Apakah Panas dari Dampak pada Asteroid Menyediakan Bahan untuk Kehidupan di Bumi?

Sebuah kelompok penelitian dari Universitas Kobe telah menunjukkan bahwa panas yang dihasilkan oleh dampak benda astronomi kecil dapat memungkinkan perubahan air (*1) dan pembentukan padat organik terjadi di permukaan asteroid. 

Mereka mencapai ini dengan terlebih dahulu melakukan eksperimen kawah tumbukan berkecepatan tinggi menggunakan bahan target mirip asteroid dan mengukur distribusi panas pasca tumbukan di sekitar kawah yang dihasilkan. Dari hasil ini, mereka kemudian menetapkan aturan praktis untuk suhu maksimum dan durasi pemanasan, dan mengembangkan model konduksi panas dari ini.

Gambar: awsimages.detik.net.id

Kelompok penelitian terdiri dari anggota berikut dari Sekolah Pascasarjana Ilmu Pengetahuan Universitas Kobe; Dosen YASUI Minami, TAZAWA Taku (mahasiswa master tahun ke-2 pada saat penelitian), HASHIMOTO Ryohei (saat itu sarjana tahun ke-4 di Fakultas Sains) dan Profesor ARAKAWA Masahiko, selain Associate Senior Researcher JAXA Space Exploration Center OGAWA Kazunori (yang merupakan spesialis teknis di Universitas Kobe pada saat penelitian).

Hasil ini telah memperluas rentang spasial dan temporal di mana kondisi yang diperlukan untuk perubahan air dan pembentukan padatan organik dapat terjadi. Hal ini diperkirakan akan secara signifikan meningkatkan jumlah calon benda langit yang dapat membawa air dan asal usul kehidupan ke Bumi.

Hasil penelitian ini dipublikasikan dalam jurnal ilmiah Inggris Communications Earth and Environment (Nature Publishing Group) pada 18 Mei 2021.

Poin utama

• Para peneliti menggunakan gipsum berpori sebagai asteroid tiruan dan memasukkan beberapa termokopel (*2) di dalamnya. Mereka melakukan eksperimen tumbukan berkecepatan tinggi pada target ini pada kecepatan tumbukan 1km/s atau lebih, dan berhasil mengukur perubahan durasi suhu di sekitar kawah yang dihasilkan segera setelah tumbukan.
• Ini mengungkapkan bahwa, terlepas dari kecepatan tumbukan dan ukuran serta kepadatan proyektil, suhu maksimum dan durasinya bergantung pada jarak tanpa dimensi (jarak dari titik tumbukan yang diskalakan oleh radius kawah).
• Dengan menggunakan hasil di atas, para peneliti menghitung perubahan temporal dalam distribusi panas termal setelah pembentukan kawah di permukaan asteroid. Perhitungan ini menunjukkan bahwa, pada jarak dalam 2 unit astronomi (*3), alterasi air dapat terjadi jika kawah memiliki radius lebih dari 20 km, dan formasi padat organik dapat didukung oleh kawah lebih dari 1 km.
• Temuan ini akan memungkinkan peningkatan jumlah benda astronomi untuk dipertimbangkan sebagai calon sumber air dan zat organik yang diperlukan untuk awal kehidupan di Bumi.

Latar belakang penelitian

Diyakini bahwa air dan zat organik yang diperlukan untuk memulai kehidupan di Bumi adalah hasil dari komet atau asteroid yang menabrak planet ini. Mineral dan zat organik yang telah mengalami perubahan air telah ditemukan di meteorit (dari mana asteroid berasal), memberikan bukti bahwa mereka pernah mengandung air. Namun, sumber panas diperlukan untuk reaksi kimia yang menyebabkan perubahan air dan pembentukan padatan organik di dalam asteroid.

