Kembaran Bumi: Tantangan Mencari Planet Mirip Bumi & Apa yang Perlu Diketahui

Perburuan ‘Kembaran Bumi’: Misi Mencari Kehidupan di Luar Tata Surya

Pencarian tanpa henti untuk menemukan planet yang mirip Bumi, sebuah dunia yang berpotensi menampung kehidupan, terus memacu para ilmuwan. Christopher Watson dan Annelies Mortier, dua pemburu planet ekstrasurya (eksoplanet), berbagi kisah menarik di balik upaya ambisius ini.

Pada tanggal 6 Oktober 1995, dunia astronomi dikejutkan oleh pengumuman dari dua astronom Swiss dalam sebuah pertemuan ilmiah di Florence, Italia. Michel Mayor dan mahasiswa doktoralnya, Didier Queloz, dari Universitas Jenewa, telah menemukan sesuatu yang revolusioner: sebuah planet yang mengorbit bintang selain Matahari. Penemuan ini mengubah secara fundamental pemahaman kita tentang alam semesta.

Bintang yang menjadi pusat perhatian adalah 51 Pegasi, berjarak sekitar 50 tahun cahaya dari rasi bintang Pegasus. Planet yang mengorbit bintang ini dinamakan 51 Pegasi b. Ia adalah raksasa gas dengan massa setidaknya setengah dari Jupiter dan memiliki orbit yang sangat singkat, hanya kurang dari lima hari.

Kedekatan 51 Pegasi b dengan bintangnya menyebabkan suhu permukaannya melonjak hingga 1.000°C. Kondisi ini mirip dengan Merkurius, planet terdekat dengan Matahari.

Penemuan ini dimungkinkan berkat alat bernama Elodie, sebuah spektrograf yang dipasang di Observatorium Haute-Provence di selatan Prancis. Elodie, yang dirancang oleh tim Prancis-Swiss, memecah cahaya bintang menjadi spektrum warna, mirip dengan pelangi. Garis-garis warna ini berfungsi sebagai “barcode bintang,” memberikan informasi rinci tentang komposisi kimia bintang-bintang lain.

Mayor dan Queloz mengamati barcode 51 Pegasi dan menemukan bahwa barcode tersebut bergerak ritmis bolak-balik setiap 4,23 hari. Setelah melakukan penelitian mendalam, mereka menyimpulkan bahwa gerakan ini disebabkan oleh keberadaan planet gas raksasa yang mengorbit dekat dengan bintang yang mirip Matahari tersebut.

Artikel mereka yang diterbitkan di jurnal Nature diberi judul provokatif: “Sebuah planet di Pegasus?”

Penemuan 51 Pegasi b membuka jalan bagi penemuan planet-planet lain yang mengorbit bintang-bintang di luar Tata Surya. Istilah “hot Jupiter” kemudian diciptakan untuk menggambarkan planet-planet raksasa gas yang sangat panas dan memiliki orbit yang sangat dekat dengan bintangnya.

Sejak penemuan revolusioner 51 Pegasi b, para astronom telah mendokumentasikan lebih dari 6.000 eksoplanet dan kandidat eksoplanet. Keragaman eksoplanet ini sungguh menakjubkan: mulai dari Jupiter panas hingga Jupiter ultra-panas dengan orbit kurang dari sehari, planet yang mengorbit dua bintang sekaligus, planet “super-puff” yang lebih besar dari Jupiter tetapi massanya mirip Bumi, hingga deretan planet berbatu kecil yang berdesakan dalam orbit yang rapat.

Atas penemuan 51 Pegasi b, Mayor dan Queloz dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 2019. Penemuan ini juga menunjukkan bahwa sebagian besar bintang kemungkinan memiliki sistem planetnya masing-masing. Namun, penting untuk dicatat bahwa ribuan eksoplanet yang telah ditemukan ini tidak semuanya memiliki sistem planet yang mirip dengan Tata Surya kita.

