9 دقیقه
کشف یک چینش سیارهای عجیب در اطراف یک کوتوله سرخ نسبتاً نزدیک، دانشمندان را مات و مبهوت کرده است. یک جهان کوچک و سنگی نزدیک به ستاره خود قرار دارد. پس از آن دو غول گازی دنبال میشوند. و سپس—بهطرز غیرمنتظرهای—یک سیاره سنگی دیگر در فاصلهای دورتر قرار گرفته است، جایی که بهطور معمول باید گازها غالب میبودند. ساده. عجیب. جذاب.
ساختار نامتعارف سیستم LHS 1903
تیمی از اخترشناسان بینالمللی، با تحلیل اندازهگیریها از چندین رصدخانه و تلسکوپ فضایی CHEOPS اروپا، الگوی یادشده را در یک مقاله تازه در نشریه Science گزارش کردند. این سامانه به گرد LHS 1903 میچرخد که یک کوتوله سرخ است و در دیسک ضخیم راه شیری جا گرفته است. کوتولههای سرخ نسبت به خورشید خنکتر و کمنورترند؛ و در عین حال مرسومترین نوع ستاره در کهکشان ما محسوب میشوند. با اینحال فراوانی به معنای پیشبینیپذیری نیست.
توماس ویلسون، نویسنده ارشد و اخترفیزیکدان سیارات در دانشگاه وارویک، ترتیب سیارات را بیپرده اینگونه توصیف کرد: سنگی، گازی، گازی، سنگی. «این باعث میشود که این یک سیستم داخل-به-خارج باشد،» او به همکاران گفت. «سیارات سنگی معمولاً اینقدر دور از ستارهشان شکل نمیگیرند.»
چرا نه؟ در نزدیکی ستاره، گرما و تابش شدید، عناصر سبک را از جهانهای نوظهور میزداید و هستههای متراکم و سنگی را به جا میگذارد. در فاصلههای دورتر، شرایط خنکتر اجازه میدهد هستهها پوششهای گازی ضخیمی جمع کنند و به غولهای گازی تبدیل شوند. آن الگوی شعاعی مرتب—بدنهای کوچک و سنگی در درون، غولهای گازی بزرگ در بیرون—قرنهاست که نظریههای شکلگیری سیارات را پس از نقشهبرداری از منظومه شمسی ما شکل داده است.
گرافیک نشاندهنده ترتیب شکلگیری سیارات. (ESA)
بازاندیشی درباره زمانبندی شکلگیری و شرایط محلی
وقتی تیم LHS 1903 سراغ توضیحات معمول رفت—مهاجرت سیارات، اسیرشدن سیارهای توسط گرانش، خطاهای اندازهگیری—آن ایدهها کافی نبودند. در عوض، آنها به یک سناریوی برخلاف شهود رسیدند: شاید سیارات همه در یک زمان شکل نگرفتهاند. اگر شکلگیری مرحلهای یا نوبتی بوده باشد چه؟
مدلهای استاندارد، رشد سیارات را تقریباً همزمان درون یک دیسک پیشسیارهای گسترده از گاز و غبار تصویر میکنند. ذرات غبار با هم برخورد میکنند، چسبیده و به هستههایی تبدیل میشوند که یا گاز را حفظ میکنند تا به غول تبدیل شوند یا عریان و سنگی باقی میمانند. در مورد LHS 1903، ممکن است دنشگاه داخلی در حالی جمع شده باشند که دیسک هنوز پر از گاز بوده است. اما زمانی که سیاره بیرونی شکل گرفت، منابع گازی محلی ممکن است کم یا تخلیه شده بوده باشند—و در نتیجه سیارهای کوچک و سنگی بهجای یک غول گازی شکل گرفته باشد، هرچند در فاصلهای دورتر قرار داشته باشد.
تصویر هنری یک دیسک پیشسیارهای. (JPL-NASA)
او میافزاید: «به نظر میرسد ما اولین شواهد از سیارهای را یافتهایم که در محیطی که ما آن را کمبود گاز مینامیم، شکل گرفته است.» اگر این نتیجه تأیید شود، مجبور خواهیم شد تا در نحوه مدلسازی شکلگیری سیارات تجدیدنظر کنیم: همه دیسکهای پیشسیارهای همگن یا پایا نیستند و زمان نقش بهسزایی در نتیجه نهایی دارد.
