Bagaimana Para Astronom Menemukan Planet di Tata Surya Lain?

Hampir saja 100 tahun yang lalu Clyde W. Tombaugh menemukan Pluto. Itu adalah planet terakhir yang ditemukan hingga tahun 1992, ketika manusia menemukan planet lain. Namun planet baru ini tidak berada di tata surya kita, melainkan mengorbit bintang lain. Kami menyebutnya planet ekstrasurya, atau disingkat “planet ekstrasurya”.

Sejak itu, para astronom telah mengkatalogkan lebih dari 6.000 exoplanet. Jika Anda merasa sulit mengingat nama planet kita, cobalah semua planet-planet, dengan nama seperti HD 189733b. (Tempat yang menyenangkan dengan hujan kaca cair dan angin bertiup dengan kecepatan 9.000 kilometer per jam.)

Bahkan exoplanet terdekat pun berjarak lebih dari 4 tahun cahaya (36 triliun mil), sehingga kita ragu akan pernah mengunjunginya—jadi mengapa repot-repot? Alasannya adalah, hal ini membantu kita menjawab pertanyaan kuno: Apakah kita sendirian di alam semesta? Sejauh yang kami pahami, Anda memerlukan sebuah planet untuk memiliki kehidupan, dan perlombaan sedang berlangsung untuk menemukan planet yang memiliki kualitas mirip Bumi.

Mengapa Sulit Ditemukan?

Masalahnya, Anda tidak bisa begitu saja mengambil teleskop terbaik Anda dan mulai melihat sekeliling langit. Teleskop memiliki daya pisah yang terbatas—ukuran sudut terkecil yang dapat “dilihat”. Untuk Teleskop Luar Angkasa Hubble, itu adalah 0,05 detik busur, yang sangat kecil—sekitar 1/72.000 derajat. HST bisa melihat planet raksasa seukuran Jupiter pada jarak 590 miliar kilometer. Luar biasa, tapi jaraknya hanya 0,06 tahun cahaya, dan bintang terdekat, Proxima Centauri, berjarak 4,25 tahun cahaya.

Masalah lainnya adalah redupnya planet. Tentu saja, Jupiter mudah dilihat di langit malam kita karena pantulan sinar matahari dari permukaannya. Namun Anda tidak dapat melihat Jupiter sama sekali pada siang hari, karena cahaya yang dipantulkan jauh lebih redup dibandingkan sinar matahari langsung. Hal yang sama juga terjadi pada exoplanet. Saat kita melihat cahaya dari sebuah bintang, planet-planet di sekitarnya tidak cukup terang untuk dapat dilihat.

Untungnya, ada metode lain, dan saya akan menjelaskan dua metode yang digunakan untuk menemukan sebagian besar exoplanet yang kita kenal sekarang. Ada banyak fisika keren di sini, jadi ayo!

Orbit, Bintang Jiggly, dan Pergeseran Biru

Apa yang terjadi jika sebuah planet bergerak mengelilingi sebuah bintang? Pertama, ada interaksi gravitasi yang menarik planet ke arah bintang. Besarnya gaya ini (F_G) bergantung pada massa bintang (M) dan planet ini (M), serta jarak (R) di antara mereka:

(G adalah konstanta gravitasi, yang dapat kita abaikan.) Gaya ini dapat digunakan untuk membuat suatu benda bergerak dalam lintasan melingkar. Ingat hukum kedua Newton, ketika suatu gaya bekerja pada suatu benda, maka benda tersebut mengalami percepatan, dan kita mendefinisikan percepatan sebagai perubahan kecepatan benda.

Namun, kecepatan adalah kecepatan tertentu arahjadi perubahan arah itu sendiri merupakan salah satu jenis percepatan. Dalam gerak orbital, kita menyebutnya percepatan sentripetal (menunjuk ke pusat), dan percepatan ini bergantung pada jari-jari (R) dari jalur melingkar dan kecepatan benda tersebut (ay). Jika digabungkan dengan gaya gravitasi dari atas, kita mendapatkan persamaan berikut:

Ya, ada beberapa hal (seperti massa dan jari-jari planet) yang hilang, tapi jangan khawatir tentang hal itu sekarang. Anda dapat melihat adanya hubungan antara jari-jari orbit dan kecepatan planet. Mari kita lanjutkan dan memodelkan gerak planet saat bergerak mengelilingi bintang.

