Astronom Amati Sabuk Radiasi di Luar Tata Surya untuk Pertama Kalinya

Fenomena aurora dan sabuk radiasi di sekitar LSR J1835+3259 katai ultracool. Sumber Foto: Chuck Carter / Melodie Kao / Yayasan Heising-Simons)

Pada tahun 1958, satelit pertama yang diluncurkan oleh Amerika Serikat (Explorer 1 dan 3) mendeteksi sabuk radiasi masif di sekitar planet Bumi. Ini membenarkan sesuatu yang dicurigai banyak ilmuwan sebelum Zaman Antariksa dimulai: bahwa partikel energik yang berasal dari Matahari (angin matahari) ditangkap dan ditahan di sekitar planet oleh magnetosfer Bumi. 

Wilayah ini dinamai Sabuk Van Allen untuk menghormati profesor Universitas Iowa James Van Allen yang memimpin upaya penelitian. Saat misi robotik menjelajahi Tata Surya lebih jauh, para ilmuwan menemukan sabuk radiasi serupa di sekitar Jupiter, Saturnus, Uranus, dan Neptunus.

Mengingat ledakan dalam penelitian planet ekstrasurya, para ilmuwan telah menantikan hari ketika Sabuk Van Allen akan ditemukan di sekitar planet ekstrasurya. Terima kasih kepada tim astronom yang dipimpin oleh University of California, Santa Cruz (UCSC) dan National Radio Astronomy Observatory (NRAO), hari itu mungkin telah tiba! Dengan menggunakan High Sensitivity Array (HSA) global, tim memperoleh gambar emisi radio yang intens dan persisten dari bintang kerdil ultradingin. 

katai coklat keren dengan medan magnet dan aktivitas aurora divisualisasikan. Sumber foto: ASTRON / Danielle Futselaar.

Ini mengungkap keberadaan awan partikel berenergi tinggi yang membentuk sabuk radiasi masif yang mirip dengan yang diamati para ilmuwan di sekitar Jupiter.

Penelitian ini dipimpin oleh Ph.D. mahasiswa Melodie M. Kao , Heising-Simons 51 Pegasi b Fellow di UCSC dan mantan NASA Hubble Fellow di School of Earth and Space Exploration di Arizona State University (SESE-ASU), dan peneliti NRAO Amy J. Mioduszewski. 

Mereka bergabung dengan Jackie Villadsen & Evgenya L. Shkolnil, dua astrofisikawan dari Bucknell University dan SESE-ASU. Temuan mereka muncul dalam makalah baru-baru ini, “ Pencitraan yang diselesaikan menegaskan sabuk radiasi di sekitar katai ultracool ,” yang diterbitkan di jurnal Nature.

Medan magnet yang kuat membentuk gelembung bercuping ganda di sekitar planet (disebut magnetosfer) yang dapat menjebak dan mempercepat partikel hingga mendekati kecepatan cahaya. Untuk menghasilkannya, interior planet harus memiliki suhu yang cukup tinggi untuk mempertahankan cairan penghantar listrik. 

Dalam kasus Bumi, wilayah inti terdiri dari inti dalam yang padat dan inti luar yang cair (keduanya terdiri dari besi-nikel), yang terakhir berputar berlawanan arah dengan rotasi Bumi. Dalam kasus Yupiter dan Saturnus, konduksi listrik disebabkan oleh lapisan hidrogen metalik yang berputar di bagian dalamnya.

Magnetosfer ini dapat menangkap partikel berenergi tinggi, yang mengarah ke sabuk radiasi besar berbentuk donat. Dalam kasus Bumi (seperti yang sudah disebutkan), partikel-partikel ini terdiri dari elektron, proton, dan partikel alfa yang dilepaskan oleh korona Matahari. 

Dalam kasus Jupiter, partikel-partikel ini dihasilkan dari aktivitas vulkanik di bulannya Io , yang dapat memuntahkan partikel magma dan gas ratusan kilometer ke luar angkasa. Para astronom juga berspekulasi bahwa bintang dan katai coklat mungkin memiliki medan magnet yang dihasilkan dari hidrogen terionisasi atau logam di interiornya.

Dengan harapan dapat mempelajari lebih lanjut tentang sabuk radiasi dan hubungannya dengan medan magnet planet, Kao dan timnya memilih LSR J1835+3259, objek katai yang melintasi batas antara bintang bermassa rendah (katai merah tipe-M) dan katai coklat masif. 

Ini adalah satu-satunya objek yang Kao dan rekan-rekannya yakin akan menghasilkan data berkualitas tinggi yang diperlukan untuk menyelesaikan sabuk radiasinya. Mereka mengamati objek ini menggunakan jaringan 39 piringan radio HSA, termasuk Very Long Baseline Array (VLBA) dan Very Large Array (VLA) NRAO, Green Bank Telescope (GBT), dan Radio Effelsberg Telescope 100 meter, dan himpunan bagiannya.

