Harta Karun yang Terlupakan: Bukti Pertama Eksoplanet

Ilustrasi eksoplanet dan cakram puing-puing yang mengorbit dan “mencemari” bintang katai putih.
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Di bawah gedung perkantoran yang elegan beratapkan genteng bergaya Spanyol di Pasadena, California, tiga gudang usang menjaga catatan astronomi selama lebih dari satu abad. Di sebelah kanan setelah menuruni tangga adalah ruang bawah tanah yang menyimpan "harta karun" berharga. Laci dan kotak yang terbuat dari kayu tak terhitung jumlahnya, ditumpuk mulai dari lantai hingga hampir menyentuh langit-langit, bersama pelat teleskop, gambar bintik matahari dan arsip lainnya. Bau yang mirip amoniak, mengingatkan nostalgia dengan era film-film lama, memenuhi ruangan.

Gudang usang di Observatorium Carnegie, Pasadena, California, menyimpan arsip data teleskop Mount Wilson dan berkas astronomi lainnya.
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Menjaga salah satu dari ketiga gudang usang adalah sebuah pintu berwarna hitam dengan sebuah papan bertuliskan peringatan “Pintu ini harus ditutup rapat.”

Pintu gudang di Observatorium Carnegie.
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Observatorium Carnegie menampung 250.000 pelat fotografi yang diambil di Observatorium Mount Wilson, Palomar dan Las Campanas, selama lebih dari 100 tahun. Pada masa kejayaan mereka, Teleskop Mount Wilson berukuran 60 inci dan 100 inci, (teleskop yang berukuran lebih besar melihat cahaya pertamanya pada tanggal 1 November 1917), adalah instrumen paling kuat dari jenisnya. Mereka telah merevolusi pemahaman umat manusia terkait tempat kita di alam semesta. Keajaiban teknologi ini pernah berada di baris terdepan, dan dalam satu kasus, telah menangkap tanda-tanda dunia jauh yang tidak akan dikenali selama satu abad.

Teleskop Mount Wilson berukuran 60 inci dan 100 inci.
Kredit: Gambar milik Observatorium Institusi Carnegie untuk Koleksi Ilmu Pengetahuan di Perpustakaan Huntington

Mount Wilson adalah sebuah situs di mana beberapa penemuan penting tentang galaksi dan alam semesta kita dihasilkan pada awal abad ke-20. Di tempat inilah Edwin Hubble menyadari bahwa galaksi Bima Sakti bukanlah ujung alam semesta kita, karena galaksi Andromeda (atau Messier 31) bahkan berada lebih jauh daripada ujung terluar galaksi kita. Pelat fotografi dari Teleskop Hooker 100 inci yang menangkap pemahaman monumental ini pada tahun 1923, diabadikan sebagai poster besar di luar gudang Carnegie.

Pelat yang mengungkap bahwa Andromeda (Messier 31) adalah galaksi tersendiri.
Kredit: Observatorium Carnegie

Hubble dan Milton Humason yang memulai karirnya sebagai petugas kebersihan di Mount Wilson, bekerja sama untuk mengeksplorasi sifat alam semesta yang terus meluas. Menggunakan teleskop legendaris dan data dari Observatorium Lowell di Flagstaff, Arizona, mereka menyadari bahwa gugus galaksi saling menjauh, sedangkan galaksi yang lebih jauh bergerak menjauhi galaksi lain dengan kecepatan yang jauh lebih tinggi.

Edwin Hubble.
Kredit: Gambar milik Observatorium Institusi Carnegie untuk Koleksi Ilmu Pengetahuan di Perpustakaan Huntington

Milton Humason.
Kredit: Gambar milik Observatorium Institusi Carnegie untuk Koleksi Ilmu Pengetahuan di Perpustakaan Huntington

Tapi ada sebuah penemuan di Mount Wilson yang tidak terungkap selama 100 tahun, tidak dikenal dan tidak dihargai sampai baru-baru ini. Penemuan tersebut adalah bukti awal eksoplanet.