Berbekal penemuan-penemuan ini, perburuan untuk menemukan kembaran Bumi terus berlanjut. Para “penjelajah” modern menggunakan observatorium di puncak gunung terpencil di seluruh dunia sebagai wahana ekspedisi masa kini. Salah satunya adalah konsorsium internasional pemburu planet yang membangun, mengoperasikan, dan memelihara spektrograf Harps-N di Teleskop Nasional Galileo di La Palma, Kepulauan Canary. Alat canggih ini mampu “menginterupsi” perjalanan cahaya bintang yang mungkin telah melaju dengan kecepatan luar biasa selama puluhan atau bahkan ribuan tahun.

Setiap sinyal baru berpotensi membawa kita lebih dekat untuk memahami seberapa umum sistem planet seperti Tata Surya kita. Lebih jauh lagi, ada harapan bahwa suatu hari nanti, kita akan mendeteksi planet lain yang benar-benar mirip dengan Bumi.

Asal-Usul Penelitian Eksoplanet

Sebelum pertengahan 1990-an, Tata Surya dengan Bumi di dalamnya adalah satu-satunya sistem planet yang kita ketahui. Teori tentang pembentukan dan evolusi planet selalu didasarkan pada delapan planet yang sangat dekat ini (setelah Pluto tidak lagi dianggap sebagai planet pada tahun 2006).

Namun, ide tentang keberadaan planet di luar Tata Surya sebenarnya sudah ada sejak lama. Epicurus, seorang filsuf Yunani (341-270 SM), pernah menulis bahwa ada “jumlah dunia yang tak terbatas, beberapa di antaranya mirip dengan dunia ini.” Spekulasinya didasarkan pada teori atomistik dalam filosofi, bukan pengamatan astronomi. Ia berpendapat bahwa jika alam semesta terdiri dari jumlah atom yang tak terbatas, maka pasti ada planet lain. Ia juga memahami potensi adanya kehidupan di tempat lain, dengan menyatakan bahwa dunia-dunia tersebut mungkin memiliki bentuk yang berbeda-beda.

Pada periode yang sama, filsuf Yunani Aristoteles (384-322 SM) mengusulkan model geosentris alam semesta dengan Bumi sebagai pusatnya. Ia berpendapat bahwa tidak mungkin ada lebih dari satu alam semesta.

Sir James Jeans, seorang matematikawan, fisikawan, dan astronom berpengaruh, mengemukakan hipotesis pasang surut pembentukan planet pada tahun 1916. Teori ini menyatakan bahwa planet terbentuk ketika dua bintang melintas sangat dekat sehingga pertemuan tersebut menarik aliran gas dari bintang-bintang ke ruang angkasa, yang kemudian mengkristal menjadi planet. Dengan teori ini, Jeans percaya bahwa Tata Surya kita adalah unik di alam semesta.

Dalam Debat Besar pada tahun 1920, astronom Amerika Harlow Shapley dan Heber Curtis berselisih pendapat mengenai apakah Bima Sakti adalah satu-satunya alam semesta, atau hanya salah satu dari banyak galaksi. Bukti mulai mengarah pada yang terakhir, seperti yang diargumenkan oleh Curtis. Penemuan yang mengindikasikan bahwa alam semesta tidak hanya berisi miliaran bintang, tetapi juga miliaran galaksi dengan miliaran bintang, mulai memengaruhi banyak orang.

Pada tahun 1940-an, konsensus ilmiah bergeser secara drastis karena dua hal. Pertama, hipotesis pasang surut Jeans tidak dapat bertahan dalam uji ilmiah. Teori-teori terkemuka saat itu membuka kemungkinan bahwa semua bintang dapat memiliki planet. Kemudian, pada tahun 1943, muncul klaim tentang planet-planet yang mengorbit bintang 70 Ophiuchus dan 61 Cygni C, dua sistem bintang yang relatif dekat dan dapat dilihat dengan mata telanjang. Meskipun kemudian terbukti sebagai hasil positif palsu, hal itu tetap dianggap sebagai kemungkinan ilmiah yang nyata bahwa ada miliaran planet di Bima Sakti.

