Orbit Aneh dari Exoplanet Langka Bikin Astronom Kagum

A planet ekstrasuryaOrbitnya yang memanjang dan terbalik menyimpan petunjuk tentang sejarah pembentukan dan lintasan masa depan raksasa gas bermassa tinggi.

Para astronom telah mengamati sebuah eksoplanet dengan orbit yang sangat eksentrik dan mundur menggunakan teleskop WIYN. Eksoplanet tersebut, yang diberi nama TIC 241249530 b, dapat secara signifikan memajukan pemahaman kita tentang pembentukan dan migrasi Jupiter panas, yang biasanya merupakan raksasa gas yang lebih besar yang bermigrasi ke orbit yang sangat dekat di sekitar bintang-bintangnya.

Penemuan Exoplanet dengan Orbit Ekstrem

Menggunakan teleskop WIYN 3,5 meter di Observatorium Nasional Kitt Peak milik Yayasan Sains Nasional AS, sebuah Program NSF Laboratorium NOIRPara astronom telah menemukan orbit ekstrem sebuah exoplanet yang sedang dalam perjalanan menjadi planet panas. JupiterEksoplanet ini tidak hanya mengikuti salah satu orbit paling memanjang dari semua eksoplanet transit yang diketahui, tetapi juga mengorbit bintangnya secara terbalik, memberikan wawasan tentang misteri bagaimana Jupiter panas berevolusi.

Saat ini terdapat lebih dari 5.600 eksoplanet yang dikonfirmasi di lebih dari 4.000 sistem bintang. Dari populasi ini, sekitar 300–500 termasuk dalam kelas aneh yang dikenal sebagai Jupiter panas — eksoplanet besar mirip Jupiter yang mengorbit sangat dekat dengan bintangnya, beberapa sedekat Merkurius dengan Matahari kita. Bagaimana Jupiter panas berakhir di orbit yang begitu dekat adalah sebuah misteri, tetapi para astronom menduga bahwa mereka memulai di orbit yang jauh dari bintangnya dan kemudian bermigrasi ke dalam seiring waktu. Tahap awal dari proses ini jarang diamati, tetapi dengan analisis baru dari sebuah eksoplanet dengan orbit yang tidak biasa ini, para astronom selangkah lebih dekat untuk mengungkap misteri Jupiter panas.

Teknik dan Temuan Observasi Tingkat Lanjut

Penemuan eksoplanet yang diberi nama TIC 241249530 b ini diawali dengan deteksi oleh Satelit Survei Eksoplanet Transit (TESS) milik NASA pada bulan Januari 2020 terhadap penurunan kecerahan bintang yang sesuai dengan sebuah planet seukuran Jupiter yang melintas di depannya, atau melewatinya. Untuk mengonfirmasi sifat fluktuasi ini dan menyingkirkan kemungkinan penyebab lainnya, tim astronom menggunakan dua instrumen pada Teleskop WIYN 3,5 meter di Observatorium Nasional Kitt Peak (KPNO) milik National Science Foundation AS, sebuah program NSF NOIRLab.

Tim pertama kali memanfaatkan NASA-pendanaan NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI) dalam sebuah teknik yang membantu 'membekukan' kedipan atmosfer dan menghilangkan sumber-sumber asing yang mungkin membingungkan sumber sinyal. Kemudian, menggunakan spektrograf NEID yang didanai NASA, tim mengukur kecepatan radial TIC 241249530 b dengan mengamati secara cermat bagaimana spektrum bintang induknya, atau panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya, digeser oleh exoplanet yang mengorbit.

Arvind Gupta, seorang peneliti postdoctoral NOIRLab dan penulis utama makalah yang diterbitkan di Alamimemuji NESSI dan NEID karena bersikap kritis terhadap upaya tim untuk mengkarakterisasi dan mengonfirmasi sinyal eksoplanet. “NESSI memberi kami pandangan yang jauh lebih tajam terhadap bintang tersebut daripada yang mungkin terjadi jika tidak demikian, dan NEID mengukur spektrum bintang tersebut dengan cukup tepat untuk mendeteksi pergeseran sebagai respons terhadap eksoplanet yang mengorbit,” jelas Gupta. Gupta secara khusus mencatat fleksibilitas unik dari kerangka kerja penjadwalan observasi NEID, yang memungkinkan rencana observasi tim untuk segera disesuaikan sebagai respons terhadap data baru.