Kekuatan gabungan dari antena radio ini memungkinkan tim untuk menangkap gambar beresolusi tinggi dari sabuk radiasi LSR J1835+3259, yang memungkinkan mereka menyimpulkan keberadaan dan kekuatan medan magnet objek. 

Seperti yang dijelaskan Kao dalam rilis UCSC News, ini merupakan yang pertama bagi para astronom: “Kami sebenarnya mencitrakan magnetosfer target kami dengan mengamati plasma pemancar radio—sabuk radiasinya—di magnetosfer. Itu belum pernah dilakukan sebelumnya untuk ukuran planet gas raksasa di luar tata surya kita.”

Apa yang mereka amati, seperti dicatat, bentuknya mirip dengan apa yang diamati sebelumnya dengan Jupiter – sabuk radiasi lobus ganda. Namun, sabuk yang mengelilingi LSR J1835+3259 sepuluh kali lebih terang daripada sabuk Jupiter, menyiratkan medan magnet dengan intensitas yang luar biasa! Ini merupakan yang pertama bagi para astronom dan membuka pintu ke banyak peluang baru. Kata Kao:

“Sekarang kita telah menetapkan bahwa jenis emisi radio tingkat rendah yang mapan ini melacak sabuk radiasi dalam medan magnet berskala besar dari objek-objek ini, ketika kita melihat jenis emisi dari katai coklat—dan akhirnya dari gas. exoplanet raksasa—kita bisa lebih percaya diri mengatakan mereka mungkin memiliki medan magnet yang besar, bahkan jika teleskop kita tidak cukup besar untuk melihat bentuknya.”

Menggunakan model numerik dan pemahaman teoretis tentang cara kerja sistem katai coklat, ilmuwan planet dapat memprediksi bentuk medan magnet planet. Sebelum pengamatan ini, para astronom tidak memiliki sarana yang efektif untuk menguji prediksi ini. 

Selain itu, gambar yang diperoleh Kao dan timnya adalah yang pertama dari objek di luar Tata Surya kita yang mampu membedakan antara aurora dan sabuk radiasinya. Temuan ini, kata Kao, menegaskan kembali bahwa meskipun proses pembentukan planet mungkin berbeda, mereka masih dapat berbagi beberapa karakteristik utama:

“Meskipun pembentukan bintang dan planet bisa berbeda, fisika di dalamnya bisa sangat mirip di bagian lembek dari kontinum massa yang menghubungkan bintang bermassa rendah dengan katai coklat dan planet gas raksasa. Aurora dapat digunakan untuk mengukur kekuatan medan magnet, tetapi bukan bentuknya. Kami merancang percobaan ini untuk menampilkan metode untuk menilai bentuk medan magnet pada katai coklat dan akhirnya planet ekstrasurya.”

Kekuatan dan bentuk medan magnet juga bisa menjadi faktor penting dalam menentukan kelayakhunian sebuah planet. Dengan membelokkan partikel energik, magnetosfer Bumi telah mencegah atmosfer kita perlahan-lahan dilucuti oleh angin matahari. 

Inilah yang terjadi di Mars, yang kehilangan medan magnetnya setelah sebagian besar aktivitas geologis berhenti di bagian dalamnya sekitar 4 miliar tahun yang lalu. Mengingat pentingnya menjaga iklim yang stabil, para peneliti planet ekstrasurya menantikan hari ketika mereka dapat memvisualisasikan medan magnet planet.

Penelitian ini juga menampilkan kemampuan instrumen dan kemitraan modern, di mana observatorium di seluruh dunia dapat berkontribusi untuk mempelajari objek yang redup dan jauh yang sulit untuk dipecahkan. Ke depan, Kao dan rekan-rekannya berharap untuk menggunakan Next Generation Very Large Array (ngVLA), sebuah proyek NRAO besar yang saat ini sedang dikembangkan. 

Array ini beroperasi pada frekuensi 1,2 hingga 116 gigahertz (GHz) – frekuensi ultra-tinggi hingga sangat tinggi (UHF hingga EHF) – dalam spektrum gelombang mikro dan memiliki sensitivitas dan resolusi spasial urutan besarnya lebih tinggi daripada Jansky VLA dan ALMA di panjang gelombang yang sama.

Instrumen ini akan memungkinkan para astronom untuk mencitrakan lebih banyak sabuk radiasi ekstrasurya. Evgenya Shkolnik, seorang profesor astrofisika di SESE-ASU dan rekan penulis studi tersebut, telah mempelajari medan magnet dan kelayakhunian planet selama bertahun-tahun. 

Seperti yang dia ceritakan, mempelajari objek kerdil seperti LSR J1835+3259 dapat mengarah pada studi yang lebih rinci tentang sabuk radiasi dan medan magnet di sekitar planet ekstrasurya berbatu. 

"Ini adalah langkah pertama yang penting dalam menemukan lebih banyak objek seperti itu dan mengasah keterampilan kami untuk mencari magnetosfer yang semakin kecil, yang pada akhirnya memungkinkan kami mempelajari planet-planet seukuran Bumi yang berpotensi layak huni," katanya.