Webb menemukan atmosfer di planet ekstrasurya berbatu untuk pertama kalinya

Gas yang keluar dari permukaan yang tertutup lava di 55 Cancri e mungkin memberi makan atmosfer yang kaya akan karbon dioksida atau karbon monoksida.

Saat ini, mendeteksi atmosfer planet yang berjarak puluhan atau bahkan ratusan tahun cahaya dari Bumi mungkin bukan masalah besar. Para ilmuwan telah menemukan bukti adanya atmosfer di sekitar puluhan exoplanet selama dua dekade terakhir. Masalahnya adalah semua planet ini memiliki atmosfer tebal yang didominasi hidrogen sehingga relatif mudah untuk dipelajari. Selimut gas tipis yang mengelilingi beberapa planet ekstrasurya kecil dan berbatu masih sulit dipahami.

Para peneliti berpikir mereka akhirnya bisa melihat sekilas atmosfer kaya dan mudah berubah di sekitar planet berbatu tersebut. Cahaya yang dipancarkan dari daerah panas sangat bersinar planet ekstrasurya 55 Cancri e menunjukkan bukti kuat mengenai atmosfer, yang mungkin kaya akan karbon dioksida atau karbon monoksida, yang mengalir dari lautan luas lava yang menutupi permukaan planet.

Hasilnya adalah bukti terbaik keberadaan atmosfer planet berbatu di luar tata surya kita.

Konsep seniman ini menunjukkan seperti apa rupa planet ekstrasurya 55 Cancri e. Juga disebut Janssen, 55 Cancri e adalah apa yang disebut Bumi super, sebuah planet berbatu yang jauh lebih besar dari Bumi tetapi lebih kecil dari Neptunus, yang mengorbit bintangnya pada jarak hanya 1,4 juta mil (0,015 AU), menyelesaikan satu orbit penuh. Dalam waktu kurang dari 18 jam. (Merkurius berjarak 25 kali lebih jauh dari Matahari dibandingkan bintangnya, 55 Cancri e). Sistem ini, yang juga mencakup empat planet gas raksasa besar, terletak sekitar 41 tahun cahaya dari Bumi, di konstelasi Cancer. Kredit gambar: NASA, ESA, Badan Antariksa Kanada, Ralph Crawford (STScI)

Teleskop Luar Angkasa Webb mengisyaratkan kemungkinan atmosfer di sekitar planet ekstrasurya berbatu

Peneliti menggunakan NASA'S Teleskop Luar Angkasa James Webb Mereka mungkin telah mendeteksi gas atmosfer di sekitar 55 Cancri e, sebuah planet ekstrasurya panas dan berbatu yang terletak 41 tahun cahaya dari Bumi. Ini adalah bukti terbaik bahwa planet berbatu di luar tata surya kita mempunyai atmosfer.

Pembaruan berasal dari Jet Propulsion Laboratory NASA (Laboratorium Propulsi Jet) di Pasadena, California, adalah penulis utama makalah yang diterbitkan pada 8 Mei alam. “Webb mendorong batasan dalam mengkarakterisasi exoplanet menjadi planet berbatu,” kata Hu. “Ini benar-benar memungkinkan munculnya ilmu pengetahuan jenis baru.”

Bumi Super Panas 55 Cancri E

55 Cancri e, juga dikenal sebagai Janssen, adalah salah satu dari lima planet yang diketahui mengorbit bintang mirip Matahari 55 Cancri, di konstelasi Cancer. Dengan diameter hampir dua kali lipat diameter Bumi dan kepadatan sedikit lebih besar, planet ini tergolong super-Bumi: lebih besar dari Bumi dan lebih kecil dari Bumi. NeptunusKomposisinya kemungkinan besar mirip dengan planet berbatu di tata surya kita.

Namun, menggambarkan 55 Cancri e sebagai “berbatu” mungkin meninggalkan kesan yang salah. Planet ini mengorbit dekat dengan bintangnya (sekitar 1,4 juta mil, atau 20/25 jarak antara Merkurius dan Matahari), dan permukaannya kemungkinan besar berbentuk cair – lautan magma yang menggelegak. Dengan orbit yang begitu sempit, planet ini kemungkinan juga terkunci pasang surut, dengan sisi siang hari selalu menghadap bintang dan sisi malam selalu dalam kegelapan.

Meskipun banyak pengamatan sejak transitnya ditemukan pada tahun 2011, pertanyaan apakah 55 Cancri e memiliki atmosfer atau bahkan bisa Salah satunya masih belum terjawab karena suhunya yang tinggi dan serangan radiasi bintang serta angin yang terus-menerus dari bintangnya.

“Saya telah mengerjakan planet ini selama lebih dari satu dekade,” kata Diana Dragomir, peneliti planet ekstrasurya di Universitas New Mexico dan salah satu penulis studi tersebut. “Sungguh membuat frustrasi karena tidak ada masukan yang kami terima yang memberikan solusi solid terhadap misteri ini. Saya senang kami akhirnya mendapatkan jawaban!”