Astronom Amerika yang berpengaruh, Henry Norris Russell, menulis dalam majalah Scientific American pada Juli 1943, “Penemuan baru menunjukkan kemungkinan adanya ribuan planet yang dihuni di galaksi kita.” Pertanyaan yang muncul kemudian adalah, di mana planet-planet itu? Ternyata, dibutuhkan waktu setengah abad lagi untuk menemukan jawabannya.

Bagaimana Cara Mendeteksi Eksoplanet untuk Mencari Kembaran Bumi?

Melihat ribuan bintang melalui teleskop Galileo di La Palma menggunakan spektrograf Harps-N, kita bisa merenungkan betapa jauhnya kita telah berkembang sejak Mayor dan Queloz mengumumkan penemuan 51 Pegasi b pada tahun 1995. Saat ini, kita dapat mengukur massa tidak hanya planet seukuran Jupiter, tetapi juga planet kecil yang berjarak ribuan tahun cahaya. Watson dan Mortier, sebagai bagian dari kolaborasi Harps-N, telah memainkan peran penting sejak 2012 dalam ilmu pengetahuan tentang planet ekstrasurya kecil.

Tonggak sejarah lain dalam kisah ini terjadi empat tahun setelah penemuan 51 Pegasi b. David Charbonneau, seorang mahasiswa PhD Kanada di Universitas Harvard, mendeteksi transit sebuah Jupiter panas lain yang dikenal sebagai HD209458b, yang juga terletak di rasi bintang Pegasus. Transit adalah fenomena ketika sebuah planet melintas di depan bintangnya, menyebabkan bintang tersebut tampak lebih redup untuk sementara waktu.

Selain mendeteksi eksoplanet, teknik transit memungkinkan kita untuk mengukur radius planet dengan mengukur kecerahan bintang saat planet melintas. Cahaya bintang yang terhalang bergantung pada radius planet. Misalnya, Jupiter akan membuat matahari tampak 1% lebih redup, sementara Bumi jauh dari 1%.

Melalui teknik transit ini, jumlah eksoplanet yang ditemukan empat kali lebih banyak dibandingkan dengan menggunakan teknik “barcode” yang dikenal sebagai kecepatan radial.

Teknik “barcode” ini pernah digunakan astronom Swiss untuk menemukan eksoplanet pertama 30 tahun yang lalu. Teknik ini masih banyak digunakan hingga saat ini, termasuk oleh Watson dan Mortier, karena tidak hanya dapat menemukan planet tetapi juga mengukur massanya. Dengan teknik kecepatan radial atau “barcode”, mereka melakukan pengukuran berulang terhadap kecepatan bintang dan mencari getaran periodik yang stabil yang menandakan adanya planet.

Namun, teknik kecepatan radial saat ini terbatas pada observatorium darat dan hanya dapat mengamati satu bintang pada satu waktu. Sementara itu, teknik transit dapat diterapkan pada teleskop ruang angkasa seperti misi Corot Prancis (2006-14) dan misi Kepler (2009-18) dan Tess (2018-sekarang) milik NASA. Teleskop ruang angkasa telah mendeteksi ribuan eksoplanet dalam segala keragamannya dan mengukur kecerahan bintang dengan lebih mudah dari ruang angkasa untuk banyak bintang sekaligus.

Meskipun ada perbedaan dalam tingkat keberhasilan deteksi, kedua teknik ini terus dikembangkan. Penggunaan kedua teknik dapat memberikan radius dan massa planet, membuka banyak jalan baru untuk mempelajari komposisinya.

