Misteri-misteri besar alam semesta seringkali berputar di sekitar fenomena yang jauh dan tak terlihat. Para ilmuwan memikirkan ledakan gelombang radio yang tidak dapat dijelaskan, sifat gravitasi yang sulit dipahami dan apakah energi gelap merasuki kosmos. Tetapi teka-teki lain dapat ditemukan di sudut galaksi kita sendiri, menatap langsung ke wajah kita — seperti bagaimana Bumi menjadi planet seperti sekarang ini.
Pertanyaan ini terus memikat para peneliti yang bekerja untuk memahami bagaimana Bumi terbentuk dan mengapa itu sangat cocok untuk menampung kehidupan. Itu bisa berubah secara berbeda — lihat saja tetangga terdekat kita dan hampir kembar, Venus, yang tidak memiliki air cair dan yang permukaannya 870 derajat Fahrenheit yang terik. "Venus dan Bumi adalah jenis kasus kontrol utama, " kata Sue Smrekar dari Jet Propulsion Laboratory NASA. "Kami tidak sepenuhnya memahami bagaimana Bumi berakhir menjadi tempat yang dapat dihuni dan Venus begitu tidak dapat dihuni."
Itu agak mengejutkan, mengingat bahwa Bumi adalah planet yang paling banyak dipelajari di alam semesta. Tetapi proses geologis seperti lempeng tektonik terus-menerus mendaur ulang bukti masa lalu, dan banyak informasi penting tentang susunan bumi terletak tersembunyi di kedalamannya yang luas, yang tidak dapat diakses. "Anda mencoba memahami sebuah planet yang hanya dapat Anda sampel di permukaan, " kata James Badro, ahli geofisika di Institute of Earth Physics di Paris. Meskipun para ilmuwan telah mengumpulkan banyak pengetahuan dari mempelajari tanah di bawah kaki kita, kisah lengkap tentang konstruksi dan evolusi Bumi masih belum diketahui.
Jadi para peneliti telah beralih ke langit untuk meminta bantuan. Mereka telah mempelajari sistem bintang lain mencari petunjuk, dan mencari blok bangunan Bumi di antara detritus tata surya. Sekarang, serangkaian misi ruang angkasa yang direncanakan dan diusulkan dapat membantu para ilmuwan mengisi lebih banyak bagian yang hilang.
Dari mempelajari aspek-aspek baru dari benda-benda protoplanet hingga menyelidiki dari mana mereka berasal dan bagaimana mereka bercampur, para peneliti berharap untuk mengetahui proses pembentukan planet yang menciptakan Bumi. Bagi banyak orang, ini adalah pencarian filosofis seperti halnya pencarian ilmiah. "Ini pertanyaan tentang asal usul kita, " kata Badro.
Kesan seorang seniman tentang misi yang diusulkan untuk Psyche, asteroid yang dianggap seluruhnya logam. (NASA / JPL-Caltech) Sebagian besar peneliti sekarang sepakat tentang sejarah umum tata surya kita. Itu dimulai 4, 6 miliar tahun yang lalu, ketika awan besar gas dan debu yang melayang di angkasa runtuh, mungkin dipicu oleh gelombang kejut supernova terdekat. Awan yang rata itu lalu berputar-putar menjadi cakram pemintalan yang darinya — sekitar 100 juta tahun kemudian — tata surya kita muncul kurang lebih seperti saat ini: matahari dikelilingi oleh delapan planet dan benda-benda kecil yang tak terhitung jumlahnya tersebar di seluruh.
Namun, rincian yang lebih baik tentang bagaimana lingkungan kosmik kita terbentuk, tetap menjadi perdebatan. Misalnya, para ilmuwan masih memperdebatkan apa yang terbuat dari planet. "Kami tahu seperti apa kue itu, " kata Lindy Elkins-Tanton dari Arizona State University, "tapi kami ingin tahu seperti apa semua bahan itu juga, " katanya.
Para ilmuwan berpikir bahwa planet-planet terestrial tumbuh dengan melahap planetesimal yang lebih kecil - benda berdiameter puluhan mil yang terakumulasi dari debu protoplanet. Tetapi komposisi dan struktur planetesimal itu sulit ditentukan. Mempelajari koleksi meteorit kami — pecahan asteroid yang telah jatuh ke Bumi — adalah tempat yang baik untuk memulai, kata Francis Nimmo, ilmuwan planet di University of California, Santa Cruz. Tapi itu tidak cukup.