این کشف بر پایه فوتومتری عبوری (transit photometry) و مشاهدات پیگیری استوار است. CHEOPS اندازهگیریهای دقیقی از شعاع سیاره بیرونی فراهم آورد، که برای تعیین غنی یا فقیر بودن آن از نظر گاز حیاتی بود. در ترکیب با برآوردهای جرم و دینامیک مداری، دادهها تصویری نادر و روشن از یک جهان بیرونی با شعاع کوچک ارائه میدهند؛ جایی که معمولاً انتظار پوششهای حجیم گازی میرود.
ایزابِل ربوییدو، که دیسکهای سیارهای را در آژانس فضایی اروپا مطالعه میکند، اشاره کرد که نظریههای ما مدتها بر بنیان معماری منظومه شمسی مستقر شدهاند. «هرچه فهرست بیشتری از سامانههای فراخورشیدی داشته باشیم، مجبوریم فروضی را که بر یک نمونه تک تکیه دارند بازبینی کنیم،» او گفت. کیهان از آنچه تصور میکردیم، خلاقتر و متنوعتر بوده است.
پیامدها و آزمونهای آینده
یک سامانه عجیب چگونه به نظریههای بازنگریشده منجر میشود؟ این تغییرات یکشبه رخ نمیدهد. اما LHS 1903 یک مطالعه موردی عینی ارائه میدهد: مدلها باید کمبود گاز محلی، عمرهای متغیر دیسک و سر همبندی توالیای سیارات را در بر گیرند. شبیهسازیهایی که حذف گاز وابسته به زمان را اضافه کنند یا تعاملات قویتر ستاره–دیسک را لحاظ کنند، ممکن است الگوهای داخل-به-خارج را بهراحتی بیشتری تولید کنند.
از دید رصدی، اخترشناسان میتوانند به دنبال «همقومی» بگردند. اگر سامانههای دیگر نیز سیارات سنگی را در جداییهایی غیرمنتظره نشان دهند، الگوهایی ظهور خواهند کرد. اندازهگیریهای دقیقتر جرم و جو—بهویژه با JWST و تلسکوپهای آتی—میتوانند مشخص کنند که آیا جهانهای سنگی بیرونی هستههای عریانند یا جوهای ثانویه نازکی دارند که به تاریخچه شکلگیری متفاوتی اشاره میکند.
برای درک بهتر، باید اجزای کلیدی زیر را با مشاهدات و مدلها بررسی کرد:
1) زمان حذف گاز: نرخ فوتواواپراسیون، جریانهای بادی و دیگر فرآیندها چگونه گاز محلی دیسک را در طول میلیونها سال تخلیه میکنند؟
2) مهاجرت سیارهای: آیا حرکت روبهداخل یا بیرون سیارات میتواند ترتیب کنونی را تولید کند، یا نیاز به شکلگیری مرحلهای مستقل داریم؟
3) تعاملات دینامیکی: آیا برخوردها یا اختلالات گرانشی میان سیارات میتواند به بازآرایی منجر شود که ترتیب نهایی را توضیح دهد؟
روشهای آماری نیز لازم است: جمعآوری و مقایسه نمونه بزرگتری از سامانهها تا ببینیم آیا LHS 1903 فقط یک استثناست یا نمونهای از یک زیرگروه متداولتر از معماریهای سیارهای. ابزارهای آماری و یادگیری ماشینی میتوانند در جدا کردن سیگنالهای واقعی از سر و صدای مشاهداتی مفید باشند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر مایا آلوازِرز، اخترفیزیکدانی متخصص تحول دیسک، میگوید: «LHS 1903 یادآور بهموقعی است که شکلگیری سیاره یک متن واحد ندارد. دیسکها بهطور نابرابر تکامل مییابند. شکافها، بادها و فوتواواپراسیون میتوانند گاز را بهصورت محلی پاک کنند؛ وقتی سوخت تمام شد، شیمی و نتیجه ساخت سیارات تغییر میکند. این سیستم یک محدودیت واقعی برای نظریهپردازان فراهم میآورد تا علیه آن آزمون کنند، نه فقط یک کنجکاوی برای تحسین.»