Kisah Detektif Astronomi

Semua bermula dari Ben Zuckerman, seorang profesor emeritus astronomi dari Universitas California, Los Angeles, yang sedang mempersiapkan diskusi tentang komposisi planet dan objek-objek berbatu berukuran kecil di luar tata surya untuk sebuah simposium yang diselenggarakan pada bulan Juli 2014 atas undangan Jay Farihi. Zuckerman adalah supervisor Jay Farihi saat masih menjadi mahasiswa pascasarjana di Universitas California. Farihi meminta Zuckerman untuk menjadi nara sumber tentang “pencemaran” di bintang katai putih, "jenazah" bintang mirip Matahari yang lebih redup dan padat. “Pencemaran” adalah istilah yang digunakan oleh para astronom untuk merujuk elemen-elemen berat yang “menyerbu” fotosfer atau atmosfer terluar bintang katai putih. Seharusnya semua elemen-elemen berat tidak mungkin ada di sana, karena gravitasi kuat bintang katai putih akan menarik mereka ke interior sehingga tidak dapat terlihat.

Bintang katai putih yang tercemar, pertama kali diidentifikasi oleh Adriaan van Maanen pada tahun 1917, dan selanjutnya diberi nama Bintang van Maanen (atau “van Maanen 2” dalam literatur ilmiah). Astronom Walter Sydney Adams yang kemudian menjadi direktur Mount Wilson, menangkap spektrum jejak kimia Bintang van Maanen di sebuah pelat kaca kecil menggunakan teleskop 60 inci milik Mount Wilson. Adams menafsirkan spektrum sebagai bintang tipe-F, mungkin didasarkan atas kehadiran dan kekuatan senyawa kalsium, serta unsur-unsur penyerapan elemen berat lainnya, dengan suhu yang agak lebih panas daripada Matahari kita. Pada tahun 1919, van Maanen menyebutnya sebagai “bintang yang sangat redup”.

Hari ini kita mengetahui bahwa Bintang van Maanen, yang terletak sekitar 14 tahun cahaya dari Bumi, adalah bintang katai putih terdekat yang bukan merupakan bagian dari sistem biner.

“Bintang ini adalah ikon,” ungkap Farihi. “Sebagai yang pertama dari jenisnya, ia adalah purwarupa original.”

Sambil mempersiapkan ceramahnya, Zuckerman justru mengalami momen 'eureka’. Bintang van Maanen, tanpa sepengetahuan para astronom yang mempelajarinya pada tahun 1917, ternyata adalah bukti pertama observasi eksoplanet.

Apa hubungannya dengan eksoplanet?

Elemen berat di lapisan terluar tidak mungkin diproduksi di dalam bintang, karena mereka akan segera tenggelam oleh medan gravitasi bintang katai putih. Seiring bertambahnya penemuan bintang katai putih yang mengandung elemen berat di fotosfer mereka, para ilmuwan meyakini elemen berat berasal dari media antarbintang. Dengan kata lain, elemen berat mengambang di ruang antarbintang.

Namun pada tahun 1987, lebih dari 70 tahun setelah pengukuran spektrum Bintang van Maanen di Mount Wilson, Zuckerman bersama koleganya bernama Eric Becklin melaporkan tentang kelebihan cahaya inframerah di sekitar bintang katai putih, yang mereka pikir mungkin berasal dari “bintang gagal” redup yang disebut katai coklat. Pada tahun 1990, kelebihan cahaya inframerah ditafsirkan sebagai cakram panas berdebu yang mengorbit bintang katai putih. Pada awal tahun 2000-an, muncul teori baru tentang bintang katai putih yang tercemar, yaitu teori yang menggagas bahwa eksoplanet dapat mendorong objek-objek berbatu berukuran kecil ke arah bintang katai putih. Gravitasi bintang katai putih selanjutnya menghancurkan mereka menjadi debu. Debu yang mengandung elemen berat dari objek berbatu yang terkoyak kemudian jatuh ke bintang.

“Intinya adalah: sebuah komet atau asteroid tidak bisa dengan mudah mengubah alamat. Dibutuhkan sesuatu yang cukup kuat untuk memindahkan mereka,” jelas Farihi. “Sejauh ini, kandidat yang paling berpotensi adalah planet.”

Teleskop Antariksa Spitzer NASA telah berkontribusi dalam memperluas bidang penelitian bintang katai putih yang tercemar dan diorbit oleh cakram panas dan berdebu. Sejak diluncurkan pada tahun 2004, Spitzer telah mengkonfirmasi sekitar 40 "mantan" bintang ini. Teleskop antariksa lain, Wide-field Infrared Survey Explorer, juga milik NASA, turut mendeteksi beberapa di antaranya, sehingga menambah jumlah bintang katai putih yang pernah ditemukan menjadi sekitar empat lusin. Karena begitu redup, cahaya inframerah sangat dibutuhkan untuk mengidentifikasi mereka.