Untuk memperkirakan komposisi eksoplanet yang telah ditemukan, para ilmuwan memulai dengan asumsi sederhana bahwa planet kecil, seperti Bumi, terdiri dari inti besi yang berat, mantel batuan yang lebih ringan, air permukaan, dan atmosfer yang kecil. Dengan menggunakan pengukuran massa dan jari-jari, mereka dapat membuat lapisan komposisi yang berbeda dengan ketebalannya masing-masing. Watson dan Mortier telah melihat bukti planet berbatu yang hancur dan susunan planet yang aneh yang mengindikasikan tabrakan di masa lalu.

Planet-planet telah ditemukan di seluruh galaksi kita, mulai dari Sweeps-11b di wilayah pusatnya (sekitar 28.000 tahun cahaya jauhnya, salah satu yang paling jauh yang pernah ditemukan) hingga yang mengorbit bintang terdekat, Proxima Centauri, yang “hanya” berjarak 4,2 tahun cahaya.

Namun, alat-alat canggih berupa spektrograf terbaru seperti Harps-N dan Espresso, yang dapat mengukur pergeseran kecepatan dengan akurasi hingga sepersepuluh sentimeter per detik, hingga kombinasi kedua teknik tadi, belum cukup untuk mendeteksi planet yang benar-benar mirip Bumi.

Bagaimana Perjalanan Mencari ‘Bumi Lain’?

Pada awal Juli 2013, Watson terbang ke La Palma untuk percobaan pertama dengan spektrograf Harps-N yang baru saja dioperasikan. Untuk menghindari kesalahan, laptopnya dipenuhi dengan spreadsheet, grafik, manual, slide, dan catatan lain. Di antaranya ada dokumen tiga halaman berjudul “Petunjuk Khusus untuk ToO” (Target of Opportunity). Paragraf pertama menyatakan bahwa dewan eksekutif telah memutuskan untuk memberikan prioritas tertinggi pada objek yang dimaksud, yaitu kandidat planet yang diyakini mengorbit Kepler-78, sebuah bintang yang sedikit lebih dingin dan lebih kecil dari Matahari kita, terletak sekitar 125 tahun cahaya jauhnya ke arah rasi bintang Cygnus.

Teleskop ruang angkasa Kepler telah mengidentifikasi kandidat planet yang melintas dengan perkiraan radius 1,16 (± 0,19) kali radius Bumi. Ini berarti, sebuah eksoplanet yang tidak jauh lebih besar dari Bumi berpotensi telah terdeteksi. Watson mendapat 10 waktu pengamatan Kepler-78 dengan intensitas dua kali per malam, masing-masing dipisahkan oleh selang waktu empat jam dan 15 menit yang sangat spesifik.

Secara keseluruhan, Watson mengambil 10 dari total 81 pengamatan tim terhadap Kepler-78 selama 97 hari. Selama periode tersebut, tim yang dipimpin oleh Amerika Serikat juga sedang mencari planet potensial tersebut. Dengan semangat ilmiah yang sejati, sebuah kesepakatan dibuat untuk menyerahkan temuan independen tim yang diawaki Watson dan mengungkapkan hasilnya satu sama lain secara bersamaan. Pada tanggal yang telah ditentukan, kedua tim independen bertukar hasil, yang ternyata sesuai.

Massa planet tersebut diperkirakan sebesar 1,86 kali massa Bumi. Pada saat itu, hal ini menjadikan Kepler-78b sebagai eksoplanet terkecil dengan massa yang diukur secara akurat. Kepadatan planet tersebut hampir identik dengan kepadatan Bumi.

Namun, kesamaan dengan bumi berakhir di situ. Kepler-78b memiliki “tahun” yang hanya berlangsung 8,5 jam. Orbit pendek Kepler-78b mengindikasikan suhu ekstremnya akan melelehkan semua batuan di planet tersebut. Meskipun ukurannya dan densitasnya paling mirip Bumi yang pernah ditemukan saat itu, dunia lava neraka ini berada di ujung ekstrem populasi planet yang kita ketahui.

