-bintang muda.

Untuk menjawab keingintahuan itu, para astronom membuat program Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) untuk mengamati piringan protoplanet bintang-bintang muda dekat dengan 45 teleskop radio ALMA (Atacama Large Millimeter Array) di Gurun Atacama, Chile. Tujuannya untuk mempelajari beragam fitur yang ada di piringan protoplanet dan kecepatan pembentukan planet.

Menelusuri cakram debu di sekeliling bintang

Sasaran pengamatan adalah piringan protoplanet di sekeliling bintang yang baru terbentuk. Piringan yang diisi oleh gas dan debu inilah yang jadi bahan baku pembentukan planet. Berdasarkan teori, planet terbentuk dari akresi atau akumulasi gas dan debu yang ada di dalam piringan protoplanet. Ini adalah piringan gas dan debu yang ada di sekeliling bintang muda yang baru terbentuk. Prosesnya dimulai dengan koalisi atau penggabungan debu yang membentuk batuan yang lebih besar sampai akhirnya terbentuk menjadi planet.

Tantangan terbesar dari proses pembentukan planet adalah pembentukan planetesimal atau cikal bakal planet. Ketika planet yang dibentuk adalah planet batuan atau inti padat planet raksasa, maka kecepatan aglomerasi partikel kecil untuk bergabung menjadi planetesimal berukuran beberapa kilometer menjadi parameter yang penting.

Ketika debu dan gas terakumulasi membentuk planet, piringan protoplanet akan mengalami kehilangan materi. Semakin banyak yang diakresi atau ditarik, maka semakin kosong pula area di sekeliling planet. Akibatnya, terbentuklah struktur berupa celah dan cincin pada piringan protoplanet.

Struktur inilah yang dicari para astronom sebagai ciri khusus atau indikasi awal keberadaan planet di dalam piringan protoplanet. Akan tetapi, proses terbentuknya struktur celah dan cincin membutuhkan waktu panjang dan struktur itu baru tampak di piringan protoplanet ketika sistem sudah semakin tua.

Tapi bukti pengamatan justru memperlihatkan hal berbeda.

Dalam penelitian ini, ALMA mengamati 20 piringan protoplanet muda yang sebagian diantaranya baru berusia satu juta tahun. Hasilnya, ALMA berhasil mendeteksi struktur berupa celah dan cincin yang menjadi tanda keberadaan planet yang baru terbentuk. Kesimpulan bahwa celah dan cincin itu karena pembentukan planet tidak langsung diambil.

Ada kemungkinan lain yang juga dipertimbangkan. Struktur celah dan cincin itu bisa terbentuk akibat efek garis beku, yang disebabkan oleh perubahan komponen kimia yang tersebar di piringan. Semakin jauh dari bintang, maka ragam komposisi juga makin berbeda dan memengaruhi piringan. Akibatnya terbentuklah cincin dan celah.

Data protoplanet yang diamati masih terlalu sedikit untuk bisa menelaah lebih lanjut terkait efek lainnya yang bisa membentuk struktur seperti ini. Akan tetapi hasil pengamatan ALMA yang sangat presisi bisa memetakan distribusi partikel padat kecil di sekeliling bintang muda.

Tipe Planet Yang Terbentuk

Studi hasil pengamatan ALMA memperlihatkan bahwa fitur cincin gelap di tengah debu terang itu memang disebabkan oleh planet yang membersihkan area di sekitarnya saat menarik materi.

Hasil pengamatan 20 piringan protoplanet memperlihatkan kehadiran struktur berupa cincin tipis dan celah konsentris. Ada juga struktur berbentuk pola spiral dan busur. Struktur ini tak pelak mengindikasikan kehadiran celah dan cincin sebagai fitur umum pembentukan planet di sekitar bintang muda.

Salah satu bintang yang diamati adalah HD 163296 yang berada 350 juta tahun cahaya dari Bumi adalah salah satu bintang yang diamati ALMA. Bintang ini diketahui memiliki 3 protoplanet raksasa dan memiliki cincin pada piringan protoplanetnya. Pada saat diamati tahun 2016, cincin ini belum tampak. Pada pengamatan ALMA yang terbaru, celah terdalam yang terbentuk di piringan bintang HD 163296 memiliki ukuran 10 AU. Selain itu ada cincin terang pada jarak 15 AU dan celah yang lebih kecil pada jarak 4 AU.

Dari pengamatan ALMA, piringan protoplanet maupun cincin yang terbentuk di sekeliling bintang muda, merentang cukup jauh sampai lebih dari 100 AU atau tiga kali lebih jauh dari Neptunus ke Matahari.

Keberadaan gas dan debu sampai jarak yang jauh ini bisa menjadi jejak terbentuknya planet raksasa dan petunjuk mengapa planet batuan bisa terbentuk dan bertumbuh.

Masih ada misteri terkait pembentukan planet batuan. Setelah cikal bakal planet mulai terbentuk dengan diameter satu centimeter, interaksi di dalam piringan protoplanet justru menyebabkan bongkahan yang baru terbentuk itu jatuh ke dalam bintang dan hanncur. Akibatnya, materi yang terakumulasi tidak pernah bisa membentuk planet batuan seperti Venus, Bumi dan Mars.

Piringan protolanet yang dilihat ALMA justru menjadi lokasi aman untuk pembentukan dan pertumbuhan planet batuan. Kerapatan yang tinggi dan debu yang terkonsentrasi akan menghasilkan gangguan dalam piringan sehingga pada akhirnya terbentuk area dengan kondusif untuk pertumbuhan planetesimal sampai menjadi planet.

Ada hal lain yang juga menarik. Struktur yang terbentuk pada 20 piringan protoplanet ini sudah ada di usia yang masih sangat muda. Pertanyaannya, planet seperti apa yang bisa cepat terbentuk.

Hasil simulasi dari data ALMA memperlihatkan kalau planet seukuran Neptunus dan planet Bumi super dengan massa 20 massa Bumi merupakan yang paling umum terbentuk. Hanya 2 sistem yang memiliki kemungkinan terbentuknya planet raksasa seperti Jupiter. Planet yang komposisi dan ukurannya mirip Neptunus ataupun Bumi Super, terbentuk lebih cepat dan pembentukannya terjadi pada jarak yang sangat jauh dari bintang induknya.