“Kami tidak bisa mengukur jumlah pasti cahaya inframerah yang berasal dari bintang-bintang ini menggunakan teleskop berbasis darat,” tambah Farihi. "Spitzer baru saja membuka lebar jendela penelitan.”

Ilustrasi Teleskop Antariksa Spitzer NASA.
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Mengusung teori baru “cakram berdebu” bintang katai putih yang tercemar, pada tahun 2007, Zuckerman beserta para kolega mempublikasikan observasi atmosfer bintang katai putih yang memiliki 17 elemen, material yang serupa dengan yang ditemukan di sistem Bumi-Bulan. (Mendiang Profesor Michael Jura dari Universitas California yang memberikan kontribusi penting untuk studi tentang bintang katai putih yang tercemar, adalah bagian dari tim). Teori ini adalah bukti lebih lanjut bahwa setidaknya satu objek kecil berbatu, atau bahkan mungkin sebuah planet, telah dikoyak oleh gravitasi bintang katai putih. Para ilmuwan pada umumnya menyepakai bintang katai putih tunggal dengan spektrum elemen-elemen berat, setidaknya memiliki satu sabuk puing-puing yang berbatu, sisa-sisa objek yang sebelumnya saling bertabrakan dengan dahsyat dan gagal membentuk planet.

Jadi, elemen berat yang mengambang di media antarbintang tidak bisa dihitung dalam observasi. “Sekitar 90 tahun setelah penemuan van Maanen, para astronom berkata: Tunggu dulu, model akresi antarbintang semacam ini tidak mungkin benar,” tutur Zuckerman.

Mengejar Spektrum

Terinspirasi oleh Zuckerman, Farihi terpikat dengan gagasan bahwa seseorang telah mengambil data spektrum yang menjadi bukti pertama eksoplanet pada tahun 1917, dan pengamatan tentunya disertai dengan catatan tertulis. “Saya merasa penasaran untuk menjawab pertanyaan tersebut,” katanya.

Farihi kemudian mendatangi Observatorium Carnegie, pengampu Teleskop Mount Wilson yang menjaga arsip data observasi. Direktur Carnegie John Mulchaey kemudian menugaskan sukarelawan Dan Kohne untuk memenuhi permintaan Farihi. Kohne menggali arsip, dua hari kemudian, Mulchaey mengirim citra spektrum kepada Farihi.

“Terus terang saja saya terkejut. Saya melonjak kegirangan melihat jejak itu ada di sana, di depan mata,” Farihi mengungkapkan perasaannya.

Laci penyimpanan arsip di Observatorium Carnegie.
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Spektrum Bintang van Maanen yang diminta Farihi sekarang berada di dalam sebuah laci lemari arsip kecil, diberi label tulisan tangan dengan tanggal “24 Oktober 1917” dan sebuah catatan kertas kuning yang tertulis: “kemungkinan rekaman pertama dari sebuah eksoplanet”.

Lokasi penyimpanan arsip spektrum Bintang van Maanen yang dicatat pada tanggal 24 Oktober 1917.
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Astronom Cynthia Hunt yang menduduki posisi Ketua Komite Sejarah Carnegie, mengambil pelat kaca dari amplop dan meletakkannya di atas perangkat yang dinyalakan untuk menampilkan spektrum. Spektrum itu sendiri berukuran sekitar 0,4 cm.

Spektrum Bintang van Maanen. Kredit: Dan Kohne/Observatorium Carnegie

Meskipun pelat kaca tampak biasa-biasa saja pada pandangan pertama, Farihi melihat dengan jelas dua “taring” yang merepresentasikan penurunan grafik dalam spektrum. Baginya, ini adalah bukti yang tak terbantahkan, dua jalur serapan dari ion kalsium yang sama. Berarti ada eleman berat di fotosfer bintang katai putih, yang mengindikasikan kemungkinan setidaknya ada satu eksoplanet. Farihi kemudian menyusun makalah studi terkait yang dipublikasikan di New Astronomy Reviews pada tahun 2016.

Spektrum Bintang van Maanen dari jarak dekat.
Kredit: Institusi Sains Carnegie

Eksoplanet dan Cakram Puing-Puing

Para ilmuwan telah lama menduga gravitasi planet raksasa dapat menstabilkan sabuk puing-puing di sekitarnya, terutama di sistem planet muda. Makalah studi terbaru di The Astrophysical Journal menunjukkan bahwa bintang muda dengan cakram debu dan puing-puing lebih cenderung memiliki planet raksasa yang mengorbit dari jarak jauh daripada bintang induk yang tidak memiliki cakram.

