8 دقیقه
زیر آسمان صاف هاوایی، رصدخانه کک برخی از نیرومندترین چشمهای زمین را به جهانهایی میدوزد که از آن ما نیستند. جابهجاییهای بسیار کوچک دوپلری در نور آنها پنهان شده است. همین جابهجاییها رازی ساده اما سرسخت را با خود حمل میکنند: اینکه یک سیاره با چه سرعتی میچرخد.
پژوهش تازه رصدخانه کک دهها غول گازی و همدمهای کوتوله قهوهای را بررسی کرد تا به پرسشی پاسخ دهد که دانشمندان علوم سیارهای دههها درباره آن بحث کردهاند. آیا جهانهای سنگینتر همیشه سریعتر میچرخند؟ یا فیزیک تولد آنها گاهی سرعت چرخششان را کاهش میدهد؟ پاسخ، آنطور که دادهها نشان میدهد، چندان بدیهی نیست. دادهها به مسیری شگفتانگیز اشاره میکنند: وقتی اندازه، جرم و سن در نظر گرفته شود، برخی سیارههای غولپیکر سریعتر از کوتولههای قهوهای پرجرمتر میچرخند.
خواندن چرخش از یک خط طیفی تکی
چرخش ردپای خود را بر جای میگذارد. وقتی سیارهای میچرخد، نور بخشی از جو که به سوی ما حرکت میکند اندکی به سمت آبی جابهجا میشود و نور لبهای که از ما دور میشود به سمت قرمز جابهجا میگردد. اثر ترکیبی این فرایند، خطوط جذبی در طیف سیاره را پهنتر میکند. آشکارسازی چنین پهنشدگی ظریفی در سیارههای کمنور و دوردست به ابزارهایی نیاز دارد که هم تفکیک طیفی بالا داشته باشند و هم بتوانند نور سیاره را از درخشش ستاره جدا کنند.
دقیقا همین کار را تصویرگر و مشخصهیاب سیارهای کک، یا کیپیآیسی، انجام میدهد. این ابزار نور سیاره را جدا میکند و ویژگیهای تند و باریکی را ثبت میکند که در نوارهای جذب مولکولی پدید میآیند. پژوهشگران از روی این ویژگیها سرعت چرخش را استنباط میکنند؛ سرعتی که معمولا به صورت سرعت استوایی تصویرشده بیان میشود. کارزار رصدی اخیر از کیپیآیسی برای اندازهگیری چرخش مجموعهای گزینششده از همدمهایی استفاده کرد که در فاصله دهها تا صدها واحد نجومی از ستارههای خود میچرخند. این نمونه شامل غولهای گازی جوان و کوتولههای قهوهای در جداییهای مداری وسیع بود؛ اجرامی که برای آزمودن نظریههای شکلگیری سیارهها اهمیت اساسی دارند.
فقط جرم نیست: ترمز مغناطیسی و داستان چرخش
در نگاه نخست شاید انتظار داشته باشید رابطهای سرراست برقرار باشد: جرم بیشتر، تکانه زاویهای بیشتر و چرخش سریعتر. اما طبیعت تا این اندازه مرتب و ساده رفتار نمیکند. اندازهگیریهای کک نشان میدهد وقتی سن و شعاع در محاسبات لحاظ شوند، برخی غولهای گازی در نهایت سریعتر از کوتولههای قهوهای میچرخند که بهمراتب پرجرمترند. چرا؟ تیم پژوهشی به برهمکنشهای مغناطیسی در سالهای آغازین زندگی یک جهان اشاره میکند.
سیارهای جوان و در حال شکلگیری را تصور کنید که قرصی پیرامونسیارهای آن را دربر گرفته است. اگر این جرم میدان مغناطیسی قدرتمندی داشته باشد، میتواند با قرص جفت شود و تکانه زاویهای را از سیاره دور کند. این اثر که گاهی ترمز مغناطیسی نامیده میشود، میتواند یک جرم پرجرم را کارآمدتر از سیارهای کمجرمتر با میدان ضعیفتر کند کند. سامانه اچآر ۸۷۹۹ نمونهای بسیار روشن ارائه میدهد: یک غول گازی با جرمی حدود هفت برابر مشتری، در همان سامانه، تقریبا شش برابر سریعتر از یک همدم کوتوله قهوهای با جرمی ۲۴ برابر مشتری میچرخد. همسایگی یکسان است، اما چرخشها کاملا متفاوتاند.
این مشاهده نشان میدهد چرخهای در کار است که در آن جرم اولیه، شدت میدان مغناطیسی و برهمکنشهای قرصی دست به دست هم میدهند تا چرخش نهایی یک سیاره را تعیین کنند. نتیجه در مقیاسهای گوناگون بازتاب مییابد. در منظومه شمسی ما، مشتری و زحل چرخندههایی سریعاند و بخش بزرگی از انرژی چرخشی منظومه را در خود دارند. اما تعمیم این واقعیت به سامانههای دیگر بدون اندازهگیری مستقیم چرخش، خطر نادیده گرفتن نقش فیزیک مغناطیسی و قرصی را به همراه دارد.
