Kala Gravitasi Mengatur Irama Exoplanet Sistem TOI-178

Sebuah sistem multiplanet dengan 5 planet terluar yang bergerak berirama bak lantunan sebuah lagu berhasil ditemukan.

Sampai saat tulisan ini dibuat, tercatat 4.404 exoplanet telah ditemukan dan masih ada 5708 kandidat exoplanet yang belum dikonfirmasi. Planet yang sudah dikonfirmasi itu berasal dari 3.252 sistem extrasolar planet dan di antaranya terdapat 721 sistem multiplanet.  

Sekilas mungkin kita berpikir bahwa penemuan planet baru bukan sesuatu yang wah karena kemajuan teknologi telah membawa kita menemukan ribuan planet. Nyatanya tidak demikian. Setiap planet yang ditemukan punya keistimewaan tersendiri. Planet dengan tipe berbeda dari yang kita kenal di Tata Surya.

Penemuan kali ini pun demikian. Sistem dengan 6 planet dan 5 planet terluarnya bergerak dalam resonansi yang diatur oleh gravitasi. 

Menarik? Tentu saja.

Bagaimana resonansi planet bisa terjadi bukan hanya antara dua planet tapi lima planet sekaligus.

Lantunan Irama Sistem TOI-178

Sistem planet yang ditemukan ini bergerak mengitari bintang TOI-178 yang jaraknya sekitar 205 tahun cahaya dari Bumi di rasi Sculptor (pematung) yang ada di langit belahan selatan. TOI-178 merupakan bintang katai oranye yang temperaturnya sedikit lebih dingin dari Matahari yakni 4316 K. Suhu Matahari 5778 K. Massa dan ukuran bintang ini juga lebih kecil yakni 0,6 kali Matahari. 

Bintang ini merupakan target pengamatan dari Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). karena itu diberi inisial TOI merupakan singkatan dari TESS Object of Interest. 

Sesuai namanya, TESS menemukan planet lewat peristiwa transit atau gerhana ketika planet melintas di antara pengamat dan bintang. Ketika planet melintas, terjadilah gerhana mini dan cahaya bintang meredup. Peristiwa peredupan secara berkala menjadi indikasi kehadiran planet mengitari sebuah bintang. Dari waktu peredupan, para astronom bisa mengetahui periode atau panjangnya tahun di planet tersebut dari waktu tempuhnya mengelilingi bintang. Selain itu semakin banyak cahaya yang terhalangi maka ukuran planet juga makin besar. 

Cerita penemuan kali ini cukup menarik. 

Pada awalnya para astronom menemukan ada dua planet yang bergerak mengitari bintang dalam orbit yang sama. Dugaan awal, kedua planet ini terbentuk pada jarak yang hampir sama. Ternyata tidak demikian. Pengamatan yang lebih detil memperlihatkan kalau bintang TOI-178 memiliki beberapa planet yang bergerak dalam konfigurasi yang luar biasa spesial. 

Para astronom menemukan enam planet mengitari bintang TOI-178 dengan jarak dan periode sebagai berikut: 

Planet	Jarak (AU)	Periode (hari)
TOI-178 b	0,026	1,91
TOI-178 c	0,03	3,24
TOI-178 d	0,059	6,56
TOI-178 e	0,07	9,96
TOI-178 f	0,1	15,23
TOI-178 g	0,12	20,7

Dari tabel, jarak ke-6 planet memang termasuk dekat jika dibandingkan planet i tata Surya karena bintang induk TOI-178 juga lebih kecil dari Matahari. 

Dalam penemuan ini, yang jadi perhatian adalah 5 planet terluar yang memiliki periode dalam pola pola kelipatan sederhana. Jadi, ada pola berulang dari periode planet terhadap planet lainnya setiap beberapa kali mengorbit bintang.

Dalam astronomi, peristiwa ini bukan hal baru. Kita mengenalnya sebagai resonansi. Ini terjadi ketika periode satu planet merupakan kelipatan yang biasanya dinyatakan sebagai pecahan dengan dua bilangan bulat. 

Di Tata Surya, resonansi seperti ini bisa ditemukan pada tiga bulan Jupiter yakni Io, Europa, dan Ganymede. Jadi, setiap Ganymede menyelesaikan satu putaran mengelilingi Jupiter, Io yang berada paling dekat dengan Jupiter sudah menyelesaikan 4 putaran, dan Europa menyelesaikan 2 kali orbitnya. 