Berbeda dengan atmosfer planet gas raksasa yang relatif mudah dideteksi ( Hal itu terungkap untuk pertama kalinya Oleh NASA Teleskop Luar Angkasa Hubble Selama lebih dari dua dekade), atmosfer yang lebih tipis dan padat di sekitar planet berbatu masih sulit ditemukan.

Studi sebelumnya di 55 Cancri e yang menggunakan data dari Teleskop Luar Angkasa Spitzer milik NASA yang sekarang sudah tidak digunakan lagi, menunjukkan adanya atmosfer luas yang kaya akan zat-zat yang mudah menguap (molekul yang ditemukan dalam bentuk gas di Bumi) seperti oksigen, nitrogen, dan karbon dioksida. Namun para peneliti tidak dapat mengesampingkan kemungkinan lain: bahwa planet ini kosong, kecuali lapisan batuan rapuh yang menguap, kaya akan unsur-unsur seperti silikon, besi, aluminium, dan kalsium. “Planet ini sangat panas sehingga sebagian batuan cairnya pasti telah menguap,” jelas Ho.

Kurva cahaya ini menunjukkan perubahan kecerahan sistem 55 Cancri, ketika planet berbatu 55 Cancri e, planet terdekat dari lima planet yang diketahui dalam sistem, bergerak di belakang bintang. Fenomena ini dikenal sebagai gerhana sekunder.
Saat planet berada di dekat bintang, cahaya inframerah tengah dari bintang dan sisi siang hari mencapai teleskop, membuat sistem tampak lebih terang. Saat planet berada di belakang bintang, cahaya dari planet terhalang dan hanya cahaya bintang yang mencapai teleskop, sehingga mengakibatkan penurunan kecerahan semu.
Para astronom dapat mengurangi kecerahan bintang dari gabungan kecerahan bintang dan planet untuk menghitung berapa banyak cahaya inframerah yang berasal dari siang hari planet tersebut. Ini kemudian digunakan untuk menghitung suhu siang hari dan menyimpulkan apakah planet tersebut memiliki atmosfer atau tidak.
Kredit gambar: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

Ukur perbedaan halus dalam warna inframerah

Untuk membedakan kedua kemungkinan tersebut, tim menggunakan NIRCam (kamera inframerah dekat) Webb dan MIRI (instrumen inframerah tengah) untuk mengukur cahaya inframerah 4 hingga 12 mikron yang datang dari planet ini.

Meskipun Webb tidak dapat mengambil gambar langsung dari 55 Cancri e, Webb dapat mengukur perubahan halus pada cahaya dari sistem saat planet mengorbit bintang.

Dengan mengurangi kecerahan saat gerhana sekunder (lihat gambar di atas), saat planet berada di belakang bintang (hanya cahaya bintang), dari kecerahan saat planet berada tepat di sebelah bintang (gabungan cahaya dari bintang dan planet), tim mampu menghitung jumlah panjang gelombang sinar inframerah yang berbeda yang datang dari sisi siang hari planet ini.

Metode ini, yang dikenal sebagai spektroskopi gerhana sekunder, serupa dengan yang digunakan oleh tim peneliti lain untuk mencari atmosfer di planet ekstrasurya berbatu lainnya, seperti TRAPPIST-1 b.

Spektrum emisi termal yang ditangkap oleh Webb NIRCam (Kamera Inframerah Dekat) pada November 2022, dan MIRI (Instrumen Inframerah Tengah) pada Maret 2023, menunjukkan kecerahan (sumbu y) dari berbagai panjang gelombang cahaya inframerah (sumbu x) yang dipancarkan. Oleh planet ekstrasurya raksasa 55 Cancri e. Spektrum menunjukkan bahwa planet ini mungkin dikelilingi oleh atmosfer yang kaya akan karbon dioksida atau karbon monoksida dan zat mudah menguap lainnya, bukan hanya batuan yang menguap.
Grafik tersebut membandingkan data yang dikumpulkan oleh NIRCam (titik oranye) dan MIRI (titik ungu) dengan dua model berbeda. Model A, berwarna merah, menunjukkan spektrum emisi 55 Cancri e jika atmosfernya terbuat dari batuan yang menguap. Model B, berwarna biru, menunjukkan seperti apa spektrum emisi jika planet ini memiliki atmosfer yang kaya akan volatil yang dipancarkan dari lautan magma yang memiliki kandungan volatil serupa dengan mantel bumi. Data MIRI dan NIRCam konsisten dengan model kaya volatil.
Jumlah cahaya inframerah-tengah yang dipancarkan planet (MIRI) menunjukkan bahwa suhu siang hari jauh lebih rendah dibandingkan jika tidak ada atmosfer yang mendistribusikan panas dari siang hari ke malam hari. Penurunan spektrum antara 4 dan 5 mikron (data NIRCam) dapat dijelaskan dengan penyerapan panjang gelombang tersebut oleh karbon monoksida atau molekul karbon dioksida di atmosfer.
Kredit gambar: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmstead (STScI), Renew Ho (NASA-JPL), Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL), Michael Chang (Universitas Chicago), Mantas Zilinskas (SRON)

