Angin perubahan galaksi ditangkap

Pengamatan perintis dengan Teleskop Luar Angkasa James Webb mengungkap penyebaran gas angin di piringan pembentuk planet, sehingga meningkatkan pemahaman kita tentang dinamika pembentukan planet dan evolusi piringan. (Kesan artis.) Kredit: ESO/M. Kornmesser

Untuk pertama kalinya, para peneliti mengambil gambar piringan tua pembentuk planet yang secara aktif mengeluarkan kandungan gasnya.

Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) membantu para ilmuwan mengungkap bagaimana planet terbentuk dengan menggeser tempat lahirnya dan piringan bintang yang mengelilingi bintang-bintang muda. Dalam sebuah artikel yang diterbitkan di Jurnal Astronomi, tim ilmuwan yang dipimpin oleh Naman Bajaj dari Universitas Arizona dan termasuk Drs. Umy Gorti dari SETI Institute, gambar untuk pertama kalinya muncul dari piringan pembentuk planet tua (masih sangat muda dibandingkan Matahari) yang secara aktif menyebarkan kandungan gasnya. Disk sudah dipindai sebelumnya, angin dari disk lama tidak. Mengetahui kapan gas tersebut menghilang sangatlah penting karena hal ini membatasi waktu yang tersisa bagi planet-planet yang baru lahir untuk mengonsumsi gas dari lingkungannya.

Pengamatan dari TCha Eroding Disc

Inti dari penemuan ini adalah pengamatan TCha, sebuah bintang muda (relatif terhadap Matahari) yang dikelilingi oleh piringan terkikis yang ditandai dengan celah debu yang sangat besar, dengan radius sekitar 30 AU. Para astronom untuk pertama kalinya mencitrakan hamburan gas (alias angin) menggunakan empat garis gas mulia neon (Ne) dan argon (Ar), yang salah satunya merupakan deteksi pertama pada piringan pembentuk planet. Gambar dari [Ne II] menunjukkan bahwa angin datang dari wilayah cakram yang luas. Tim yang seluruh anggota program JWST dipimpin oleh Ilaria Pascucci (U Arizona) juga tertarik dengan cara kerja proses ini untuk lebih memahami sejarah dan dampaknya terhadap tata surya kita.

“Angin ini dapat didorong oleh foton bintang berenergi tinggi (cahaya bintang) atau oleh medan magnet yang menembus piringan pembentuk planet,” kata Naman.

Uma Gorti dari SETI Institute telah melakukan penelitian hamburan cakram selama beberapa dekade dan bersama rekannya memperkirakan kuatnya emisi argon yang kini terdeteksi oleh JWST. Dia “bersemangat akhirnya bisa menguraikan kondisi fisik angin untuk memahami bagaimana angin lepas landas”.

Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) adalah observatorium astronomi mutakhir yang dirancang untuk mengungkap misteri alam semesta, mulai dari pembentukan galaksi, bintang, dan planet hingga deteksi potensi tanda-tanda kehidupan di planet ekstrasurya. Diluncurkan pada bulan Desember 2021, observatorium ini berfungsi sebagai observatorium sains luar angkasa terkemuka pada dekade berikutnya, memanfaatkan warisan Teleskop Luar Angkasa Hubble dengan instrumen yang lebih kuat dan kemampuan observasi yang lebih luas. Kredit: NASA

Evolusi sistem planet

Sistem planet seperti tata surya kita tampaknya mengandung lebih banyak benda berbatu dibandingkan benda kaya gas. Di sekitar Matahari kita, termasuk planet dalam, sabuk asteroid, dan sabuk Kuiper. Namun, para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa cakram pembentuk planet bermula dengan massa 100 kali lebih besar dalam bentuk gas dibandingkan padatan, sehingga menimbulkan pertanyaan mendesak: kapan dan bagaimana sebagian besar gas meninggalkan cakram/sistem?

Pada tahap awal pembentukan sistem planet, planet-planet menyatu dalam piringan gas dan debu halus yang berputar mengelilingi bintang muda. Partikel-partikel ini mengumpul dan berkumpul menjadi potongan-potongan yang semakin besar yang disebut planetesimal. Seiring waktu, planetesimal ini bertabrakan dan menyatu, akhirnya membentuk planet. Jenis, ukuran, dan lokasi planet yang terbentuk bergantung pada jumlah materi yang tersedia dan berapa lama materi tersebut berada di dalam piringan. Jadi hasil pembentukan planet bergantung pada evolusi dan disipasi piringan tersebut.