“Teleskop WIYN memainkan peran penting dalam membantu kita memahami mengapa planet yang ditemukan di tata surya lain bisa sangat berbeda dari satu sistem ke sistem lainnya,” kata Chris Davis dari NSF, direktur program untuk NSF NOIRLab. “Kolaborasi antara NSF dan NASA pada program NN-EXPLORE terus menghasilkan hasil yang mengesankan dalam penelitian eksoplanet.”

Animasi ini menunjukkan orbit sebuah exoplanet mirip Jupiter yang baru ditemukan yang disebut TIC 241249530 b, dibandingkan dengan orbit Merkurius dan Bumi di Tata Surya kita sendiri. TIC 241249530 b mengikuti salah satu orbit yang paling panjang dari semua exoplanet transit yang diketahui dan juga mengorbit bintang induknya secara terbalik, artinya berlawanan arah dengan rotasi bintang tersebut. Jika planet tersebut merupakan bagian dari Tata Surya kita, orbitnya akan membentang dari jarak terdekatnya yang sepuluh kali lebih dekat ke Matahari daripada Merkurius hingga jarak terjauhnya, kira-kira sejauh Bumi. Orbit ekstrem ini akan menyebabkan suhu di planet tersebut berkisar dari suhu hari musim panas yang terik hingga cukup panas untuk melelehkan titanium. Kredit: NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor

Implikasi Orbit Eksentrik dan Retrograde

Analisis terperinci spektrum tersebut mengonfirmasi bahwa eksoplanet tersebut sekitar lima kali lebih masif daripada Jupiter. Spektrum tersebut juga mengungkapkan bahwa eksoplanet tersebut mengorbit sepanjang lintasan yang sangat eksentrik, atau memanjang. Eksentrisitas orbit planet diukur pada skala 0 hingga 1, dengan 0 sebagai orbit melingkar sempurna dan 1 sebagai orbit yang sangat elips. Eksoplanet tersebut memiliki eksentrisitas orbit sebesar 0,94, membuatnya lebih eksentrik daripada orbit eksoplanet lain yang pernah ditemukan menggunakan metode transit (1). Sebagai perbandingan, PlutoOrbit elips Bumi mengelilingi Matahari memiliki eksentrisitas 0,25; eksentrisitas Bumi adalah 0,02.

Jika planet itu bagian dari Tata Surya kita, orbitnya akan berkisar dari titik terdekatnya, sepuluh kali lebih dekat ke Matahari daripada Merkurius, hingga titik terjauhnya dari Bumi. Orbit ekstrem ini akan menyebabkan suhu di planet itu berkisar dari musim panas hingga cukup panas untuk melelehkan titanium.

Bagian dalam Teleskop WIYN 3,5 meter, yang terletak di Observatorium Nasional Kitt Peak milik Yayasan Sains Nasional AS, Program NSF NOIRLab. Teleskop ini menampung instrumen NEID, mesin penemuan eksoplanet yang canggih. Kredit: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/J.Pollard

Selain sifat orbit yang tidak biasa dari planet ekstrasurya tersebut, tim tersebut juga menemukan bahwa planet tersebut mengorbit terbalik, artinya dalam arah yang berlawanan dengan rotasi bintang induknya. Ini bukanlah sesuatu yang dilihat oleh para astronom di sebagian besar planet ekstrasurya lainnya, maupun di Tata Surya kita sendiri, dan hal ini membantu menginformasikan interpretasi tim tersebut tentang sejarah pembentukan planet ekstrasurya tersebut.

Karakteristik orbit eksoplanet yang unik juga mengisyaratkan lintasan masa depannya. Diperkirakan bahwa orbit awal yang sangat eksentrik dan jarak terdekatnya dengan bintang induknya akan 'mengelilingi' orbit planet tersebut, karena gaya pasang surut di planet tersebut menyedot energi dari orbitnya dan menyebabkannya menyusut dan berputar secara bertahap. Menemukan eksoplanet ini sebelum migrasi ini terjadi sangat berharga karena memberikan wawasan penting tentang bagaimana Jupiter panas terbentuk, stabil, dan berevolusi seiring waktu.