Lebih dingin dari yang diharapkan

Indikasi pertama bahwa 55 Cancri e memiliki atmosfer yang signifikan berasal dari pengukuran suhu berdasarkan emisi termalnya (lihat gambar di atas), atau energi panas yang dipancarkan dalam bentuk cahaya inframerah. Jika planet ini tertutup batuan cair yang gelap dengan selubung tipis batuan yang menguap atau tidak ada atmosfer sama sekali, suhu siang hari seharusnya sekitar 4.000 derajat. F (~2200 derajat Celsius).

“Sebaliknya, data MIRI menunjukkan suhu yang relatif rendah, sekitar 2.800 derajat Fahrenheit [~1540 degrees Celsius]Dia berkata. “Ini adalah indikasi yang sangat kuat bahwa energi didistribusikan dari siang hari ke malam hari, kemungkinan besar melalui atmosfer yang kaya dan bergejolak.” Meskipun aliran lava dapat membawa sejumlah panas ke sisi malam, aliran tersebut tidak dapat memindahkannya dengan cukup efisien untuk memperhitungkan efek pendinginan.

Ketika tim melihat data NIRCam, mereka melihat pola yang konsisten dengan atmosfer yang kaya dan mudah berubah.

“Kami melihat bukti penurunan spektrum antara 4 dan 5 mikron, dan lebih sedikit cahaya yang mencapai teleskop,” jelas rekan penulis Aaron Bello-Aroff, juga dari NASA JPL. “Ini menunjukkan adanya atmosfer yang mengandung karbon monoksida atau karbon dioksida, yang menyerap panjang gelombang cahaya tersebut.” Sebuah planet yang tidak memiliki atmosfer atau atmosfer yang hanya terdiri dari batuan yang menguap tidak akan memiliki ciri spektral spesifik ini.

“Kami telah menghabiskan 10 tahun terakhir untuk membuat model skenario yang berbeda-beda, mencoba membayangkan seperti apa dunia ini nantinya,” kata rekan penulis Yamila Miguel dari Observatorium Leiden dan Institut Penelitian Luar Angkasa Belanda (SRON). “Akhirnya, dapatkan validasi atas pekerjaan kami yang sangat berharga!”

Lautan magma yang menggelegak

Tim percaya bahwa gas yang menutupi 55 Cancri e akan muncul dari dalam, bukan sudah ada sejak planet ini terbentuk. “Atmosfer inti sudah lama hilang karena suhu tinggi dan radiasi intens dari bintang,” kata Bello-Arov. “Ini akan menjadi atmosfer sekunder yang terus-menerus diisi ulang oleh lautan magma. Magma bukan hanya berupa kristal cair dan batuan; ada juga banyak gas yang terlarut di dalamnya.

Meskipun 55 Cancri e terlalu panas untuk bisa dihuni, para peneliti percaya bahwa hal ini dapat memberikan jendela unik untuk mempelajari interaksi antara atmosfer, permukaan, dan interior planet berbatu, dan mungkin memberikan wawasan tentang kondisi awal Bumi. VenusDan MarsYang diyakini telah tertutup oleh lautan magma di masa lalu. “Pada akhirnya, kami ingin memahami kondisi apa yang memungkinkan planet berbatu mempertahankan atmosfer yang kaya gas: unsur penting untuk planet yang layak huni,” kata Hu.

Penelitian ini dilakukan sebagai bagian dari Program Webb Pengamat Umum (GO) tahun 1952. Pengamatan gerhana sekunder tambahan di 55 Cancri e saat ini sedang dianalisis.

Referensi: “Suasana sekunder di planet ekstrasurya berbatu 55 Cancri e” oleh Renyu Hu, Aaron Belo-Aroff, Michael Zhang, Kimberly Paragas, Mantas Zilinskas, Christian van Botchem, Michael Pace, Jayeshil Patel, Yuichi Ito, Mario Damiano, Markus Shusher , Apoorva V. Oza, Heather A. Knutson, Yamila Miguel, Diana Dragomir, Alexis Brandecker dan Bryce Olivier Demauri, 8 Mei 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07432-x

Teleskop Luar Angkasa James Webb adalah observatorium sains luar angkasa terkemuka di dunia. Webb memecahkan misteri tata surya kita, melihat melampaui dunia jauh di sekitar bintang lain, dan mengeksplorasi struktur misterius dan asal usul alam semesta serta tempat kita di dalamnya. WEB merupakan program internasional yang dipimpin oleh NASA bersama mitranya Badan Antariksa Eropa (ESA).Badan Antariksa Eropa) dan Badan Antariksa Kanada.