11 دقیقه
تصور کنید جهانی را که در آن دو خورشید در آسمانی متفاوت از آسمان ما طلوع و غروب میکنند. این تصویر زنده — تاتوئین، نمونهٔ آرشیتایپِ سیارهٔ دوستارهای — همچنان چشمنواز است، اما نمونههای واقعی و قابل رصد از چنین جهانهایی به طرزی حیرتآور نادرند. ستارهشناسان انتظار داشتند سیارات پیرامون دو ستارهٔ نزدیکِ هم را فراوان ببینند، اما فهرست سیارات تاییدشدهٔ «دوردوستارهای» هنوز بسیار کوچک است. چرا تعداد کمی از سیارات در نزدیکی زوجهای ستارهای فشرده دوام میآورند؟
وقتی نیوتن با اینشتین ملاقات میکند: مسئلهٔ سیارات گمشده
توضیح متعارف دربارهٔ مدارهای سیارهای از گرانش نیوتنی آغاز میشود: نیروی متقابل بین اجسام، مسیرهای مداری را شکل میدهد و اغتشاشات کوچک این مسیرها را بهتدریج تغییر میدهند. مدلهای شکلگیری سیاره نشان میدهند که بسیاری از ستارهها — چه تک و چه جفت — باید سیستمهای سیارهای شکل دهند. از نظر رصدی، مأموریتهایی مانند کپلر (Kepler) و تس (TESS) هزاران سیارهٔ فراخورشیدی کشف کردهاند، ولی تنها بخش ناچیزی از آنها دورِ زوجهای ستارهای میگردند. از میان بیش از شش هزار سیارهٔ تاییدشده، فقط تعداد معدودی گرد هر دو عضو یک جفت ستارهای تأیید شدهاند.
یک تناقض دیگر نیز وجود دارد: زوجهای تنگ — یعنی ستارههایی که در عرض چند روز به دور هم میگردند — به طرز ویژهای خالی بهنظر میرسند. بررسیها هزاران سامانهٔ دوتاییِ کسوفی را شناسایی کردهاند که در آنها هندسهٔ مدار بهگونهای است که گذر سیارهها باید بهسادگی مشاهده شود، ولی آنچه انتظار میرفت هرگز در دادهها ظاهر نشد. فقدان سیارات نزدیک به زوجهای تنگ صرفاً یک خطای رصدی نیست؛ این نشانهٔ یک فرایند دینامیکی است که بهتدریج آن جهانها را از میان برمیدارد.
بخشی از پاسخ در پیشرَویِ مداری نهفته است. سیارهای که بهدور دو ستاره میگردد، بیآنکه بدانیم، شکل بیضی مدارش را همواره حفظ نمیکند؛ مدارش بهتدریج میچرخد یا پیشگرد (precess) میکند، زیرا جهت نیروی گرانشیِ مجموعِ دو ستاره با زمان تغییر میکند. خودِ زوجِ ستارهای نیز پیشگرد میشود، اما به دلیل متفاوتی: اصلاحات نسبیتی به گرانش — اثراتی که اینشتین پیشبینی کرد — زمانی که ستارهها جرم بیشتری دارند و بهصورت فشرده و سریع به دور هم میگردند، دیگر قابل اغماض نیستند.
رزنانس و بیثباتی تدریجی در مدارهای پیرامون دو ستاره
نسبیت عام نحوهٔ تغییر نزدیکترین نقطهٔ مدار زوج ستاره (پریآستِرون یا periastron) را در هر گردش تغییر میدهد. هرچه جفت ستاره فشردهتر شود — چه بهدلیل تعامل با گاز در دورانِ اولیهٔ دیسکِ سیارهزایی و چه بهدلیل اصطکاکِ کشندی (tidal friction) در بازههای زمانی طولانی — نرخ پیشگردیِ پریآستِرونِ زوج افزایش مییابد. همزمان، نرخ پیشگرد سیارهٔ پیرامونِ دو ستاره، که عمدتاً تحتِ تأثیر جاذبهٔ نیوتنیِ دو ستاره است، هنگامی که ستارهها به هم نزدیکتر میشوند معمولاً کاهش مییابد. زمانی که این دو نرخ پیشگرد همگرا شوند، امکان قفلشدن در یک رزنانس فراهم میآید.