Pada tahun 2016, teleskop ruang angkasa Kepler melakukan penemuan bersejarah lainnya: sebuah sistem dengan setidaknya lima planet yang melintasi bintang mirip Matahari yaitu HIP41378 di rasi bintang Cancer. Setelah memutuskan menggunakan spektrograf Harps-N untuk mengukur massa kelima planet transit tersebut selama setahun pengamatan, menjadi jelas bahwa satu instrumen saja tidak cukup untuk menganalisis campuran sinyal yang menantang ini.

Tim internasional lainnya mencapai kesimpulan yang sama. Daripada bersaing, diputuskan untuk bersatu dalam kolaborasi global yang hingga kini tetap kuat, dengan ratusan kecepatan radial yang dikumpulkan selama bertahun-tahun. Kini, massa dan jari-jari yang pasti untuk sebagian besar planet dalam sistem ini sudah dipegang. Namun, mempelajarinya membutuhkan kesabaran. Planet-planet yang jauh dari bintang induknya membutuhkan waktu yang jauh lebih lama sebelum terjadi peristiwa transit baru atau sebelum getaran periodik dapat diamati sepenuhnya. Karena itu, perlu menunggu bertahun-tahun dan mengumpulkan banyak data untuk memahami sistem ini.

Namun, manfaatnya jelas. Ini adalah sistem pertama yang mulai mirip dengan Tata Surya kita. Meskipun planet-planetnya sedikit lebih besar dan lebih masif daripada planet-planet berbatu di sistem tata surya, jaraknya sangat mirip. Karena itu, bisa membantu memahami bagaimana sistem planet terbentuk di alam semesta.

Akankah Kembaran Bumi Ditemukan?

Setelah tiga dekade pengamatan, berbagai jenis planet telah ditemukan. Dimulai dengan hot Jupiters, raksasa gas besar yang dekat dengan bintang induknya dan merupakan planet termudah untuk ditemukan karena transit yang lebih dalam dan sinyal kecepatan radial yang lebih besar. Meski mudah ditemukan, planet-planet ini sebenarnya sangat langka.

Dengan kemajuan instrumen dan penumpukan data pengamatan, ditemukan kelas planet baru dengan ukuran dan massa yang berada di antara Bumi dan Neptunus. Meski telah mengetahui ribuan planet di luar Tata Surya, tetap belum ditemukan sistem yang benar-benar mirip dengan Tata Surya, maupun planet yang benar-benar mirip dengan Bumi.

Mungkin saja Bumi merupakan planet unik dalam sistem yang unik. Tetapi, penjelasan yang lebih masuk akal adalah kemampuan kita untuk mendeteksi planet-planet serupa Bumi masih cukup terbatas dalam alam semesta yang begitu luas, bahkan dengan bantuan alat-alat canggih.

Bagi banyak penjelajah eksoplanet, tujuan utama tetap menemukan kembaran Bumi yang sejati, yaitu sebuah planet dengan massa dan radius serupa Bumi, mengorbit bintang serupa Matahari pada jarak yang sama dengan jarak kita dari Matahari.

Meskipun alam semesta kaya akan keragaman dan memiliki banyak planet yang berbeda dari Bumi kita, menemukan kembaran Bumi yang sejati akan menjadi tempat terbaik untuk memulai pencarian kehidupan seperti yang kita kenal. Saat ini, metode kecepatan radial yang digunakan untuk menemukan eksoplanet pertama tetap menjadi metode terbaik untuk menemukannya.

Tiga puluh tahun setelah penemuan yang memenangkan Hadiah Nobel itu, penjelajah planet pionir Didier Queloz memimpin kampanye kecepatan radial pertama yang khusus mencari planet mirip Bumi. Sebuah kolaborasi internasional besar sedang mengembangkan instrumen khusus, Harps3, yang akan dipasang pada Teleskop Isaac Newton di La Palma pada akhir tahun ini. Mengingat kemampuannya, data selama sepuluh tahun seharusnya cukup untuk akhirnya menemukan planet kembar Bumi pertama kita.

Kecuali jika benar Bumi memang unik.