“Mengayak” Debu Tata Surya, Menemukan Cincin Debu Orbit Planet!

Ruang angkasa, meskipun terlihat kosong, sebenarnya memiliki banyak debu yang beterbangan di dalamnya. Dalam situasi tertentu (seperti pencitraan obyek ruang angkasa) debu dapat sangat mengganggu, namun dalam situasi lain sangat bermanfaat untuk mempelajari banyak hal, seperti sejarah Tata Surya. Ketika “mengayak” debu-debu antariksa inilah, para ilmuwan menemukan dan mempelajari fenomena cincin debu di orbit planet.

Ilustrasi cincin debu yang mengelilingi Matahari dan planet dalam. Kredit:Mary Pat Hrybyk-Keith/NASA's Goddard Space Flight Center)
Ilustrasi cincin debu yang mengelilingi Matahari dan planet dalam. Kredit:Mary Pat Hrybyk-Keith/NASA’s Goddard Space Flight Center)

Debu Tata Surya

Sebagaimana diindikasikan oleh namanya, debu Tata Surya adalah debu atau serpihan halus material yang beterbangan di ruang angkasa di dalam lingkungan Tata Surya. Debu berasal dari proses-proses fisika seperti tabrakan antar asteroid dan serpihan komet yang melintas. Setelah terbentuk, mereka umumnya akan terbang menuju pusat Tata Surya karena tarikan gravitasi Matahari.

Dalam perjalanannya menuju Matahari, sebagian debu tertangkap oleh tarikan gravitasi planet yang dilewatinya, dan berdiam di jalur orbit planet tersebut, membentuk apa yang kita kenal sebagai cincin debu. Bila dilihat dari atas (arah kutub utara Tata Surya) jalur orbit planet tersebut dipenuhi debu, serupa cincin yang mengelilingi Matahari.

Cincin Debu Bumi dan Venus

Untuk mempelajari cincin debu planet, paling mudah tentunya kita belajar dari planet kita sendiri. Sekitar 25 tahun yang lalu, para ilmuwan menemukan bahwa Bumi bergerak mengelilingi Matahari di dalam cincin debu raksasa.

Sebagaimana telah disebutkan, dalam situasi tertentu debu antariksa sangat mengganggu proses pengamatan benda langit. Kehadiran debu akan memblokir bidang pengamatan teleskop dari Bumi, terutama ketika mengamati objek yang jauh. Meskipun demikian, sebenarnya debu angkasa memegang peran yang sangat penting dalam pembentukan bintang dan planet. Dengan demikian, studi mengenai komposisi, asal dan pergerakan debu tersebut dapat memberikan informasi mengenai proses pembentukan planet dan komposisi material di Tata Surya.

Cincin debu Bumi berasal dari sabuk asteroid, yang berada di antara orbit Mars dan Jupiter. Asteroid di dalam sabuk ini saling bertabrakan secara terus menerus, menghasilkan butiran-butiran halus yang akan terbang menuju pusat Tata Surya. Dalam perjalanannya, sebagian debu tersebut tertangkap oleh gravitasi Bumi, membentuk cincin debu sepanjang jalur orbitnya.

Venus, saudara kembar Bumi, juga memiliki cincin debu di sepanjang jalur orbitnya. Cincin debu Venus pertama kali dideteksi dari data wahana Jerman-Amerika Helios di tahun 2007, yang kemudian dikonfirmasi oleh data STEREO (Solar and Terrestrial Relations Observatory, wahana kembar yang mengorbit Bumi, satu di depannya dan satu di belakangnya) pada tahun 2013.

Cincin debu Venus memiliki kecemerlangan (yang menunjukkan meningkatnya kerapatan/densitas debu) 10% lebih besar daripada ruang angkasa di sekitarnya. Cincin tersebut memiliki ukuran 25,7 juta km dari atas ke bawah, dan memiliki lebar sebesar 9,6 juta km. Ukuran butiran debu tersebut adalah sebesar pasir di kertas amplas kasar, yang tersebar luas di sepanjang orbit Venus. Apabila dirapatkan, keseluruhan debu di cincin ini akan menghasilkan sebuah asteroid berukuran 3,2 km.