“Meskipun kita tidak dapat kembali dan mengamati proses migrasi planet secara langsung, eksoplanet ini berfungsi sebagai semacam potret proses migrasi,” kata Gupta. “Planet seperti ini sangat langka dan sulit ditemukan, dan kami berharap mereka dapat membantu kita mengungkap kisah pembentukan Jupiter panas.”

Teleskop WIYN 3,5 meter, yang terletak di Observatorium Nasional Kitt Peak milik Yayasan Sains Nasional AS, Program NSF NOIRLab. Kredit: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA

Prospek Masa Depan dan Arah Penelitian

“Kami sangat tertarik dengan apa yang dapat kami pelajari tentang dinamika atmosfer planet setelah planet tersebut melakukan salah satu lintasan terdekatnya dengan bintangnya,” kata Jason Wright, seorang profesor astronomi dan astrofisika di Penn State yang mengawasi proyek tersebut saat Gupta menjadi mahasiswa doktoral di universitas tersebut. “Teleskop seperti milik NASA Teleskop Luar Angkasa James Webb memiliki kepekaan untuk menyelidiki perubahan atmosfer di exoplanet yang baru ditemukan tersebut saat mengalami pemanasan cepat, jadi masih banyak yang harus dipelajari tim tentang exoplanet tersebut.”

TIC 241249530 b adalah eksoplanet kedua yang pernah ditemukan yang menunjukkan fase pra-migrasi Jupiter panas. Bersama-sama, kedua contoh ini secara observasional mendukung gagasan bahwa raksasa gas bermassa lebih tinggi berevolusi menjadi Jupiter panas saat mereka bermigrasi dari orbit yang sangat eksentrik ke orbit yang lebih rapat dan lebih melingkar.

“Para astronom telah mencari eksoplanet yang mungkin merupakan cikal bakal Jupiter panas, atau yang merupakan produk peralihan dari proses migrasi, selama lebih dari dua dekade, jadi saya sangat terkejut — dan gembira — saat menemukannya,” kata Gupta. “Itulah yang saya harapkan.”

Catatan

1. Satu eksoplanet telah ditemukan dengan eksentrisitas yang lebih tinggi. HD 20782 b memiliki eksentrisitas 0,956 tetapi tidak mengalami transit, sehingga orientasi orbitnya relatif terhadap bintang induknya tidak dapat ditentukan. Hal ini menekankan pentingnya penemuan TIC 241249530 b, yang karakteristik orbitnya dapat ditentukan oleh transit bintangnya.

Referensi: “A hot progenitor Jupiter on a super-eccentric retrograde orbit” oleh Arvind F. Gupta, Sarah C. Millholland, Haedam Im, Jiayin Dong, Jonathan M. Jackson, Ilaria Carleo, Jessica Libby-Roberts, Megan Delamer, Mark R Giovinazzi, Andrea SJ Lin, Shubham Kanodia, Xian-Yu Wang, Keivan Stassun, Thomas Masseron, Diana Dragomir, Suvrath Mahadevan, Jason Wright, Jaime A. Alvarado-Montes, Chad Bender, Cullen H. Blake, Douglas Caldwell, Caleb I. . Cañas, William D. Cochran, Paul Dalba, Mark E. Everett, Pipa Fernandez, Eli Golub, Bruno Guillet, Samuel Halverson, Leslie Hebb, Jesus Higuera, Chelsea X. Huang, Jessica Klusmeyer, Rachel Knight, Liouba Leroux, Sarah E. . Logsdon, Margaret Loose, Michael W. McElwain, Andrew Monson, Joe P. Ninan, Grzegorz Nowak, Enric Palle, Yatrik Patel, Joshua Pepper, Michael Primm, Jayadev Rajagopal, Paul Robertson, Arpita Roy, Donald P. Schneider, Christian Schwab, Heidi Schweiker, Lauren Sgro, Masao Shimizu, Georges Simard, Guðmundur Stefánsson, Daniel J. Stevens, Steven Villanueva, John Wisniewski, Stefan Will dan Carl Ziegler, 17 Juli 2024, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-024-07688-3