Oh! Apakah kamu melihatnya? Bintang itu tidak diam! Aku tidak menceritakan keseluruhan ceritanya padamu. Jika bintang menarik planetnya, maka planet juga akan menarik kembali bintangnya. Hal ini karena gaya selalu merupakan interaksi antara dua benda (sekali lagi Newton, hukum ketiga). Karena ada tarikan gravitasi pada bintang, ia juga bergerak dalam orbit melingkar.

Jelas tidak ada simulasi di atas yang digambarkan dalam skala. Bintang sungguhan mempunyai massa yang jauh lebih besar daripada planet, sehingga pengaruhnya sangat kecil. Pada dasarnya, bintang hanya “bergoyang”. Kita tidak bisa melihat pergerakannya, tapi kita masih bisa mendeteksinya. Bagaimana? Dari efek Doppler.

Ini adalah sesuatu yang sudah Anda ketahui, meskipun Anda belum mengetahuinya tahu kamu tahu itu. Saat kereta yang melaju kencang lewat, nada suaranya berubah, dari tinggi ke rendah. Kayak NEEEEEEERrrrraawww…iya kan? Berikut animasi untuk membantu Anda memahami apa yang sedang terjadi. Bayangkan sebuah bola yang mengeluarkan gelombang suara secara berkala. Gelombang ini kemudian meluas dari lokasi awalnya. Sekarang, jika bola bergerak ke arah Anda, inilah yang terjadi:

Lihat bagaimana muka gelombang terhimpit? Ini berarti lebih banyak gelombang yang mengenai telinga Anda per detik—artinya, gelombang tersebut memiliki gelombang yang lebih tinggi frekuensidan kami mendengarnya sebagai nada yang lebih tinggi. Selain itu, di sisi belakang ombaknya tidak tertahan. Jika bola menjauh dari Anda, lemparannya akan turun.

Itulah efek Doppler, dan bekerja pada semua fenomena gelombang—termasuk, khususnya, cahaya. Ketika sumber cahaya bergerak ke arah Anda, frekuensinya meningkat. Untuk cahaya tampak, ini berarti warna perubahan—itu bergeser ke arah ujung biru spektrum. Kami menyebutnya pergeseran biru. Saat ia menjauh, warnanya bergerak menuju ujung merah—itulah pergeseran merah.

Voila! Meskipun para astronom tidak bisa melihat Jika sebuah bintang bergoyang, mereka dapat mengetahui apakah ia bergerak dengan menggunakan spektroskop untuk melihat perubahan cahayanya. Tapi tunggu! Masih ada lagi. Jika Anda mengetahui frekuensi aslinya, Anda dapat mengetahui seberapa cepat bintang bergerak berdasarkan pergeseran frekuensi.

Satu-satunya masalah dengan teknik ini adalah jumlah perubahan warna bergantung pada kecepatan cahaya dan kecepatan sumber. Cahaya bergerak sangat cepat (3 x 10⁸ meter per detik), sehingga dalam banyak kasus pergeseran Doppler sangat sulit dideteksi. Sulit bukan berarti tidak mungkin.

Jadi, inilah cara Anda menemukan planet ekstrasurya: Amati sebuah bintang selama beberapa tahun dan cari perubahan kecil dalam spektrum warnanya. Kemudian gunakan ini untuk menentukan kecepatan pergerakan bintang menuju dan menjauhi Bumi. Jika kita dapat memperkirakan massa sebuah bintang (kita bisa), maka dengan menggunakan kecepatan dan periode osilasinya (berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk satu osilasi), kita dapat menghitung massa dan jarak orbit planet tersebut. Hore!

Itu masalah besar. Jika Anda berharap menemukan kehidupan di luar bumi, Anda mungkin ingin menemukan planet mirip Bumi yang orbitnya mirip Bumi—tidak terlalu dekat dengan matahari dan tidak terlalu jauh, sehingga air bisa berada dalam wujud cair. Itu adalah jendela kecil.

Metode Transit

Oke, inilah cara kedua mendeteksi exoplanet. Mari kita mulai dengan memikirkan sesuatu yang familiar: gerhana matahari. Hal ini terjadi ketika bulan melintas di depan matahari sehingga menyebabkan bayangan bulan jatuh ke bumi. Pada gerhana total, jumlah cahaya yang mencapai Bumi bisa sekitar 1.000 kali lebih sedikit dari biasanya. Sepertinya adegan “siang-malam” di film-film lama.