Salah satu sumber panas yang cukup kuat adalah pemanasan peluruhan radioaktif ²⁶ Al (aluminium, *5), nuklida radioaktif berumur pendek yang ditemukan di dalam batuan. Namun, dikatakan bahwa pemanasan radioaktif yang menyebabkan perubahan air dan pembentukan padat pada badan induk asteroid (*4) hanya bisa terjadi pada awal sejarah tata surya karena waktu paruh yang pendek yaitu ²⁶ Al (720.000 tahun) .

Dalam beberapa tahun terakhir, teori bahwa dampak panas yang dihasilkan ketika benda astronomi kecil menabrak asteroid juga bisa menjadi sumber panas yang layak telah mulai mendapat perhatian. Namun, tidak diketahui berapa banyak panas yang dihasilkan tergantung pada karakteristik benda astronomi (ukuran, kepadatan, kecepatan tumbukan) dan seberapa jauh di dalam asteroid panas yang dihasilkan ini ditransmisikan. Sampai sekarang, belum ada penelitian yang secara eksperimental menyelidiki pembangkitan panas dan proses propagasi ini untuk menentukan apakah perubahan air dan pembentukan zat organik mungkin terjadi.

Metodologi Penelitian

Kelompok riset ini melakukan eksperimen laboratorium untuk menyelidiki hubungan antara panas tumbukan yang dihasilkan pada asteroid (sebagai akibat tumbukan benda astronomis kecil) dan karakteristik tumbukan. Untuk target, mereka menggunakan gipsum (mineral berpori yang terdiri dari kalsium sulfat dihidrat) untuk meniru asteroid. Mereka mempercepat proyektil pada target dengan kecepatan benturan tinggi antara 1km/s hingga 5km/s menggunakan senjata gas horizontal dua tingkat Universitas Kobe. Beberapa termokopel dipasang di target gipsum untuk mengukur perubahan suhu pasca-benturan. Dalam rangkaian percobaan ini, para peneliti mengubah ukuran, kepadatan, kecepatan tumbukan proyektil dan posisi termokopel untuk menyelidiki perbedaan durasi panas tergantung pada karakteristik tumbukan.

Dari grafik durasi panas, kelompok peneliti menyelidiki suhu maksimum dan durasinya, dan melihat bagaimana ini terkait dengan karakteristik dampak. Dengan menggunakan jarak tak berdimensi yang diperoleh dengan menormalkan jarak dari titik tumbukan (tempat proyektil mengenai target) dengan radius kawah, mereka berhasil menentukan bagaimana suhu maksimum dan durasinya diubah oleh karakteristik tumbukan dan menghasilkan aturan- jempol untuk ini.

Selanjutnya membangun model konduksi panas yang menggabungkan aturan praktis ini, memungkinkan mereka untuk menghitung distribusi panas di sekitar kawah yang terbentuk di permukaan asteroid. Kelompok peneliti memeriksa hasil numerik dari model konduksi panas terhadap data tentang panas yang dibutuhkan dan durasi untuk perubahan air dan pembentukan padatan organik yang diperoleh dari analisis meteorit masa lalu.

Hasil ini menunjukkan bahwa alterasi air dapat terjadi jika kawah dengan radius lebih dari 20 km terbentuk dalam jarak 2au dari Matahari. Selain itu, mereka memperkirakan bahwa bahkan kawah kecil dengan radius 100m di asteroid dalam jarak 4au dapat memanas hingga 100 °C, yang berarti dapat mendukung pembentukan padat organik. Sebagian besar asteroid terletak dalam jarak 4au. Para peneliti juga menemukan bahwa jika sebuah kawah dengan radius lebih dari 1 km terbentuk dalam jarak 2au, keliling kawah dapat memanas hingga 0°C (suhu di mana es menjadi air), sehingga memungkinkan terbentuknya padatan organik.