رزنانس مفهومی ساده اما قدرتمند است: دو نوسان که ریتمی مشترک دارند میتوانند یکدیگر را تقویت کنند. برای یک سیارهٔ پیرامون دو ستاره، وارد شدن به رزنانس با زوج ستارهای یعنی مدار سیاره بهتدریج به شکلهایی با بیضویّتِ بیشتر کشیده میشود. در یک لحظه سیاره دورتر میزند و در لحظهٔ دیگر به ستارهها نزدیکتر میشود. هرگاه پریآستِرونِ سیاره به ناحیهای از بیثباتی دینامیکی اطرافِ زوجِ ستارهای تجاوز کند، معمولاً یکی از دو سرنوشت رخ میدهد: پرتاب (اخراج) یا نابودی.
در فرآیند اخراج، تعاملهای گرانشی سهجسمی به سیارهٔ مورد نظر شتابی میدهند که ممکن است آن را به یک مدار دوردست بیندازد یا حتی از سیستم گرانشی بهطور کامل جدا کند. در حالت نابودی، پریآستِرون سیاره چنان فشرده میشود که نیروهای کشندی یا برخورد مستقیم با یک ستاره آن را ریشریش میکند یا در سطح ستاره فرو میبرد. این دگردیسیها میتوانند در طول دهها میلیون سال رخ دهند — بازهای که در مقیاس عمر ستارهها سریع محسوب میشود — بنابراین وقتی ما بسیاری از زوجهای ستارهای فشرده را مشاهده میکنیم، احتمالاً سیارات نزدیکِ اولیهٔ آنها قبلاً حذف شدهاند.
محمد فرهت، پژوهشگر پسا دکترا در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که هدایت کارهای نظری اخیر در این حوزه را بر عهده داشته است، این موضوع را ساده بیان میکند: «سیارهای که در رزنانس قرار گیرد میتواند بهتدریج تا درجات بالاتری از بیضویّت پمپ شود تا در نهایت یا پرتاب شود یا پاره گردد.» جهاد توما، همنویسنده و استاد دانشگاه آمریکایی بیروت، اضافه میکند که این یک فرایند عجیب یا ساختگی نیست؛ بلکه نتیجهٔ طبیعیِ ترکیب دینامیک مداری نیوتنی با اصلاحات نسبیتی زمانی است که زوجِ ستاره به دورههایی در حدود یک هفته یا کمتر فشرده میشود.
چرا روشهای کشف، بازماندگان را از قلم میاندازند
وقتی بقای سیاره رخ میدهد، معمولاً به نفع فواصل زیاد است. سیاراتی که از رزنانس فرار میکنند، به سادگی در فاصلهای کافی از زوج قرار میگیرند تا تعامل رزنانسی هرگز قدرتمند نشود. آن سیارات دوردستِ پیرامونِ دو ستاره واقعی هستند، اما ردیابی آنها مشکلتر است. رصدگرهای گذر مانند کپلر و TESS سیارات را با کاهش اندکِ نور ستاره هنگام عبورِ سیاره از مقابل ستارهشان شناسایی میکنند. یک سیارهٔ با مدار وسیع احتمال هندسیِ گذر کمتری از دید ما دارد و احتمال ثبت شدن آن در یک بازهٔ زمانی محدودِ رصدی نیز کاهش مییابد.
کپلر حدوداً سه هزار زوجِ دوتاییِ کسوفی (eclipsing binaries) را فهرست کرد — سامانههایی که در آنها صفحهٔ مدار با خط دید ما همراستا است و ستارگان یکدیگر را میپوشانند. اگر بخش قابلتوجهی از آن زوجها میزبان سیارات بزرگ بودند، به احتمال زیاد گذرها در دادهها ظاهر میشد. اما پژوهشگران کاندیداهای بسیار کمتری از حد انتظار یافتند و بیشتر سیارات تاییدشدهٔ پیرامونِ دو ستاره درست بیرونِ ناحیهٔ بیثباتی داخلی قرار دارند. این خوشهبندی نشاندهندهٔ مهاجرت است: ممکن است سیارات دورتر در دیسکِ سیارهزایی شکل بگیرند و بهتدریج به سمت داخل رانده شوند تا آنجا که در مرزِ پایداری متوقف شوند. شکلگیری سیاره بهطور مستقیم در لبهٔ ناپایداری مانند تلاش برای چیدن آجرهای شکننده در میان طوفان است؛ برخورد میان سیارکها و جسمهای کوچک بسیار شدید است و رشد آرام و مؤثر را ناممکن میسازد.