ورای ذائقه علمی صرف، این موضوع برای مطالعههای قابلیت زیستپذیری نیز اهمیت دارد. ترکیب و جو یک سیاره تا حد زیادی به نحوه و مکان شکلگیری آن وابسته است. یک سیاره سنگی بیرونی که در منطقهای گاز-محروم شکل گرفته، میتواند فرارهای فرّار (volatile) و چشماندازهای آب بسیار متفاوتی نسبت به یک سیاره سنگی داخلی داشته باشد. برای نمونه، فقدان پوشش گازی اولیه میتواند منجر به از دست رفتن یا نگهداری متفاوت آب و سایر مواد فرّار شود که پیامدهایی برای احتمال حضور آب مایع و زیستپذیری دارد.
بهطور خلاصه: خط تولید کیهانی ممکن است از آنچه تصور میکردیم آشفتهتر و اپیزودیکتر باشد. LHS 1903 سیستمی کوچک با درسهایی بزرگ است—اگر دقیق نگاه کنیم، برای مدتی پرسشهای ما را بیش از پاسخها تغییر خواهد داد.
جزئیات فنی مشاهدات: آنالیز تیم شامل فوتومتری دقیق عبوری برای تعیین شعاعها، اندازهگیریهای رادال سرعتهای ستارهای برای برآورد جرمها و مطالعه پایداری مداری برای درک تعاملات میان سیارهها بود. ترکیب این دادهها با مدلهای ترکیبی جرم-شعاع و شبیهسازیهای N-بدن، چارچوب محکمی برای تفسیر ارائه داد. از نظر رصدی، دقت اندازهگیریهای CHEOPS در تعیین شعاع سیاره بیرونی، بهخصوص در تمایز بین یک سیاره دارای جو ضخیم و یک هسته کمحجم سنگی حیاتی بود.
نکاتی برای مطالعات آینده و اولویتهای رصدی:
- دنبالکردن مشاهدات عبوری طولانیمدت برای آشکارسازی تغییرات احتمالی در دورهها یا تغییرات نور که میتواند نشاندهنده حضور حلقهها یا جوهای متغیر باشد.
- اندازهگیریهای دقیقتر سرعت شعاعی (radial velocity) برای تعیین جرمها با خطای کمتر، که نقش کلیدی در تفکیک میان سیارههای سنگی و نیمهگازی دارد.
- طیفنگاری عبوری با نسل جدید تلسکوپها برای شناسایی اجزای جوی احتمالی، از جمله نشانگرهای مولکولی آب، کربندیاکسید، یا متان که سرنخهایی از تاریخچه شکلگیری و تکامل جو فراهم میکنند.
- جستجوی نمونههای مشابه در دادههای تلسکوپهای وسیعنگر و آرشیوها تا بتوانیم فراوانی واقعی چنین معماریهایی را برآورد کنیم.
تکمیل این برنامههای رصدی نیازمند زمان تلویزیونی، ترکیب دادهها از چندین تلسکوپ و مشارکت بینالمللی است. با این همه، پاداش آن میتواند بازنویسی بخشی از تئوری شکلگیری سیارات و درک بهتر از نحوه پدیدآمدن سیستمهایی باشد که ممکن است میزبان سیارات قابل سکونت نیز باشند.
از منظر نظری، توسعه مدلهایی که تغییرات زمانی در توزیع گاز را صریحاً در محاسبه رشد هستهها و جذب گاز وارد میکنند ضروری است. اضافهکردن فرآیندهای محلی مانند فوتواواپراسیون تابعی از فاصله به ستاره، اثرات مغناطیسی و جریانهای شعاعی میتواند تفاوتهای مهمی در نتایج تولید کند. همچنین، مدلهای جمعیتی که بهصورت سنتتیک نمونههای زیادی تولید میکنند و سپس با مشاهدات مقایسه میشوند، بهترین راه برای آزمودن اینکه آیا LHS 1903 یک استثناست یا نمونهای از یک زیرشاخه طبیعی در روند شکلگیری سیارات، خواهند بود.
در نهایت، کشف LHS 1903 بر اهمیت تنوع در معماریهای سیارهای تأکید میکند و یادآور میشود که کلید فهم بهتر این فرایندها ترکیبی از رصد دقیق، مدلسازی پیشرفته و تحلیل آماری گسترده است. مطالعات بیشتر در زمینه دیسکهای پیشسیارهای، انتقال گاز و تعاملات دینامیکی بین سیارات گامهایی اساسی به سوی درک کاملتر خواهند بود.
منبع: sciencealert
ارسال نظر