TABRAKAN RAKSASA BISA MENYELAMATKAN ATMOSFER SEBUAH PLANET

Ukurlah eksoplanet-eksoplanet kecil, dan ukurannya terbagi ke dalam dua kelompok: satu puncak di sekitar 1,3 kali jari-jari Bumi, satu lagi di sekitar 2,4 kali, dengan lembah di 1,75. Yang kecil diduga planet berbatu yang telanjang — super-Bumi. Yang besar, sub-Neptunus, barangkali planet berbatu yang masih terbungkus atmosfer primordialnya, yang kaya hidrogen. Jadi sebagian planet pasti telah kehilangan banyak hidrogen. Tetapi planet yang mana, dan bagaimana caranya?

Tersangka yang biasa

Planet berbatu seukuran Bumi atau lebih besar diperkirakan mengalami satu atau lebih tumbukan raksasa di akhir pembentukannya, sebagian di antaranya setelah piringan gas di sekitar bintang muda itu tersebar. Sebuah penjelasan populer untuk kedua kelompok itu menyalahkan tabrakan-tabrakan akhir tersebut: guncangan memanaskan mantel planet, permukaan yang membara mendorong gas untuk lepas, dan sebuah planet beratmosfer berubah menjadi super-Bumi.

Darius Modirrousta-Galian, dari Shanghai Jiao Tong University, dan Jun Korenaga, dari Yale University, berpendapat bahwa gambaran ini melewatkan separuh pembukuan. Studi mereka telah diterima di jurnal Nature Astronomy.

Sisi lain pembukuan

Tabrakan tidak hanya memanaskan planet. Tabrakan juga menambah massa, dan seluruh massa itu memperdalam sumur gravitasi yang menahan atmosfer. Sementara itu, hanya sebagian energi tumbukan yang benar-benar menghangatkan mantel:

• inti logam penumbuk menghunjam menembus mantel, hanya melepaskan sedikit energi di sepanjang jalan, dan berakhir jauh di dalam, masih teramat panas;
• batuan yang meleleh menyerap energi sebagai kalor laten, tanpa menaikkan suhu;
• panas yang sampai ke permukaan diredam tinggi di atmosfer. Suhu di lapisan-lapisan yang mengendalikan pelepasan gas ditentukan oleh cahaya bintang, bukan oleh tanah panas di bawahnya.

Untuk planet yang inti logamnya mencakup 30% massanya, sekitar 84% energi tumbukan masuk ke mantel, sejalan dengan simulasi tabrakan yang terperinci. Gas yang langsung terenggut oleh penumbuk hanya sedikit; gelombang kejut biasanya menyingkirkan sekitar 10 hingga 20% atmosfer. Secara keseluruhan, menurut temuan para penulis, cengkeraman gravitasi planet bertambah lebih besar daripada pemanasan mantelnya: setelah tabrakan, atmosfer tertahan lebih erat daripada sebelumnya.

Seratus juta planet

Untuk mengujinya pada satu populasi utuh, tim itu menyimulasikan 100 juta planet dengan sebaran massa, suhu, inti logam, dan atmosfer yang realistis. Dalam setiap putaran simulasi, setiap planet punya peluang 52, 63, atau 74%, tergantung putarannya, mengalami tumbukan raksasa setelah piringan gas lenyap — nilai yang diambil dari simulasi pembentukan planet — dengan penumbuk bermassa hingga separuh massa akhir. Model itu lalu mengikuti mantel cair saat mendingin dan atmosfer saat bocor, selama 5 miliar tahun.

Hasilnya mereproduksi dua puncak yang teramati, di sekitar 1,3 dan 2,4 jari-jari Bumi dengan lembah di 1,75, untuk setiap resep tumbukan yang diuji. Dua simulasi kontrol menunjukkan alasannya. Tanpa tumbukan akhir sama sekali, terlalu banyak planet berakhir telanjang. Dengan satu tumbukan untuk setiap planet, terlalu banyak yang mempertahankan hidrogennya. Tabrakan-tabrakan itu mengatur keseimbangan dengan mendorong planet melewati sebuah ambang massa yang di atasnya hidrogen tetap bertahan.

Makin besar tabrakannya, makin aman atmosfernya

Peluang kehilangan seluruh atmosfer menurun seiring bertambahnya massa awal planet dan porsi penumbuk. Para penulis mencocokkan sebuah kurva sederhana untuk porsi penumbuk yang membuat hanya 1% planet kehilangan segalanya: χ = 0,58 − 0,0188 (M/M⊕)^1,794, dengan χ adalah massa penumbuk dibagi massa akhir dan M adalah massa awal dalam satuan massa Bumi. Untuk planet yang bermula dengan 5 massa Bumi, itu berarti penumbuk sekitar seperempat massa akhir; di atas kurva itu, planet hampir selalu mempertahankan atmosfer primordialnya.

Jantung yang lebih berat bagi sub-Neptunus

Jika tabrakan membantu planet mempertahankan hidrogennya, maka sub-Neptunus barangkali tumbuh melalui lebih banyak tabrakan dan menyimpan interior berbatu yang lebih masif daripada super-Bumi. Planet-planet yang sudah diukur memang mengarah ke sana: sub-Neptunus bermassa lebih dari sekitar 4 hingga 5 massa Bumi, super-Bumi kurang dari itu. Para penulis mendaftar instrumen yang dapat menguji gagasan ini — JWST, Ariel, dan Twinkle yang mencari hidrogen di atmosfer planet-planet yang lebih besar, PLATO dan JUST yang menimbangnya, serta Teleskop Antariksa Nancy Grace Roman yang menjangkau dunia-dunia yang lebih kecil dan lebih jauh.