Dalam penelitian terbarunya, para ilmuwan mencoba membuat model untuk menentukan asal cincin debu Venus. Awalnya mereka menduga sumber debu Venus sama dengan Bumi, yaitu sabuk asteroid. Ketika mereka menjalankan model ini dengan sumber debu utama dari sabuk asteroid, simulasi yang dihasilkan sesuai dengan kenyataan cincin debu Bumi, namun tidak untuk cincin debu Venus. Bahkan ketika para ilmuwan mencoba memasukkan selusin sumber debu lainnya di Tata Surya, mulai dari sabuk asteroid, komet awan Oort, komet keluarga Jupiter hingga tabrakan antar asteroid, tidak satupun menghasilkan simulasi yang sesuai dengan kenyataan cincin debu Venus.

Setelah semua upaya tidak memberikan hasil, para ilmuwan mencoba sumber debu hipotetik, yaitu sumber yang meskipun memungkinkan secara saintifik, masih belum terbukti keberadaannya. Sumber hipotetik tersebut adalah kumpulan asteroid di dalam orbit Venus sendiri, namun berada cukup jauh, bahkan mungkin di sisi yang berlawanan dari sang Planet Cinta. Para ilmuwan menyebutkan bahwa kelompok asteroid tersebut sangat mungkin benar-benar ada, hanya saja belum dapat teramati dari Bumi. Penyebabnya, ketika kita mengarahkan teleskop ke arah Venus yang sangat dekat dengan Matahari, gangguan cahaya dari Matahari yang sangat terang merupakan masalah yang cukup besar untuk melihat objek apapun di sekitarnya.

Wah, apakah mungkin dalam orbit suatu planet ada kelompok asteroid? Sangat mungkin! Fenomena semacam ini dikenal dengan nama resonansi. Resonansi orbital adalah pola orbital yang mengunci beberapa orbit benda langit bersama-sama, umumnya disebabkan karena periode orbital mereka terhubung dengan rasio tertentu. Tarikan gravitasi antar benda langit yang beresonansi juga akan saling mempengaruhi. Contoh yang sederhana adalah Neptunus dan Pluto. Setiap kali Pluto menyelesaikan 2 putaran mengelilingi Matahari, Neptunus akan menyelesaikan persis 3 putaran mengelilingi Matahari. Pola ini terkunci, akan selalu berulang, tanpa berubah. Inilah sebabnya Neptunus dan Pluto tidak akan pernah bertabrakan, terlepas dari fakta bahwa orbit mereka berpotongan . Perbandingan jumlah orbit yang mengunci kedua objek tersebut disebut rasio, dan dinyatakan sebagai 2:3.

Dalam kasus Venus dan asteroid di orbitnya, para ilmuwan mencoba memasukkan berbagai rasio orbital Asteroid : Venus, mulai dari 2:3, 9:10, hingga 1:1, ke dalam model mereka. Hasilnya sungguh mengejutkan! Salah satu dari rasio tersebut menghasilkan simulasi yang sesuai dengan kenyataan cincin debu Venus, yaitu 1:1. Ini berarti, kelompok asteroid hipotetik tersebut berbagi orbit dengan Venus, menyelesaikan satu putaran mengelilingi Matahari dalam waktu yang sama dengan yang dibutuhkan Venus untuk melakukannya!

Sampai di sini tentunya para ilmuwan cukup puas karena telah berhasil menemukan kemungkinan sumber cincin debu Venus. Masalah berikutnya adalah membuktikan keberadaan kelompok asteroid di orbit Venus tersebut. Para ilmuwan menduga bahwa asteroid hipotetik tersebut kecil peluangnya untuk berasal dari sabuk asteroid. Akan lebih masuk akal bila asteroid hipotetik tersebut sudah berada di orbit Venus sejak awal, yaitu sejak Tata Surya terbentuk.

Untuk melihat kemungkinan tersebut, para ilmuwan membuat sebuah model baru. Mereka memasukkan data awal bahwa saat Tata Surya terbentuk terdapat 10.000 asteroid di orbit Venus. Kemudian mereka menjalankan model tersebut melewati 4,6 milyar tahun perjalanan Tata Surya hingga hari ini, melewati berbagai kekacauan yang mungkin terjadi. Hasilnya? 800 dari total asteroid awal masih bertahan. Hasil ini mengindikasikan bahwa asteroid yang terbentuk langsung di orbit Venus sangat mungkin terjadi, bahkan mungkin beberapa masih bertahan, dan inilah sumber utama cincin debu. Diharapkan, dengan mulai banyaknya teleskop di luar Bumi seperti Hubble dan Stereo, suatu hari nanti kita dapat menyingkap rahasia sumber cincin debu Venus ini.