Itu karena kita tidak perlu memiliki sampel segala sesuatu yang masuk ke planet — beberapa komponen mungkin hilang atau mungkin tidak ada sama sekali. Beberapa meteorit tampaknya cocok untuk Bumi, tetapi para ilmuwan tidak dapat menemukan kombinasi jenis meteorit yang sepenuhnya menjelaskan komposisi kimiawi Bumi. "Ini agak tidak nyaman karena itu berarti bahwa kita tidak benar-benar tahu bagaimana Bumi disatukan, " kata Nimmo.
Elkins-Tanton berharap bahwa misi masa depan yang diusulkan - salah satu dari lima finalis untuk program Discovery NASA - mungkin dapat membantu. Proyek itu, yang dipimpin oleh Elkins-Tanton, akan mengirim pesawat ruang angkasa tak berawak untuk mengunjungi sebuah objek bernama Psyche, yang berada di sabuk asteroid antara Mars dan Jupiter. Psyche memiliki lebar sekitar 150 mil dan, berdasarkan pengamatan jarak jauh dari kepadatan dan komposisi permukaannya, tampaknya terbuat dari logam padat. Ini mungkin juga menyerupai blok bangunan Bumi.
"Ini bisa menjadi inti kecil dari tubuh yang terbentuk di wilayah pembentuk planet terestrial dan baru saja ditabrak oleh banyak hal lainnya dan bagian luarnya yang berbatu dibuang, " kata Elkins-Tanton. Dalam misi Dawn NASA, para ilmuwan mempelajari asteroid Vesta, sebuah protoplanet yang juga mungkin terbentuk di dekat Bumi dan kemudian ditendang keluar ke sabuk asteroid. Namun, ini adalah kesempatan unik untuk melihat apa yang ada di bawah permukaan benda-benda seperti Vesta yang membuat Elkins-Tanton bersemangat.
"Psyche adalah satu-satunya tubuh di tata surya yang memungkinkan kita untuk secara langsung mengamati inti logam, " katanya. "Ini bisa menjadi satu-satunya kesempatan kita untuk melihat bahan semacam ini." Seiring dengan finalis Discovery lainnya, Elkins-Tanton dan rekan-rekannya akan mencari tahu pada bulan September jika misinya berjalan.
Menurut model klasik pembentukan planet, begitu planetesimal mencapai ukuran Psyche — puluhan hingga ratusan mil — mereka mulai mengkanibal tetangga mereka, kata Kevin Walsh, seorang ilmuwan planet di Southwest Research Institute di Boulder, Colorado. "Yang terbesar tumbuh sangat cepat, " katanya, berkat pengaruh gravitasi yang meningkat.
Proses akresi pelarian ini akan menampi jumlah mayat di tata surya hingga mungkin seratus bulan ke ukuran embrio planet seukuran Mars dan serpihan puing-puing yang lebih kecil. Seiring waktu, embrio-embrio ini secara perlahan bergabung membentuk planet.
Tetapi sementara penjelasan ini bekerja dengan baik untuk planet-planet terestrial, yang bukti geologis menunjukkan terbentuk selama 30 hingga 100 juta tahun, itu menghadirkan masalah bagi raksasa gas seperti Jupiter. Para ilmuwan berpikir inti dari tubuh-tubuh ini harus tumbuh jauh lebih cepat — cukup cepat untuk menangkap atmosfer besar mereka dari gas yang ada di tata surya awal, yang hilang hanya dalam beberapa juta tahun.
Selama dekade terakhir, para peneliti telah mengembangkan mekanisme alternatif untuk menumbuhkan planet yang dikenal sebagai akresi kerikil. Ini merupakan penyimpangan dari model akresi konvensional, di mana objek digabungkan untuk membentuk partikel yang semakin besar. Atau, seperti dikatakan Hal Levison, rekan Walsh, "Kerikil membuat batu-batu besar, dan batu-batu besar membuat gunung — sepanjang jalan." Akselerasi kerikil, di sisi lain, meramalkan bahwa benda-benda tumbuh dari gumpalan seukuran kepalan tangan ke badan seukuran Pluto. segera, dan kemudian terus bertambah massa, kata Levison, yang membantu mengembangkan hipotesis.