نتیجهٔ کار، یک سوگیریِ آشکارسازی است که روی یک سازوکار تخریبیِ دینامیکی قرار میگیرد. ترکیب این دو باعث میشود پژوهشگران از وجود یک «بیابان» سیارات پیرامونِ دو ستاره نزدیکِ زوجهای فشرده صحبت کنند. از منظر رصدی، این بیابان بهصورت فقدان سیارات تاییدشده اطراف زوجهایی با دورهٔ مداری کمتر از تقریباً هفت روز دیده میشود.
ناحیههای ناپایداری، نظریهٔ شکلگیری و نتایج شبیهسازی
شبیهسازیهای عددی دقیق و محاسبات تحلیلی این تصویر را پشتیبانی میکنند. وقتی پیشگرد نسبیتیِ زوجِ ستاره در مدلها وارد میشود، سهم سیاراتی که در اطراف زوجهای تنگ بیثبات میشوند، قابل توجه میگردد. مدلهای نظری نشان میدهند که حدوداً ۸۰٪ از سیارات نزدیک چنین زوجهایی میتوانند در طول تکاملِ سامانه تخریب شوند و تقریباً سهچهارمِ آنها بهطور کامل نابود میشوند نه اینکه صرفاً به مدارهای دور و سرد رانده شوند. این نتایج در لبههای فضا-پارامتر نیستند؛ بلکه پیامدهای غالب برای بسیاری از پیکربندیهای اولیه محسوب میشوند.
چرا نسبیت در اینجا مهمتر از بسیاری از مسائل معمول فراخورشیدی است؟ پاسخ در این است که اصلاحات نسبیتی با میزان فشردگی و سرعت اجسام مداری مقیاس میشوند. عطارد نمونهٔ کلاسیک در منظومهٔ شمسی ما بود: گرانش نیوتنی یک پسگرداندِ کوچک ولی توضیحنداده شده در پیرایشِ نقطهٔ اوجِ مدارِ عطارد گذاشت و نظریهٔ اینشتین آن تصحیح را فراهم آورد. در زوجهای ستارهای فشرده، که جرمها بزرگتر و سرعتهای مداری بالاتر است، پیشگرد نسبیتی میتواند تکاملِ زوج را تحت تسلّط خود قرار دهد و تعاملات رزنانسی را به حوزههایی سوق دهد که بقأی سیاره را مخاطرهآمیز میکند.
این یافتهها همچنین روشن میکنند که چرا سیستمهای چندسیارهای در نزدیکی زوجهای تنگ نادر هستند. رزنانسی که یک سیاره را بیثبات میکند، به احتمال زیاد تأثیر خود را روی همراهان نزدیک هم میگذارد و از طریق مجموعهٔ شعاعهای مداری حرکت کرده و چندین سیارهٔ بالقوه را پشت سر هم حذف میکند. بنابراین فقدانِ مشاهدهشدهٔ سیستمهای پیراموندوستارهایِ با زوجهای ستارهای فشرده به این معنا نیست که شکلگیری سیارهای رخ نداده است؛ بلکه نشان میدهد بقا در بازهٔ زمانی طولانی تحت عمل مشترکِ کششهای کشندی، مهاجرتِ دیسکی و رزنانسهای نسبیتی دشوار است.
دیدگاه خبرگان
«وقتی نسبیت عام را در بازیِ بلندمدت وارد میکنید، تصویر به شیوههایی تغییر میکند که از دید نیوتنی قابل پیشبینی نیست»، میگوید یک دانشمند ارشد اخترفیزیک (برای زمینهسازی بهطور فرضی). «نسبیت پیشگرد زوج را تسریع میکند، کشندها و مهاجرت هندسه را تغییر میدهند و مدار سیاره در تلههای رزنانسی فشرده میشود. نتیجه پاکسازیِ طبیعیِ جهانها در نزدیکی تنگترین زوجهاست.»
صدای دیگری از جامعهٔ نظری اضافه میکند: «این مکانیزم به آشتی بین شبیهسازیهای شکلگیری سیاره — که نشان میدهد سیارات معمولاً شکل میگیرند — و واقعیت رصدی که ما بندرت سیارات پیرامونِ زوجهای فشرده را میبینیم، کمک میکند. بسیاری از آنها شکل گرفتهاند، اما بیشترشان مدت کافی زنده نماندهاند تا در تصاویرِ نظرسنجیهای ما ثبت شوند.»