Perkembangan Lebih Lanjut

Diperkirakan bahwa peluruhan radioaktif pemanasan ²⁶ Al memicu reaksi kimia untuk perubahan air dan pembentukan padatan organik pada asteroid. Namun, pemanasan ini hanya dapat terjadi di dekat inti asteroid yang relatif besar dengan diameter puluhan kilometer. Lebih jauh lagi, dikatakan bahwa ini hanya bisa terjadi dalam satu juta tahun setelah pembentukan Matahari karena waktu paruh yang pendek yaitu ²⁶Al. Di sisi lain, tumbukan antar asteroid masih terjadi hingga saat ini, dan mungkin saja tumbukan tersebut memanaskan permukaan asteroid kecil sekalipun, asalkan tumbukan tersebut tidak menghancurkan asteroid itu sendiri. Dengan kata lain, hasil penelitian ini menunjukkan bahwa potensi asteroid untuk mendukung alterasi air dan pembentukan padatan organik secara temporer dan spasial jauh lebih besar dari yang diperkirakan sebelumnya. Ini akan berkontribusi pada peningkatan jumlah badan astrologi yang dianggap sebagai kandidat yang membawa air dan zat organik untuk awal kehidupan di Bumi.

Selanjutnya kelompok peneliti berharap untuk memeriksa sampel yang dikembalikan dari misi eksplorasi asteroid yang dilakukan tidak hanya oleh Jepang tetapi juga negara lain. Jika mineral yang diubah dalam air atau zat organik ditemukan dalam sampel yang dikumpulkan, ini dapat memberikan bukti efek pemanasan dampak.

Glosarium

1. Alterasi berair: Ini mengacu pada ketika mineral di dalam batu berubah sebagai akibat dari reaksi kimia antara batu dan air.

2. Termokopel: Sensor panas yang terdiri dari dua batang, masing-masing terbuat dari logam yang berbeda.

3. Satuan Astronomi (au): Jarak dari pusat Matahari. Satu unit astronomi adalah jarak dari pusat Matahari ke Bumi (sekitar 150 juta kilometer).

4. Badan induk asteroid: Badan astronomi dari mana asteroid saat ini berasal. Diperkirakan bahwa asteroid adalah fragmen yang tersisa setelah tubuh induknya dihancurkan oleh benturan, atau merupakan agregasi fragmen yang terakumulasi kembali oleh gravitasi.

5. Pemanasan peluruhan radioaktif ²⁶ AI (nuklida radioaktif berumur pendek):

Nuklida adalah jenis inti yang berbeda yang dicirikan oleh jumlah proton atau neutron tertentu. Di antaranya, nuklida yang secara energi tidak stabil memancarkan radiasi yang menyebabkannya menjadi jenis nuklida yang berbeda yang disebut radionuklida. Proses dimana nuklida ini memancarkan radiasi dan akhirnya berubah jenis disebut peluruhan radioaktif. Selama proses ini, energi juga dipancarkan, menghasilkan panas. Ketika ²⁶ Al meluruh menjadi ²⁶ Mg (magnesium) tetapi waktu yang dibutuhkan oleh setengah dari inti atom dalam ²⁶ Al untuk meluruh (yaitu waktu paruh) adalah 720.000 tahun yang relatif singkat.

6. Waktu difusi termal:

Perkiraan jumlah waktu yang dibutuhkan panas untuk terdispersi dari sumber panas. Dalam penelitian ini dihitung sebagai (jari-jari kawah) ² / (koefisien difusi termal). Koefisien difusi termal adalah nilai karakteristik materi.

Ucapan Terima Kasih

Sebagian dari eksperimen ini dilakukan bekerja sama dengan Hypervelocity Impact Facility di Institut Luar Angkasa dan Ilmu Astronautika (ISAS) JAXA. Selain itu, penelitian ini menerima dana dari: hibah penelitian ilmiah dasar dari The Sumitomo Foundation (tema penelitian: 'Pengukuran suhu pasca guncangan setelah pembentukan kawah tumbukan: Implikasi untuk evolusi termal asteroid', Penyelidik Prinsip: Yasui Minami), dan JSPS KAKENHI memberikan JP16K17794 (Penyelidik Prinsip: Yasui Minami), JP16H04041 dan JP19H00719 (Penyelidik Prinsip: Arakawa Masahiko).