Prosesnya akan dimulai tak lama setelah pembentukan cakram protoplanet, ketika serpihan debu yang mengelilingi matahari muda mulai bertabrakan dan bersatu, seperti skater yang disinkronkan bergandengan tangan saat mengitari gelanggang es. Akhirnya, gaya aerodinamis dan gravitasi akan menarik kelompok besar kerikil ini menjadi satu, membentuk planetesimal. Planetesimal kemudian terus menyapu kerikil yang tersisa di sekitar mereka, tumbuh dengan cepat sampai mereka membentuk planet.
Selain menjawab pertanyaan tentang bagaimana raksasa gas tumbuh begitu cepat, model ini juga menyediakan cara untuk mengatasi sesuatu yang disebut penghalang ukuran meter, yang telah mengganggu model pertambahan planet sejak pertama kali digariskan pada tahun 1970-an. Ini merujuk pada fakta bahwa sekali benda mencapai diameter sekitar tiga kaki, gesekan yang dihasilkan oleh gas di sekitarnya akan mengirim mereka berputar ke matahari. Akresi kerikil membantu melemparkan partikel-partikel kecil melewati ambang, membuat mereka cukup besar untuk menahan partikel mereka sendiri.
Para ilmuwan masih berusaha memahami apakah proses ini terjadi di seluruh tata surya, dan apakah prosesnya akan berlangsung dengan cara yang sama untuk planet-planet dalam dan luar. (Sementara itu bekerja untuk raksasa gas, tahap pertumbuhan cepat kemudian tidak sesuai dengan apa yang kita ketahui tentang pembentukan planet terestrial). Tetapi para peneliti mungkin menemukan beberapa petunjuk akhir tahun ini, ketika misi Juno NASA, yang berhasil mencapai Jupiter bulan lalu, mulai mengumpulkan informasi tentang komposisi dan inti planet.
Walsh mengatakan mencari tahu berapa banyak bahan yang terletak di pusat raksasa gas akan membantu para peneliti membatasi berbagai model pertambahan planet. Jika Jupiter memiliki inti kecil, pertambahan klasik mungkin dapat membangunnya dengan cukup cepat; jika itu besar, itu mungkin menyiratkan bahwa sesuatu seperti kerikil akresi terjadi sebagai gantinya, katanya.
Jupiter dan bulan-bulannya Io, Europa dan Ganymede seperti yang difoto oleh misi Juno tak lama setelah pesawat ruang angkasa memasuki orbit di sekitar raksasa gas. (NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS) Memahami bagaimana Jupiter terbentuk juga akan membantu para peneliti memahami asal-usul planet-planet lain, termasuk Bumi. Itu karena Jupiter telah dituduh ikut campur dengan pembangunan planet berbatu dalam, setidaknya menurut ide baru yang dikembangkan oleh Walsh dan yang lain yang mendapatkan daya tarik dalam beberapa tahun terakhir.
Hipotesis, yang dikenal sebagai model Grand Tack, menunjukkan bahwa ketika Jupiter selesai membentuk, itu akan membersihkan semua bahan di jalurnya di sekitar matahari, secara efektif mengukir celah di cakram protoplanet. Cakram itu, bagaimanapun, masih mengandung banyak gas dan debu, yang menekan ke arah matahari ketika cakram itu rata dan meregang, kata Walsh.
Celah Jupiter secara efektif menghalangi aliran material ini, dan planet ini "terperangkap dalam banjir, " kata Walsh. Ini bermigrasi ke sekitar orbit Mars dengan Saturnus pada tumitnya. Tetapi ketika Saturnus mengikuti, ia mengikuti cukup banyak bahan untuk menyambungkan kembali disk. Ini melepaskan tekanan yang mendorong Jupiter, memungkinkan kedua planet untuk bermigrasi kembali, semua dalam jarak beberapa ratus ribu tahun. Model itu terinspirasi oleh pengamatan planet-planet yang tertata aneh di tata surya lain yang menunjukkan migrasi seperti itu biasa, kata Walsh.
Untuk sisa tata surya, ini akan menjadi sesuatu seperti sepasang lembu jantan di toko kosmik Cina. Potongan puing-puing dari tata surya bagian dalam akan ditendang keluar sementara kekacauan dari sistem luar akan terseret, kata Walsh. Model ini membantu menjelaskan dimensi ukuran runtuh Mars dan jumlah serta keanekaragaman benda yang ditemukan hari ini di sabuk asteroid.