Dari periode planet (lihat tabel 1), kita bisa mengetahui kalau gerak planet mengelilingi bintang memiliki pola kelipatan sederhana bukan hanya pada sepasang planet tapi pada 5 planet. 

Planet d menyelesaikan satu putaran orbitnya ketika planet c dua kali mengitari bintang. Sementara itu, satu putaran untuk planet e sama dengan 3 putaran a.k.a orbit untuk planet c. Irama ini masih berlanjut dengan 2 kali planet f mengorbit bintang, setara dengan 3 kali putaran orbit planet e. Dan 3 kali orbit planet g setara dengan 4 putaran orbit planet f. 

Jangan bingung dulu. Kalau disederhanakan, irama untuk resonansi planet c:d:e:f:g adalah 18:9:6:4:3.  Setiap 18 kali planet TOI-178c mengitari bintang, maka planet TOI-178d menyelesaikan 9 kali orbit, planet TOI-178e sudah 6 kali mengelilingi bintang, planet TOI-178f sudah 4 kali menyelesaikan orbitnya, dan planet terluar yakni planet TOI-178g sudah 3 kali orbit. 

Gravitasi, Sang Konduktor

Rangkaian resonansi di sistem KOI-178 ini sangat teratur melibatkan 5 planet sekaligus. Tampaknya, evolusi sistem TOI-178 berjalan cukup mulus tanpa banyak gangguan dalam hal ini tabrakan besar di awal pembentukannya. 

Planet terbentuk dari gas dan debu dalam piringan materi yang tersisa setelah bintang terbentuk. Ketika materi dalam piringan bertabrakan dan bergabung membentuk planet, orbitnya berubah, dan cenderung bergerak mendekati bintang. Jangan lupa bahwa dalam sistem planet, bintang mendominasi massa dan gravitasi seluruh sistem. Dengan demikian gravitasi akan membuat materi yang sedang membentuk planet bergerak mendekati bintang. 

Ketika protoplanet di piringan terus menarik materi sampai menjadi suatu planet, selain massa yang terus bertambah, gravitasi juga semakin besar. Meski gravitasi bintang mendominasi, ada gravitasi planet juga yang bekerja dan menghasilkan kesetimbangan. Lagi-lagi bukan hanya satu planet yang terbentuk. Interaksi bintang dan semua planet yang kemudian menghasilkan pola resonansi gerak planet dalam mengitari bintang.

Gravitasi menjadi konduktor yang mengarahkan planet untuk bergerak seirama. Jika salah satu planet bergerak lebih cepat, maka interaksi gravitasi dengan planet yang beresonansi akan mengembalikan planet tersebut pada pola awal. 

Pola resonansi ini bisa berubah jika ada gangguan yang cukup signifikan seperti tabrakan yang mengubah orbit salah satu planet selama proses pembentukan. 

Untuk sistem dengan pola resonansi yang melibatkan lima planet, ketika terjadi gangguan yang membuat salah satu planet melenceng sedikit saja, maka tentu ini akan mengganggu pola resonansi seluruh sistem. 

Sistem TOI-178 diketahui usianya sekitar 7 miliar tahun. Bisa disimpulkan kalau sistem ini sudah mengalami kestabilan dalam waktu yang sangat lama sejak planet-planet terbentuk. Dengan pola resonansi lima planet yang terjaga baik, maka bisa disimpulkan kalau masa pembentukan planet di sistem ini cukup mulus tanpa ada gangguan yang signifikan yang memengaruhi rantai resonansi. seperti tarakan-tabrakan dahsyat yang membuat planet melenceng dari orbit. Juga tidak ada planet besar yang gravitasinya bisa mengganggu pola resonansi planet. 

Ketidakteraturan dalam sistem

Gravitasi memang jadi konduktor yang mengarahkan gerak planet dalam pola yang seirama. Tapi, para astronom menemukan ketidakteraturan lainnya pada kerapatan planet.

Peristiwa transit memberi informasi tentang ukuran planet relatif terhadap Bumi. Dari pengamatan lanjutan dengan metode transit maupun kecepatan radial dengan Satelit CHEOPS milik ESA, instrumen ESPRESO yang dipasang pada Very Large Telescope yang dioperasikan ESO, teleskop Next-Generation Transit Survey, dan SPECULOOS Southern Observatory.