Mencari Zona Bebas Debu, Menemukan Cincin Debu Merkurius

Meskipun Tata Surya “dipenuhi” debu, para ilmuwan meyakini bahwa terdapat wilayah bebas debu di area yang sangat dekat dengan Matahari. Prediksi berusia puluhan tahun tersebut menyatakan bahwa pada jarak sedekat itu dari Matahari, debu yang ada akan langsung terbakar habis. Apabila wilayah tersebut dapat dibuktikan dan batasnya ditetapkan, para ilmuwan akan dapat menentukan komposisi debu-debu antariksa, yang sangat penting dalam proses pembentukan planet.

Membuktikan keberadaan wilayah bebas debu tersebut dari permukaan Bumi cukup sulit. Hal ini dikarenakan cincin debu di sekitar planet Bumi akan membuat kita mengira bahwa wilayah di sekitar Matahari lebih berdebu daripada keadaan yang sebenarnya. Untuk itu, para ilmuwan menggunakan data dari STEREO.

Awalya, para ilmuwan membuat model dengan menggunakan data STEREO untuk memprediksi kondisi ruang angkasa di sekitar Matahari, sekaligus sebagai persiapan untuk wahana Parker Solar Observatory. Data dari PSO nantinya akan dianalisa dengan menggunakan model tersebut untuk memberikan konteks lingkungan sekitar Matahari. Namun karena penasaran, mereka memutuskan untuk mencari wilayah bebas debu di sekitar Matahari sebagai proyek sampingan.

Dalam data STEREO (dan PSO nantinya) ada 2 jenis cahaya: cahaya dari atmosfer luar Matahari (korona) dan cahaya Matahari yang dipantulkan oleh debu (cahaya pantulan debu). Cahaya pantulan debu ini bisa mencapai 1000 kali lebih cemerlang daripada cahaya korona. Untuk memperoleh data cahaya korona yang akurat, para ilmuwan harus menghilangkan cahaya pantulan debu ini dari citra STEREO. Untuk itu mereka membuat model khusus untuk menghilangkan cahaya pantulan debu. Namun,alih-alih dibuang seperti biasanya, data cahaya pantulan tersebut justru mereka kumpulkan untuk dianalisa.

Mereka mengamati data cahaya pantulan untuk mengetahui berapa banyak debu yang ada di sekitar wilayah Matahari (yang dianggap bebas debu). Tak dinyana, mereka menemukan kenaikan kecemerlangan cahaya (yang menunjukkan meningkatnya kerapatan/densitas debu) sebesar 5% di orbit Merkurius. Hal ini menunjukkan bahwa Merkurius juga memiliki cincin debu sebagaimana Bumi dan Venus! Analisa lanjutan menunjukkan bahwa orbit Merkurius dilingkupi cincin debu selebar 15  juta km.

Merkurius dianggap terlalu kecil untuk dapat menarik debu untuk membuat cincin debu di orbitnya, dan posisinya terlalu dekat dengan Matahari sehingga debu akan terbakar/menguap/terdorong oleh angin matahari dan aktivitas matahari lainnya. Temuan ini telah mematahkan anggapan tersebut. Meskipun demikian, teori zona bebas debu masih menjadi misteri yang diharapkan dapat dipecahkan dengan data dari PSO setelah ia berhasil mengorbit Matahari nantinya!

Cincin Debu Bintang

Ilustrasi cincin debu dari reruntuhan pada bintang katai putih. Kredit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger
Ilustrasi cincin debu dari reruntuhan pada bintang katai putih. Kredit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger

Cincin debu tidak hanya ditemukan di Tata Surya. Para ilmuwan telah berhasil menemukan beberapa cincin debu di sistem bintang lainnya. Cincin debu berukuran luas lebih mudah diamati daripada eksoplanet, dan dapat menjadi indikasi adanya planet di sistem bintang tersebut berikut karakteristik orbitalnya.

Diharapkan dengan mempelajari cincin debu di lingkungan yang dekat dengan Bumi, kita dapat menggunakan informasi yang diperoleh untuk memperkirakan adanya cincin debu di sistem bintang lain dan karakteristiknya

Ditulis oleh

Ni Nyoman Dhitasari

Ni Nyoman Dhitasari

Berlatar belakang pendidikan Teknik Lingkungan dan musik (piano), Dhita telah jatuh cinta pada dunia Astronomi sejak kecil, terutama Astronomi Budaya. Astronomi telah menjadi hobby utamanya hingga saat ini. Dhita adalah seorang guru piano dan pianis di Denver, Amerika Serikat, dan sempat aktif sebagai tenaga sukarela di Denver Museum of Nature and Science (DMNS), bagian Space Odyssey.