روششناسی و نمونه
این پژوهش اندازهگیریهای تازه کیپیآیسی را با دادههای چرخشی منتشرشده پیشین ترکیب کرد تا مجموعهای مقایسهای و بزرگتر بسازد. در مجموع، نمونه گزینششده دهها همدم و جرم زیرستارهای شناور آزاد را دربر میگیرد و گستره وسیعی از جرمها و مراحل تکاملی را پوشش میدهد. این گستردگی اهمیت دارد، زیرا همبستگیها تنها زمانی آشکار میشوند که موارد مشابه با موارد مشابه مقایسه شوند.
- رصدهای مستقیم کیپیآیسی چندین غول گازی و چند همدم کوتوله قهوهای را در جداییهای مداری وسیع هدف گرفت.
- کاهش دادهها بر استخراج پهنشدگی چرخشی از خطوط جذب مولکولی متمرکز بود.
- نتایج پس از تصحیح تفاوتهای شعاع و سن تحلیل شدند تا مقایسهها منصفانه باشند.
این گامها سوگیری را کاهش میدهند. همچنین به پژوهشگران اجازه میدهند پرسشهای دقیقتری مطرح کنند: آیا چرخش سیارهای عمدتا با شرایط اولیه در قرص زایش کنترل میشود، با گشتاورهای مغناطیسی وابسته به جرم، یا با تکامل دینامیکی در مراحل بعدی؟ شواهد به ترکیبی از این عوامل اشاره دارند، در حالی که ترمز مغناطیسی برای اجرام زیرستارهای پرجرمتر نقشی برجستهتر ایفا میکند.
فراسیاره غول گازی در سمت چپ و همدم کوتوله قهوهای پرجرمتر در سمت راست، در سامانه اچآر ۸۷۹۹.
ابزارهای آینده و گسترش سرشماری
کیپیآیسی در را گشود. گام بعدی، بازتر کردن همین در است. ابزار برنامهریزیشده هایاسپک در رصدخانه کک، یک طیفنگار فروسرخ با تفکیک بالا که برای مشخصهیابی فراسیارهها طراحی شده است، باید در سال ۲۰۲۷ آغاز به کار کند. هایاسپک حساسیت را افزایش میدهد، پوشش طول موج را گسترش میبخشد و تفکیک طیفی را بالاتر میبرد. این یعنی دو پیشرفت کلیدی: اندازهگیری چرخش برای سیارههای کوچکتر و سردتر، و محدودیتهای همزمان بهتر درباره ترکیب جو.
چرا پیوند دادن چرخش با شیمی اهمیت دارد؟ چرخش بر دینامیک جو، بازتوزیع گرما و شکلگیری ابرها اثر میگذارد. دانستن همزمان سرعت چرخش یک سیاره و ساختار شیمیایی جو آن، بازسازی بخشهایی از مسیر شکلگیریاش را ممکن میکند. آیا در نواحی درونیتر شکل گرفته و سپس به بیرون مهاجرت کرده است؟ آیا از راه برافزایش تدریجی در یک قرص به دنیا آمده یا با رمبشی سریعتر که به شکلگیری ستارهها شباهت دارد؟ چرخش اهرمی تازه برای بیرون کشیدن این تاریخچه فراهم میکند.
دیدگاه کارشناس
دکتر النا مارکز، اخترفیزیکدانی که شکلگیری سیارهها را مطالعه میکند، میگوید: «چرخش حافظه را با خود حمل میکند. چرخش نقش فسیلی این است که یک جهان چگونه رشد کرده است. نتایج کک ما را وادار میکند فرضهای ساده درباره رابطه جرم و چرخش را بازنگری کنیم. میدانهای مغناطیسی و برهمکنشهای قرصی به شیوههایی اهمیت دارند که پیشتر کاملا درک نکرده بودیم. با ابزارهایی مانند هایاسپک، میتوانیم چرخش را به اثر انگشتهای جوی پیوند دهیم و روایت کاملتری از چگونگی ساخته شدن سیارهها بسازیم.»
جیسون وانگ، یکی از نویسندگان این مطالعه، تأکید کرد که درسهای کیپیآیسی در طراحی هایاسپک به کار گرفته میشود تا اندازهگیری چرخش به سوی جهانهایی شبیهتر به مشتری خودمان پیش برود. برنامه این است که فهرست چرخشهای اندازهگیریشده گسترش یابد و سیارههای شناور آزاد نیز در آن گنجانده شوند؛ اجرامی که تاریخچههای منزوی آنها محدودیتهای مکملی فراهم میکند.
جمعبندی
چرخش دیگر یک کنجکاوی صرف نیست. چرخش ویژگی قابل اندازهگیری است که فیزیک شکلگیری سیاره را در خود رمزگذاری میکند. کارزار رصدی کک الگویی را آشکار کرد: وقتی اندازه، سن و جرم کنترل شوند، غولهای گازی میتوانند از کوتولههای قهوهای سنگینتر سریعتر بچرخند، احتمالا به این دلیل که ترمز مغناطیسی در زمان شکلگیری، اجرام پرجرمتر را کند کرده است. این بینش بخشی از دستور کار شکلگیری سیارهها را بازنویسی میکند و مستقیما به مسیر پژوهشهای آینده اشاره دارد. با ابزارهای پیشرفتهتر و پیمایشهای بزرگتر، اخترشناسان چرخش، ترکیب و معماری مداری را به هم خواهند دوخت تا شرحی غنیتر از چگونگی پیدایش سامانههای سیارهای ارائه دهند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر