Miring Uranus pada dasarnya memiliki planet yang mengorbit Matahari di sisinya, poros putarannya hampir menunjuk ke Matahari.
(Gambar: © NASA dan Erich Karkoschka, U. of Arizona)
Meskipun planet mengelilingi bintang-bintang di galaksi, bagaimana mereka membentuk tetap menjadi bahan perdebatan. Terlepas dari kekayaan dunia di tata surya kita, para ilmuwan masih tidak yakin bagaimana planet-planet dibangun. Saat ini, dua teori sedang memperjuangkannya untuk peran juara.
Pertambahan inti pertama dan paling banyak diterima, bekerja dengan baik dengan pembentukan planet terestrial tetapi memiliki masalah dengan planet raksasa seperti Uranus. Yang kedua, metode ketidakstabilan disk, dapat menjelaskan penciptaan planet raksasa.
"Apa yang memisahkan raksasa es dari raksasa gas adalah sejarah pembentukan mereka: selama pertumbuhan inti, yang pertama tidak pernah melebihi [massa kritis] dalam cakram gas penuh," tulis peneliti Renata Frelikh dan Ruth Murray-Clay dalam sebuah makalah penelitian.
Model pertambahan inti
Sekitar 4,6 miliar tahun yang lalu, tata surya adalah awan debu dan gas yang dikenal sebagai nebula matahari. Gravitasi meruntuhkan material itu sendiri saat mulai berputar, membentuk matahari di tengah nebula.
Dengan terbitnya matahari, bahan yang tersisa mulai mengumpul. Partikel-partikel kecil disatukan, diikat oleh gaya gravitasi, menjadi partikel yang lebih besar. Angin matahari menyapu elemen-elemen yang lebih ringan, seperti hidrogen dan helium, dari daerah yang lebih dekat, hanya menyisakan material yang berat dan berbatu untuk menciptakan dunia terestrial. Namun lebih jauh, angin matahari memiliki dampak yang lebih kecil pada elemen yang lebih ringan, yang memungkinkan mereka bergabung menjadi raksasa gas seperti Uranus. Dengan cara ini, asteroid, komet, planet, dan bulan diciptakan.
Tidak seperti kebanyakan raksasa gas, Uranus memiliki inti yang berbatu daripada gas. Inti kemungkinan terbentuk pertama, dan kemudian mengumpulkan hidrogen, helium, dan metana yang membentuk atmosfer planet ini. Panas dari inti mendorong suhu dan cuaca Uranus, mengalahkan panas yang datang dari matahari yang jauh, yang berjarak hampir 2 miliar mil jauhnya.
Beberapa pengamatan planet ekstrasurya tampaknya mengkonfirmasi pertambahan inti sebagai proses pembentukan yang dominan. Bintang-bintang dengan lebih banyak "logam" - istilah yang digunakan para astronom untuk unsur-unsur selain hidrogen dan helium - di inti mereka memiliki lebih banyak planet raksasa daripada sepupu mereka yang miskin logam. Menurut NASA, akresi inti menunjukkan bahwa dunia berbatu yang kecil seharusnya lebih umum daripada raksasa gas yang lebih masif.
Penemuan 2005 sebuah planet raksasa dengan inti masif yang mengorbit bintang seperti matahari HD 149026 adalah contoh sebuah planet ekstrasurya yang membantu menguatkan kasus akresi inti.
"Ini adalah konfirmasi dari teori akresi inti untuk pembentukan planet dan bukti bahwa planet-planet semacam ini harus ada dalam kelimpahan," kata Greg Henry dalam siaran pers. Henry, seorang astronom di Tennessee State University, Nashville, mendeteksi peredupan bintang.
Pada 2017, Badan Antariksa Eropa berencana meluncurkan Satelit Satelit ExOPlanet (CHEOPS), yang akan mempelajari planet-planet ekstrasurya dengan ukuran mulai dari Bumi super hingga Neptunus. Mempelajari dunia yang jauh ini dapat membantu menentukan bagaimana planet-planet di tata surya terbentuk.
"Dalam skenario akresi inti, inti sebuah planet harus mencapai massa kritis sebelum mampu mengalirkan gas dengan cepat," kata tim CHEOPS. "Massa kritis ini tergantung pada banyak variabel fisik, di antaranya yang paling penting adalah laju pertambahan planetesimal."
Dengan mempelajari bagaimana planet menumbuhkan materi, CHEOPS akan memberikan wawasan tentang bagaimana dunia tumbuh.
Model ketidakstabilan disk
Tetapi kebutuhan untuk pembentukan cepat untuk planet gas raksasa adalah salah satu masalah akresi inti. Menurut model, prosesnya memakan waktu beberapa juta tahun, lebih lama dari gas ringan yang tersedia di tata surya awal. Pada saat yang sama, model akresi inti menghadapi masalah migrasi, karena planet-planet bayi cenderung berputar ke matahari dalam waktu singkat.
"Planet-planet raksasa terbentuk sangat cepat, dalam beberapa juta tahun," kata Kevin Walsh, seorang peneliti di Southwest Research Institute di Boulder, Colorado, kepada Space.com. "Itu menciptakan batas waktu karena cakram gas di sekitar matahari hanya bertahan 4 hingga 5 juta tahun."
Menurut teori yang relatif baru, ketidakstabilan cakram, gumpalan debu dan gas terikat bersama di awal kehidupan tata surya. Seiring waktu, rumpun ini perlahan-lahan memadat menjadi planet raksasa. Planet-planet ini dapat terbentuk lebih cepat dari saingan akresi inti mereka, kadang-kadang hanya dalam waktu seribu tahun, memungkinkan mereka untuk menangkap gas ringan yang menghilang dengan cepat. Mereka juga dengan cepat mencapai massa penstabil orbit yang menjaga mereka dari maut ke matahari.
Ketika para ilmuwan terus mempelajari planet-planet di dalam tata surya, serta di sekitar bintang-bintang lain, mereka akan lebih memahami bagaimana Uranus dan saudara-saudaranya terbentuk.
Akresi kerikil
Tantangan terbesar untuk pertambahan inti adalah waktu - membangun raksasa gas raksasa dengan cukup cepat untuk meraih komponen yang lebih ringan dari atmosfer mereka. Penelitian terbaru tentang bagaimana benda yang lebih kecil dan berukuran kerikil menyatu bersama untuk membangun planet raksasa hingga 1000 kali lebih cepat daripada penelitian sebelumnya.
"Ini adalah model pertama yang kita tahu tentang bahwa Anda mulai dengan struktur yang cukup sederhana untuk nebula surya dari mana planet terbentuk, dan berakhir dengan sistem planet raksasa yang kita lihat," kata pemimpin penulis studi Harold Levison, seorang astronom di Southwest Research Institute (SwRI) di Colorado, kepada Space.com pada 2015.
Pada 2012, peneliti Michiel Lambrechts dan Anders Johansen dari Lund University di Swedia mengusulkan bahwa kerikil kecil, yang pernah dihapus, memegang kunci untuk membangun planet raksasa dengan cepat.
"Mereka menunjukkan bahwa sisa kerikil dari proses pembentukan ini, yang sebelumnya dianggap tidak penting, sebenarnya bisa menjadi solusi besar untuk masalah pembentukan planet," kata Levison.
Levison dan timnya membangun penelitian itu untuk membuat model yang lebih tepat bagaimana kerikil kecil dapat membentuk planet yang terlihat di galaksi saat ini. Sementara simulasi sebelumnya, objek besar dan menengah mengkonsumsi sepupu mereka yang berukuran kerikil dengan laju yang relatif konstan, simulasi Levison menunjukkan bahwa objek yang lebih besar bertindak lebih seperti pengganggu, menyambar kerikil dari massa berukuran sedang untuk tumbuh lebih cepat menilai.
"Benda-benda yang lebih besar sekarang cenderung menyebarkan yang lebih kecil daripada yang lebih kecil yang menyebarkannya kembali, sehingga yang lebih kecil akhirnya tersebar keluar dari kerikil," kata rekan penulis studi Katherine Kretke, juga dari SwRI, kepada Space.com. . "Pria yang lebih besar pada dasarnya menggertak yang lebih kecil sehingga mereka dapat memakan semua kerikil itu sendiri, dan mereka dapat terus tumbuh untuk membentuk inti dari planet-planet raksasa."
Akresi kerikil lebih mungkin bekerja untuk planet-planet raksasa daripada dunia terestrial. Menurut Sean Raymond, dari University of Bordeaux di Prancis, itu karena "kerikil" sedikit lebih besar dan lebih mudah dipegang melewati garis salju, garis imajiner di mana gas cukup dingin untuk menjadi es.
"Untuk kerikil, pasti sedikit lebih baik untuk melewati garis salju," kata Raymond kepada Space.com.
Sementara akresi kerikil bekerja dengan baik untuk raksasa gas, ada beberapa tantangan bagi raksasa es. Itu karena partikel berukuran milimeter hingga sentimeter bertambah sangat efisien.
"Mereka bergerak sangat cepat sehingga sulit bagi inti raksasa es untuk berada di sekitar massa inti mereka saat ini untuk sebagian kecil dari masa pakai cakram sambil mengumpulkan amplop gas," tulis Frelikh dan Murray-Clay.
"Untuk menghindari pelarian, mereka karenanya harus menyelesaikan pertumbuhan mereka pada waktu tertentu, ketika cakram gas sebagian, tetapi tidak seluruhnya, habis."
Pasangan ini mengusulkan bahwa mayoritas pertambahan gas ke inti Uranus dan Neptunus bersamaan dengan gerakan mereka menjauh dari matahari. Tapi apa yang bisa membuat mereka mengubah rumah mereka di tata surya?
Model yang bagus
Awalnya, para ilmuwan berpikir bahwa planet-planet terbentuk di bagian yang sama dari tata surya yang mereka tinggali saat ini. Penemuan planet ekstrasurya mengguncang, mengungkapkan bahwa setidaknya beberapa benda paling masif dapat bermigrasi.
Pada tahun 2005, trio makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature mengusulkan bahwa Uranus dan planet-planet raksasa lainnya terikat dalam orbit yang hampir bundar, jauh lebih kompak daripada sekarang. Piringan besar batuan dan es mengelilinginya, membentang sekitar 35 kali jarak Bumi-matahari, tepat di luar orbit Neptunus. Mereka menyebut ini model yang bagus, setelah kota di Perancis tempat mereka pertama kali mendiskusikannya. (Itu diucapkan Neese.)
Ketika planet-planet berinteraksi dengan benda-benda yang lebih kecil, mereka menyebar sebagian besar ke arah matahari. Proses tersebut menyebabkan mereka berdagang energi dengan benda-benda, mengirim Saturnus, Neptunus dan Uranus lebih jauh ke tata surya. Akhirnya benda-benda kecil mencapai Jupiter, yang mengirim mereka terbang ke tepi tata surya atau sepenuhnya keluar dari sana.
Gerakan antara Yupiter dan Saturnus mendorong Uranus dan Neptunus ke orbit yang lebih eksentrik, mengirimkan pasangan melalui sisa es. Beberapa bahan terlempar ke dalam, di mana ia menabrak planet terestrial selama Pengeboman Berat Akhir. Materi lainnya dilempar keluar, menciptakan Sabuk Kuiper.
Ketika mereka bergerak perlahan ke luar, Neptunus dan Uranus bertukar tempat. Akhirnya, interaksi dengan puing-puing yang tersisa menyebabkan pasangan untuk menetap di jalur yang lebih melingkar saat mereka mencapai jarak mereka saat ini dari matahari.
Sepanjang jalan, mungkin saja satu atau bahkan dua planet raksasa lainnya dikeluarkan dari sistem. Astronom David Nesvorny dari Southwest Research Institute di Colorado telah membuat model tata surya awal untuk mencari petunjuk yang dapat mengarah pada pemahaman sejarah awalnya.
"Pada hari-hari awal, tata surya sangat berbeda, dengan lebih banyak planet, mungkin sama besar dengan Neptunus, membentuk dan tersebar ke berbagai tempat," kata Nesvorny kepada Space.com.
Pemuda yang berbahaya
Tata surya awal adalah masa tabrakan yang keras, dan Uranus tidak dibebaskan. Sementara permukaan bulan dan Merkurius keduanya menunjukkan bukti pengeboman oleh batu-batu kecil dan asteroid, Uranus tampaknya mengalami tabrakan yang signifikan dengan protoplanet seukuran Bumi. Akibatnya, Uranus terbalik, dengan satu kutub mengarah ke matahari selama setengah tahun.
Uranus adalah raksasa es terbesar, mungkin sebagian karena kehilangan sebagian massanya selama tumbukan.
