Dulu kita pikir Tata Surya kita itu contoh umum dari sistem tata surya lain. Tapi, setelah kita nemuin banyak banget eksoplanet, ternyata pemikiran itu keliru.

Teleskop Kepler dan TESS nunjukkin kalau sistem kita bahkan nggak punya jenis planet yang paling umum: sub-Neptunus. Planet-planet ini bikin para ilmuwan bingung, dan Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) lagi bantu mecahin misteri ini.

Sub-Neptunus itu eksoplanet yang ukurannya lebih gede dari Bumi tapi lebih kecil dari Neptunus. Kebanyakan sub-Neptunus punya atmosfer yang berkabut dan susah banget diamati.

Tapi, kemampuan pengamatan inframerah JWST bantu para ilmuwan eksoplanet buat ngertiin dunia-dunia yang ada di mana-mana ini.

Asal usul planet-planet ini misterius, dan ngertiin kenapa jumlahnya banyak banget itu jadi penelitian penting dalam ilmu eksoplanet. Nggak cuma banyak, para astronom bahkan nemuin satu bintang yang dikelilingi enam planet jenis ini.

Kebanyakan sub-Neptunus ditemukan ngorbit bintang M-dwarf atau red dwarf yang kecil dan dingin. Tapi, salah satunya, TOI-421b, ngorbit bintang tipe G, bintang yang mirip banget sama Matahari.

Suhu planet ini penting dalam penelitian ini. Suhunya beberapa ratus derajat Fahrenheit lebih tinggi dari batas untuk reaksi kimia yang nyiptain kabut yang terkenal di sub-Neptunus, makanya planet ini jadi target yang menarik buat JWST.

Penelitian baru di The Astrophysical Journal Letters nyajiin hasil pengamatan JWST. Judulnya “TOI-421 b: A Hot Sub-Neptune with a Haze-free, Low Mean Molecular Weight Atmosphere.“

Penulis utamanya adalah Brian Davenport dari Departemen Astronomi di University of Maryland. Eliza Kempton, salah satu penulis, juga dari departemen yang sama dan jadi peneliti utama JWST.

“Saya sudah nunggu Webb sepanjang karier saya supaya kita bisa bener-bener nentuin karakteristik atmosfer planet-planet yang lebih kecil ini,” kata Kempton.

“Dengan mempelajari atmosfer mereka, kita jadi lebih ngerti gimana sub-Neptunus terbentuk dan berevolusi, dan sebagian dari itu adalah ngertiin kenapa mereka nggak ada di tata surya kita.”

Para ilmuwan pengen banget ngerti kenapa mereka nggak ada di sini karena jawabannya terkait sama cara mereka terbentuk. Salah satu hal yang bikin bingung soal populasi eksoplanet adalah “radius gap” atau “radius valley”.

Ada kelangkaan relatif planet dengan ukuran antara sekitar 1,5 dan 2,0 kali radius Bumi, dan planet cenderung berukuran lebih kecil (super-Earth) atau lebih besar (sub-Neptunus). Planet mungkin awalnya terbentuk di gap atau valley, tapi bisa kehilangan atmosfernya karena radiasi bintang dan jadi super-Earth.

Sub-Neptunus susah diamati dibanding jenis eksoplanet lain. Sebelum ada JWST, para astronom cuma punya sedikit informasi tentang mereka. Pengamatan nunjukkin kalau spektrum transmisi mereka relatif datar dan nggak jelas.

Artinya, nggak ada yang menonjol, dan nggak ada jejak kimia yang kelihatan. Para astronom nyimpulin kalau planet-planet ini punya kabut dan awan yang tebal.

“Sangat diduga bahwa kabut fotokimia yang jadi penyebab spektrum yang redup,” jelas Kempton dan rekan penelitinya dalam proposal pengamatan JWST mereka.

“Kabut semacam itu diprediksi terbentuk pada rentang suhu terbatas – terutama di bawah 850 K. Implikasinya adalah bahwa planet yang lebih panas dari batas suhu ini seharusnya bebas dari kabut yang menghalangi dan seharusnya punya atmosfer jernih yang ideal untuk penelitian atmosfer.”

“Untuk itu, kami mengusulkan untuk mendapatkan spektrum transmisi TOI421b – sub-Neptunus dengan S/N tertinggi yang cukup panas (Teq~1.000 K) untuk mengharapkan kondisi bebas kabut.”

TOI-421b, dengan suhunya yang lebih tinggi dari biasanya untuk sub-Neptunus, nawarin kesempatan buat ngeliat sub-Neptunus lebih jelas.

“Kenapa kita ngamati planet ini, TOI-421 b? Karena kita pikir mungkin nggak ada kabut,” kata Kempton. “Dan alasannya adalah ada data sebelumnya yang nunjukkin mungkin planet di atas rentang suhu tertentu nggak terlalu diselimuti kabut atau awan dibanding yang lain.”

JWST berhasil dan ngasih spektrum atmosfer eksoplanet ini.

“Kami ngeliat fitur spektral yang kami anggap berasal dari berbagai gas, dan itu bikin kami bisa nentuin komposisi atmosfernya,” kata penulis utama Davenport, mahasiswa Ph.D. tahun ketiga yang ngelakuin analisis data utama.

“Sedangkan dengan banyak sub-Neptunus lain yang sebelumnya diamati, kita tahu atmosfernya terbuat dari sesuatu, tapi terhalang oleh kabut.”

Para peneliti kaget nemuin hasil JWST nunjukkin atmosfer dengan jumlah hidrogen yang besar.

“Kami baru aja ngerti ide bahwa beberapa sub-Neptunus pertama yang diamati oleh Webb punya atmosfer molekul berat, jadi itu udah jadi ekspektasi kami, dan ternyata malah sebaliknya,” kata Kempton.

Implikasinya adalah TOI-421 b mungkin terbentuk dan berevolusi beda sama sub-Neptunus yang lebih dingin.

Temuan JWST nunjukkin kalau atmosfer TOI-421 b mirip sama komposisi bintangnya.

“Kalau kamu ambil gas yang sama yang membentuk bintang induknya, letakkan di atas atmosfer planet, dan dinginkan sampai suhu yang jauh lebih rendah dari planet ini, kamu akan dapetin kombinasi gas yang sama. Proses itu lebih mirip sama planet raksasa di tata surya kita, dan beda sama sub-Neptunus lain yang udah diamati pake Webb sejauh ini,” kata Kempton.

Dalam kesimpulan paper mereka, para penulis ngebahas implikasi dari temuan ini. Ilmuwan eksoplanet mikir kalau sub-Neptunus dan super-Earth sama-sama bermula dari inti batuan yang narik atmosfer hidrogen dari nebula matahari. Paparan radiasi bintang mereka ngebuat atmosfernya terkikis, dan hilangnya massa yang disebabkan inti juga bisa berkontribusi.

Sub-Neptunus punya inti yang lebih masif dan bisa nahan atmosfernya, sedangkan super-Earth nggak. Itu bisa ngejelasin radius valley.

“Temuan ini, bersama dengan perkiraan fraksi massa H/He sekitar 1 persen, menyiratkan bahwa TOI-421 b punya atmosfer primordial, sesuai dengan prediksi bahwa radius valley dibentuk oleh proses hilangnya massa,” tulis para penulis dalam kesimpulan mereka.