Ini juga memberikan penjelasan yang mungkin tentang bagaimana planet-planet terestrial mendapatkan air mereka. Menurut Grand Tack, migrasi planet gas akan terjadi ketika planet-planet terestrial masih terbentuk, dan bisa saja melemparkan material yang kaya air dari tata surya luar ke dalam campuran. Walsh dan banyak ilmuwan lain berpikir bahwa asteroid berkarbon, yang mungkin terbentuk di luar Yupiter, adalah kendaraan utama untuk mengirimkan air ke Bumi.
September ini, NASA akan meluncurkan misi untuk mengunjungi asteroid bernama Bennu. Walsh adalah peneliti bersama pada proyek, yang disebut OSIRIS-REx, yang akan mempelajari tubuh dari jauh sebelum mengambil sampel untuk dibawa kembali ke Bumi. Misi serupa oleh badan antariksa Jepang, yang disebut Hayabusa 2, berada di jalur untuk mencicipi asteroid karbon lainnya pada 2018.
Para ilmuwan berharap untuk mengetahui lebih banyak tentang dari mana asteroid ini berasal, dan apakah mereka memang sumber kelas meteorit yang dikenal sebagai chondrites berkarbon. Mereka juga berharap bahwa mempelajari sampel murni — alih-alih fragmen meteorit — akan membantu mengungkap apakah benda-benda ini mengirimkan tidak hanya air ke Bumi, tetapi senyawa organik yang mungkin berfungsi sebagai prekursor bagi kehidupan.
Saat OSIRIS-REx kembali ke Bumi, ia dapat bertemu dengan Lucy, misi lain yang diusulkan, seperti Psyche, adalah finalis dalam program Discovery. Dipimpin oleh Levison, Lucy bertujuan untuk mengeksplorasi perombakan besar terakhir yang mengguncang tata surya kita — tango planet yang dimulai sekitar 500 juta tahun setelah Grand Tack. Saat itulah, menurut sebuah hipotesis oleh Levison dan yang lainnya, Pluto memicu ketidakstabilan yang menyebabkan Neptunus melompat-lompat di luar Uranus dan raksasa gas luar bermigrasi menjauh dari matahari ke posisi mereka sekarang.
Gangguan ini, yang dikenal sebagai model Nice, akan mengirim hujan puing yang meluncur ke tata surya bagian dalam, mungkin menjelaskan sekelompok dampak yang terbentuk selama periode yang dikenal sebagai Late Heavy Bombardment. Planet-planet terestrial, seperti Bumi, sebagian besar terbentuk pada titik ini, sehingga peristiwa itu tidak secara signifikan mempengaruhi komposisi mereka. Tapi itu mungkin melemparkan bola curveball pada para ilmuwan yang mencoba memahami bagaimana tata surya berevolusi. Gangguan itu mungkin telah melemparkan benda-benda ke tata surya bagian dalam yang tidak memiliki koneksi ke bahan-bahan yang membentuk sebagian besar planet terestrial, kata Walsh.
Lucy dapat membantu para ilmuwan mencari tahu apa yang sebenarnya terjadi dan membiarkan mereka menguraikan apa yang tercampur di mana. Ini akan mencapai ini dengan menyelidiki sekelompok asteroid yang terkunci di orbit Jupiter. Benda-benda ini, yang dikenal sebagai Troya Jovian, adalah campuran tubuh yang terbentuk di seluruh tata surya luar dan kemudian dilempar bersama selama migrasi.
Pada pertengahan 2020-an, ketika misi akan mencapai mereka, Trojans akan berorientasi hanya dalam konfigurasi yang tepat untuk pesawat ruang angkasa untuk melakukan tur besar enam tubuh. “Saya telah memuja dewa mekanika selestial sepanjang karier saya, ” kata Levison, seorang yang dinamis planet. "Mereka memutuskan untuk membayar saya kembali, karena planet-planet benar-benar selaras."
Levison mengatakan mempelajari Trojans dari dekat akan memberi peneliti ide yang lebih jelas tentang bagaimana model Nice mixing terjadi, dan juga bisa memberikan tes akresi kerikil. Hipotesis memperkirakan bahwa apa pun yang lebih kecil dari sekitar 60 mil sebenarnya harus menjadi fragmen dari tubuh yang lebih besar. Itu prediksi yang bisa Lucy uji.
Kesan seorang seniman tentang permukaan Venus, di mana suhunya 870 derajat Fahrenheit nyaman. (ESA / AOES Medialab) Bersama-sama, misi-misi ini tampaknya siap untuk memahami lebih lanjut para ilmuwan tentang asal-usul Bumi, mungkin dengan cara yang bahkan belum dapat dibayangkan oleh para peneliti. Lagi pula, membangun gambaran kuat tentang pembentukan planet memerlukan penggabungan data dari berbagai sumber, kata David Stevenson, seorang ilmuwan planet di Caltech.
Namun, kita masih memiliki jalan panjang sebelum kita memahami apa yang membuat Bumi dan Venus sangat berbeda. “Ini memalukan, hampir, bahwa di sini kita, duduk di Bumi, dan kita punya planet terdekat yang besar ini yang kita tidak tahu tentangnya, ” kata Stevenson. "Alasan mengapa kita begitu bodoh adalah ini sangat panas!"
Memang, kondisi neraka di permukaan Venus telah menghalangi upaya untuk mempelajari planet ini secara rinci. Rusia berhasil mendaratkan serangkaian pesawat ruang angkasa di permukaan antara 1960-an dan 80-an. Mereka hanya bertahan selama beberapa jam dan mengirimkan kilasan data singkat sebelum menyerah pada panas. Tetapi misi ini dan lainnya, seperti Pelopor NASA dan Magellan, yang mempelajari planet ini dari jauh, memang memberikan pandangan sekilas ke arah kerja planet itu.
Kita tahu, misalnya, bahwa Venus memiliki atmosfer rumah kaca yang kuat yang hampir seluruhnya terbuat dari karbon dioksida dan tampaknya telah kehilangan sebagian besar air permukaannya. Ini mungkin yang mencegah tektonik lempeng terjadi di sana - air diperkirakan melumasi roda lempeng penunjaman. Ini juga dapat menjelaskan mengapa Venus tidak memiliki medan geomagnetik, yang oleh banyak ilmuwan dianggap sebagai kebutuhan hidup karena melindungi planet dari kerusakan akibat angin matahari. Medan geomagnetik dihasilkan oleh konveksi pada inti tubuh, kata Nimmo, dan bergantung pada sirkulasi mantel - yang sering dikaitkan dengan lempeng tektonik - untuk mengangkut panas.
Apa yang diinginkan para ilmuwan lebih dari apa pun adalah sampel batuan permukaan Venus, tetapi itu tetap merupakan tujuan yang jauh. Untuk masa yang akan datang, para peneliti harus puas dengan pengamatan yang lebih jauh, seperti yang dari misi Jepang saat ini. Awal tahun ini, pesawat ruang angkasa Akatsuki akhirnya mulai menyampaikan data dari orbitnya di sekitar Venus setelah jalan memutar lima tahun yang tidak direncanakan mengelilingi matahari.
Selain itu, NASA sedang mempertimbangkan dua misi lagi yang berpusat pada Venus dan juga finalis Discovery. Satu proyek, yang disebut VERITAS, dipimpin oleh Smrekar dan akan melibatkan pengorbit yang mampu mempelajari geologi planet dalam definisi tinggi. Misi yang diusulkan kedua, dipimpin oleh Lori Glaze dari Goddard Space Flight Center, akan menganalisis atmosfer unik Venus menggunakan penyelidikan yang disebut DAVINCI.
Harapannya adalah bahwa upaya-upaya ini akan mengungkapkan mengapa Venus berevolusi seperti itu, dan dengan demikian, apa yang membuat Bumi berbeda. Pada saat ini, banyak peneliti berpikir bahwa Bumi dan Venus mungkin terbentuk dari bahan yang kira-kira sama kemudian menyimpang dari waktu ke waktu berkat beberapa faktor. Ini termasuk perbedaan kedekatan mereka dengan matahari, dan fakta bahwa Bumi mengalami tabrakan besar relatif terlambat dalam sejarahnya — dampak yang membentuk bulan — yang akan mencairkan kembali sebagian besar planet dan berpotensi mengubah dinamikanya.
Tetapi sampai kita tahu lebih banyak tentang bagaimana planet-planet di tata surya kita terbentuk dan proses apa yang membentuk evolusi mereka, kita tidak akan tahu apa yang membedakan planet ramah dari planet tandus, kata Walsh. "Kami memiliki teleskop di ruang angkasa yang memburu planet seukuran Bumi di sekitar bintang-bintang lain, tetapi kami tidak memiliki petunjuk apakah sebuah planet akan berevolusi menjadi Venus atau menjadi Bumi, " katanya. "Dan itulah keseluruhan permainan bola, pada level tertentu."