Venus dan Merkurius juga terkadang melintas di antara Matahari dan Bumi. Kami menyebutnya transit matahari. Mereka tidak menimbulkan bayangan di Bumi, namun sedikit mengurangi kecerahan matahari secara keseluruhan. (Fakta menarik: Pada tahun 1700-an, transit Venus digunakan untuk menghitung jarak bumi ke matahari.)

Kita juga bisa mengalami transit eksoplanet, ketika sebuah planet ekstrasurya berada di antara bintang lokalnya dan titik pengamatan kita di Bumi. Jika itu terjadi, kecerahan bintang akan berkurang sedikit saja. Instrumen sensitif dapat mendeteksi perubahan ini dan mengetahui adanya planet ekstrasurya di sekitar bintang tersebut. Ini adalah bagaimana Kepler-10 b, planet pada ilustrasi di atas, pertama kali ditemukan. (Hal ini kemudian dikonfirmasi oleh goyangan bintang dan pergeseran Doppler.)

Jika Anda dapat melihat transit ini (yang sebenarnya Anda bisa bukan lihat), tampilannya akan seperti ini:

Sekarang anggaplah Anda memplot kecerahan atau intensitas bintang sebagai fungsi waktu. Selama transit, mungkin terlihat seperti ini:

Ini disebut kurva cahaya, dan ada banyak hal yang dapat kita pahami darinya. Bagian bawah depresi yang datar adalah bagian di mana planet berada sepenuhnya di depan bintang. Kedalaman penurunan ini memberi tahu kita ukuran planet. Planet yang lebih besar menghalangi lebih banyak cahaya.

Kedua, panjang depresi menunjukkan berapa panjang planet berada di depan bintang. Kita dapat menggunakannya untuk menentukan periode orbit (berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan satu lingkaran penuh). Jika kita mengetahui massa bintang dan kecepatan orbitnya, maka kita dapat menghitung jarak orbitnya.

Terakhir, kami terus memantau untuk melihat apakah penurunan ini terjadi secara rutin—itulah cara kami mengetahui bahwa kami memiliki planet ekstrasurya yang sah. Bahkan transit dari beberapa planet dapat dilakukan, dan kita dapat mengidentifikasinya dari kurva cahaya khasnya.

Tentu saja kedua metode tersebut ada batasnya. Efek Doppler semakin sulit ditentukan semakin jauh Anda melihatnya. Dan keduanya memerlukan keselarasan spesifik yang menguntungkan. Misalnya, jika sistem planet jauh tegak lurus dengan pandangan kita dari Bumi, goyangan bintang tidak akan membuatnya mendekat dan menjauh dari kita, sehingga tidak akan terjadi pergeseran Doppler.

Untuk metode transitnya, planet ekstrasurya harus mengorbit bintangnya pada bidang yang mencakup Bumi. Jika semuanya tidak sejalan, kita tidak akan mendapat transit sama sekali. Hanya sebagian kecil tata surya yang dapat memenuhi kondisi tersebut.

Selain itu, kedua metode deteksi ini sangat bias untuk menemukan planet besar yang mengorbit dekat bintangnya—yang disebut “Jupiter panas”—karena keduanya menghasilkan sinyal yang lebih besar dan lebih sering. Untuk planet mirip Bumi, Anda harus menghabiskan waktu tiga tahun untuk mendapatkan observasi tiga transit yang dapat diterima. Dan tidak ada yang akan mendeteksi Pluto versi ekstrasurya, dengan orbitnya yang berumur 250 tahun.

Sekarang pikirkan 6.000 exoplanet yang ditemukan sejauh ini. Semua galaksi, kecuali satu, berada di Bima Sakti, menyisakan “miliaran dan miliaran” (lebih mirip triliunan) galaksi lain. Dan hampir semua exoplanet yang diketahui berukuran lebih besar dari Bumi, meskipun diyakini bahwa planet-planet seukuran Bumi adalah hal yang umum. Dan masing-masing dari 6.000 kasus tersebut merupakan kasus di mana planet-planet berada pada posisi yang tepat sehingga kita dapat mendeteksinya.

Lalu…berapa banyak planet yang sebenarnya ada di luar sana? Dugaan saat ini menyebutkan angkanya sekitar 100 sextillion (1 diikuti oleh 23 angka nol). Jadi bagaimana menurut Anda? Apakah kita sendirian di alam semesta?