Bintang katai putih bukanlah bintang muda, sebaliknya justru terbentuk ketika bintang bermassa rendah hingga bintang bermassa sedang telah mengkonsumsi seluruh bahan bakar fusi nuklir di bagian inti. Tapi secara prinsip selalu sama, gaya gravitasi eksoplanet raksasa bisa melempar objek-objek berbatu berukuran kecil ke arah bintang katai putih.

Matahari kita sendiri juga akan berevolusi menjadi raksasa merah sekitar 5 miliar tahun lagi. Ukurannya akan membengkak dan bisa menelan Bumi sebelum melontarkan lapisan-lapisan terluarnya dan menjadi bintang katai putih. Pada saat itu, pengaruh gravitasi Jupiter mungkin akan mengganggu sabuk asteroid dan mendorong asteroid ke arah Matahari yang jauh lebih redup. Skenario semacam ini bisa menjelaskan elemen-elemen berat di Bintang van Maanen.

Observasi bintang van Maanen oleh Spitzer belum mendeteksi kehadiran planet di sana. Bahkan sampai saat ini tidak ada satu pun eksoplanet yang pernah dikonfirmasi mengorbit bintang katai putih, meskipun para ilmuwan memprediksi ada eksoplanet masif yang mengorbit bintang katai putih dari jarak jauh. Bukti menarik lainnya telah muncul dalam beberapa tahun terakhir. Menggunakan Observatorium W. M. Keck di Hawaii, para ilmuwan, termasuk Zuckerman, baru-baru ini mengumumkan penemuan bukti objek seperti Sabuk Kuiper yang telah “dimakan” oleh bintang katai putih.

Para ilmuwan masih terus mengeksplorasi bintang katai putih yang tercemar dan mencari eksoplanet yang mungkin menginduknya. Sekitar 30% bintang katai putih yang telah ditemukan adalah tercemar, tapi cakram puing-puing mereka lebih sulit ditemukan. Mendiang Michael Jura mengemukakan dengan banyaknya asteroid yang masuk ke dalam cakram dan bertabrakan dengan puing-puing, debu bisa diubah menjadi molekul gas yang sinyal inframerahnya tidak sekuat debu.

Farihi merasa sangat senang dengan imbas yang dihasilkan dari pekerjaan detektifnya di gudang arsip Mount Wilson. Pada tahun 2016, dia menggambarkan temuan bersejarah ke makalah studi tentang bintang katai putih yang tercemar, dan mengklaim bahwa bintang katai putih adalah “target yang menarik untuk penelitian sistem eksoplanet.”

Siapa tahu ada harta karun lain yang terlupakan menanti untuk ditemukan di gudang arsip observatorium-observatorium hebat, mengingat arsip observasi langit kaya akan petunjuk. Tentunya, petunjuk hanya akan ditemukan oleh mereka yang termotivasi oleh keingintahuan untuk menyelesaikan pertanyaan-pertanyaan yang belum terjawab.

“Upaya ini adalah interaksi pribadi dengan data yang dapat memacu kita untuk berinvestasi ke pertanyaan-pertanyaan yang belum terjawab,” pungkas Farihi.

Selamat ulang tahun ke 100 Teleskop Hooker 100 inci!
Kredit: NASA/JPL-Caltech

Daftar Istilah

Eksoplanet, planet yang mengorbit bintang selain Matahari.

Bintang katai putih adalah inti dari sebuah bintang massa menengah mirip Matahari yang telah kehabisan bahan bakar fusi nuklir dan melepaskan lapisan-lapisan terluar bintang.

Bintang tipe F, bintang deret utama yang sedikit lebih panas, lebih masif, dan lebih terang dibandingkan Matahari kita.

Sabuk utama asteroid, wilayah di antara Mars dan Jupiter yang dihuni oleh jutaan objek berbatu berukuran kecil. Anggota terbesar di sabuk ini adalah planet katai Ceres.

Sabuk Kuiper, wilayah berbentuk cakram yang terdiri dari objek-objek es di luar Neptunus, anggota-anggota terbesarnya meliputi planet katai Pluto, Haumea, dan Makemake.

Ditulis oleh Elizabeth Landau, Laboratorium Propulsi Jet, Pasadena, California, www.nasa.gov

Editor: Tony Greicius

Sumber: Overlooked Treasure: The First Evidence of Exoplanets

#terimakasihgoogle