Dari pengamatan kecepatan radial, para astronom bisa mengetahui massa planet dan tentu saja pada akhirnya bisa mengetahui kerapatan planet.

Informasi tersebut memberi gambaran komposisi materi yang membentuk planet. 

Planet	Ukuran (RBumi)	Massa (MBumi)	Kerapatan (thd Bumi)
TOI-178 b	1,15	1,5	0,91
TOI-178 c	1,67	4,77	0,9
TOI-178 d	2,57	3,01	0,15
TOI-178 e	2,2	3,86	0,39
TOI-178 f	2,28	7,72	0,58
TOI-178 g	2,87	3,94	0,19

Dari sisi ukuran bisa kita ketahui kalau ke-6 planet ini lebih besar dari bumi tapi lebih kecil dari Neptunus. Itu artinya ke-6 planet masuk dalam kategori Bumi-super atau Neptunus-mini.  

Yang menarik, planet-planet ini tidak mengikuti “aturan” atau pola yang kita ketahui dari Tata Surya. Di Tata Surya, planet lebih kecil terbentuk dekat Matahari, dan planet-planet raksasa di area luar. Ini terjadi karena angin Matahari menyapu gas dari area ini menjauhi Matahari. 

Ketika para astronom melakukan pengamatan lanjutan dengan teleskop lain untuk memeroleh massa planet, ketidakteraturan itu semakin tampak. Di Tata Surya, jejeran planet batuan terbentuk dekat Matahari, dan planet gas raksasa jauh dari Matahari. 

Hal ini tidak terjadi pada sistem KOI-178. Pola yang terbentuk dari massa planet memperlihatkan planet yang terbentuk dalam pola komposisi yang acak. Yang selama ini kita ketahui, semakin jauh dari bintang, kerapatan planet makin berkurang dan ini berimbas pada komposisi planet. 

Planet dengan kerapatan tinggi di dekat bintang disusun oleh batuan, dan planet-planet gas raksasa memiliki kerapatan yang lebih rendah. Dalam hal ini, planet batuan memiliki kerapatan mendekati 1 sedangkan planet gas raksasa kerapatannya sampai 0,2 relatif terhadap Bumi. 

Dari informasi yang ada, bisa diketahui kalau dua planet dalam sistem TOI-178 memiliki kerapatan yang paling tinggi di antara planet lainnya. Dengan kerapatan 0,9, kedua planet ini bisa dikategorikan sebagai planet batuan. Planet TOI-178 d justru memiliki kerapatan paling kecil disusul planet terluar yakni planet TOI-178 g. Yang menarik planet TOI 178f dan TOI-178g justru jauh lebih rapat dari TO-178d dan dikelompokkan sebagai planet Neptunus-mini.

Urutan planet seperti ini masih jadi pertanyaan bagi para astronom.  Sebenarnya, variasi kerapatan planet bukan hal yang luar biasa aneh. Tabrakan dahsyat bisa jadi jawaban perbedaan kerapatan yang sangat besar antar planet di sebuah sistem. Tapi, mengingat 5 planet terluar memiliki pola resonansi yang teratur maka peristiwa tabrakan besar bukanlah jawaban dari perbedaan kerapatan tersebut. 

Lagi-lagi pertanyaannya roses pembentukan seperti apa yang bisa membuat susunan planet di sebuah sistem seperti ini. 

Jika kelima planet terluar memiliki rangkaian pola resonansi dalam mengelilingi bintang, mengapa planet terdalam yakni TOI-178b tidak beresonansi bersama kelima planet lainnya. Dugaan awal, planet TOI-178b juga ikut bergerak seirama bersama lima planet luar ketika mengelilingi bintang. Akan tetapi, gaya pasang surut akibat interaksi dengan bintang membuat planet terdalam ini memutuskan rantai pola resonansi. Tentu saja misteri ini masih harus dicari jawabannya lewat penelitian lanjut.

Selain itu pertanyaan lain, apakah ada planet yang bisa dijadikan kandidat laik huni? Saat ini, planet yang ditemukan di sistem TOI-178 tidak ada yang yang berada di zona laik huni. Akan tetapi, jika pola resonansi ini diteruskan dan diteliti lebih lanjut, diduga masih bisa ditemukan planet lainnya di area perbatasan zona laik huni. Tak hanya itu, penelitian lanjutan juga akan dilakukan untuk memahami sistem ini dan memelajari atmosfernya.