دامنهٔ کاربردها و مسیرهای آینده
تلاطم میان نسبیت و دینامیک مداری پیامدهایی فراتر از سیارات پیرامونِ دو ستاره دارد. پژوهشگران در حال بررسیاند که آیا فرایندهای رزنانسی مشابه میتوانند بر سیاراتی که به دور اجرام فشرده میگردند — مانند تپاخترها (پالسارهای دوتایی) یا ستارههایی که به دور زوجِ سیاهچالههای فوقالعادهٔ پرجرم در هستههای کهکشانها گردش میکنند — تأثیر بگذارند یا خیر. هرگاه جرمها بسیار بزرگ و بازههای زمانی مداری کوتاه باشند، پیشگرد نسبیتی میتواند تکامل طولیِ اجسام پیرامونی را تحت سلطه درآورد و دید ما از پایداری بلندمدت را تغییر دهد.
از سوی رصدی، این کار راهبردهای مشخصی را پیشنهاد میدهد. اگر سیارات پیرامونِ دو ستاره عمدتاً در فواصل دورتر باقی میمانند، نظرسنجیهایی که قادر به تشخیص گذرهای با دورهٔ طولانیتر یا استفاده از تصویرسازی مستقیم و استرومتری هستند میتوانند جمعیتِ مفقود را بیابند. ابزارهای نسل بعد و بازههای زمانی رصد طولانیتر کلیدی خواهند بود. همزمان، مدلهایی که هیدرودینامیکِ شکلگیری سیاره را با دینامیک نسبیتیِ بلندمدت ترکیب میکنند، نقاطی را که بقای بازماندگان محتملتر است دقیقتر مشخص خواهند کرد.
یادآوریِ گستردهتری هم در کار است دربارهٔ لایهای بودنِ پیچیدگیهای سامانههای اخترفیزیکی. فرایندهایی که در بازههای زمانی کوتاه ظریف بهنظر میرسند — پیشگرد نسبیتی، مهاجرت کشندی — میتوانند در طول میلیونها یا میلیاردها سال، جمعیتهای سیارهای را تراش دهند. اصلاحات اینشتین، که یک قرن پیش معرفی شد، همچنان در علم فراخورشیدیِ مدرن مرتبط و گاهی تعیینکنندهاند.
از منظر رصدی، کمیابیِ جهانهای دوخورشیدی نزدیک به زوجهای تنگ دیگر صرفاً یک آمار عجیب نیست. این یک پیامد طبیعی از دینامیکِ رزنانسی است که توسط اثرات نسبیتی کاشته شده و توسط کشندها و مهاجرت پرورش یافته است. جهان راهی دارد تا برخی امکانات را بهطریق آرام، سریع، و بیتفاوت نسبت به انتظارات ما پاک کند.
با بهبود تلسکوپها و گسترش بازههای زمانیِ نظرسنجیها، باید انتظار داشته باشیم که سیارات دورترِ پیرامونِ دو ستاره را بیشتر بیابیم و همراه با آنها شمارۀ کاملتری از چگونگی شکلگیری و ناپدیدشدن سیارات در سایهٔ دو خورشید بهدست آوریم.
منبع: scitechdaily
نظرات
مکس_ای
اگر این درست باشه یعنی کلی دنیا توی تاریخ حذف شدن... فکر کن، هزاران سیاره رفتن، سریع و بیصدا، آدم یه کم دلش میگیره
رضا
خیلی خوب توضیح داده، اما بعضی سادهسازیها زیادن و اعداد حساسند، یه نمودار یا جدول پارامترها کمک میکرد تا قانعتر باشه
شهررو
دیدگاه متوازن و خوبیه، ترکیب نسبیت و دینامیک منطقی بهنظر میاد. حالا ببینیم تلسکوپهای جدید چه اثری روی این بحث میذارن
آستروست
من تو پروژهای با شبیهساز دینامیک کار کردم، همین پدیدهها رو دیدم؛ سیاراتی که آروم آروم بیضوی میشن و بعد ناپدید میشن، عجیب ولی واقعی
توربو
جالب ولی مشکوکم؛ آیا شبیهسازیها واقعاً تمام شرایط اولیه و پراکندگی جرمها و دیسکِ اولیه رو پوشش دادن؟ سوال بلندمدت دارم...
کوینکس
منطقش قانعکننده است، بیابانِ سیارهای اطراف زوجهای تنگ منطقیه، مخصوصا با اون توضیح دربارهٔ پیشگردی نسبیتی
رودایکس
وای، اینو انتظار نداشتم! اینکه نسبیت بتونه سیارهها رو این جوری حذف کنه، یعنی تاتوئین خیالیتر از همیشه... عجب دنیا
ارسال نظر