Kelompok yang sama di makalah lain dipimpin oleh Dr. Oleh Andrew Sellek dari Observatorium Leiden, dia melakukan simulasi hamburan yang didorong oleh foton bintang untuk membedakannya. Mereka membandingkan simulasi ini dengan pengamatan sebenarnya dan menemukan bahwa hamburan foton bintang berenergi tinggi dapat menjelaskan pengamatan tersebut dan oleh karena itu tidak dapat dikesampingkan sebagai suatu kemungkinan. Andrew menggambarkan bagaimana “pengukuran simultan dari keempat jalur oleh JWST terbukti menjadi kunci untuk menentukan sifat-sifat angin dan membantu kami menunjukkan bahwa terdapat penyebaran gas yang cukup besar”. Untuk menjelaskan hal ini, para ilmuwan telah menghitung bahwa massa yang tersebar setiap tahun setara dengan massa Bulan! Dokumen pendamping sedang ditinjau Jurnal Astronomiakan menjelaskan hasil ini secara rinci.

Penemuan transformatif dan prospek masa depan

Itu [Ne II] garis ini pertama kali ditemukan menuju beberapa piringan planet pada tahun 2007 oleh Teleskop Luar Angkasa Spitzer dan segera diidentifikasi oleh pemimpin proyek Prof. Pascuccim dari Universitas Arizona sebagai pelacak angin; hal ini mengubah upaya penelitian yang bertujuan untuk memahami hamburan cakram gas. Penemuan terselesaikan secara spasial [Ne II] dan deteksi pertama [Ar III] penggunaan JWST dapat menjadi langkah selanjutnya dalam mengubah pemahaman kita tentang proses ini.

“Kami pertama kali menggunakan neon untuk mempelajari cakram pembentuk planet lebih dari satu dekade lalu, menguji simulasi komputasi kami berdasarkan data dari Spitzer dan observasi baru yang diperoleh dengan ESO VLT,” kata Profesor Richard Alexander dari Fakultas Fisika dan Astronomi Universitas Leicester. Kami belajar banyak, namun pengamatan ini tidak memungkinkan kami mengukur berapa banyak massa yang hilang dari cakram. Data JWST yang baru sungguh spektakuler, dan kemampuan untuk membedakan angin cakram pada gambar adalah sesuatu yang saya pikir tidak mungkin terjadi. Dengan lebih banyak observasi seperti ini yang akan datang, JWST akan memungkinkan kita memahami sistem planet muda dengan cara yang belum pernah ada sebelumnya.”

Selain itu, tim juga menemukan bahwa cakram bagian dalam T Cha berevolusi dalam rentang waktu yang sangat singkat, yaitu beberapa dekade; menemukan bahwa spektrum JWST T Cha berbeda dari spektrum Spitzer sebelumnya. Menurut Chengyan Xie dari Universitas Arizona, penulis utama karya yang sedang dalam proses ini, perbedaan ini dapat dijelaskan oleh piringan bagian dalam yang kecil dan asimetris yang telah kehilangan sebagian massanya hanya dalam waktu ~17 tahun. Bersamaan dengan penelitian lain, hal ini juga menunjukkan bahwa disk T Cha berada pada akhir pengembangannya. Chengyan menambahkan, “Dalam hidup kita, kita bisa menyaksikan penyebaran semua materi debu di piringan bagian dalam T Cha!”

Implikasi dari temuan ini memberikan wawasan baru mengenai interaksi kompleks yang mengarah pada penyebaran gas dan debu yang penting bagi pembentukan planet. Dengan memahami mekanisme di balik penyebaran cakram, para ilmuwan dapat memprediksi dengan lebih baik garis waktu dan lingkungan yang mengarah pada kelahiran planet. Pekerjaan tim ini menunjukkan kekuatan JWST dan menetapkan jalur baru dalam menyelidiki dinamika pembentukan planet dan evolusi cakram sirkumbintang.

Referensi: “Pengamatan JWST MIRI MRS terhadap T Cha: Penemuan Angin Cakram yang Terselesaikan Secara Spasial” oleh Naman S. Bajaj, Ilaria Pascucci, Uma Gorti, Richard Alexander, Andrew Sellek, Jane Morrison, Andras Gaspar, Cathie Clarke, Chengyan Xie, Giulia Ballabio dan Dingshan Deng, 4 Maret 2024, Jurnal Astronomi.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad22e1

Data yang digunakan dalam pekerjaan ini diperoleh dengan instrumen JWST/MIRI melalui program General Observer Cycle 1 PID 2260 (PI: I. Pascucci). Tim peneliti antara lain Naman Bajaj (mahasiswa pascasarjana), Prof. Ilaria Pascucci, Dr. Uma Gorti, Prof. Richard Alexander, Dr. Andrew Selleck, Ph.D. Jane Morrison, Prof. Andras Gaspar, Prof. Cathie Clarke, Chengyan Xie (mahasiswa pascasarjana), Dr. Giulia Ballabio dan Dingshan Deng (mahasiswa pascasarjana).