کشف دو غول گازی ابرپفکی با چگالی کمتر از مارشمالو

سیاره‌ای هم‌اندازه مشتری را تصور کنید که وزنش به‌سختی از یک اسفنج آشپزخانه بیشتر باشد. این دیگر یک آزمایش ذهنی نیست. اخترشناسان دو غول گازی به نام‌های تی‌او‌آی-۷۹۱ بی و تی‌او‌آی-۷۹۱ سی را شناسایی کرده‌اند که چگالی کلی آن‌ها آن‌قدر پایین است که حتی از مقایسه‌های رایج خانگی هم فراتر می‌رود: چگالی هرکدام از آن‌ها از مارشمالو کمتر است.

یک سیاره غول‌پیکر تا چه اندازه می‌تواند سبک باشد؟

این دو سیاره هم‌خانواده به دور ستاره‌ای در فاصله حدود ۱٬۱۱۰ سال نوری از زمین می‌چرخند و برداشت ما از این‌که یک سیاره چه می‌تواند باشد را به چالش می‌کشند. چگالی تی‌او‌آی-۷۹۱ بی حدود ۰٫۰۳۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب است و تی‌او‌آی-۷۹۱ سی چگالی حدود ۰٫۰۴۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب دارد. برای مقایسه، چگالی معمول مارشمالو حدود ۰٫۰۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب است، مشتری ۲۸ تا ۳۵ برابر چگال‌تر از این جهان‌هاست و چگالی زمین نزدیک به ۵٫۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب است. پژوهشگران دانشگاه آکسفورد حجم شگفت‌انگیز این سیاره‌ها را به توده‌ای تازه از کف اصلاح تشبیه کرده‌اند، حجیم، سبک و پر از هوا.

این‌ها ناهنجاری‌های کوچک و کم‌اهمیت نیستند. در میان نزدیک به ۶٬۳۰۰ سیاره فراخورشیدی تأییدشده، کمتر از ۴۰ سیاره در گروه بسیار نادر و «پف‌کرده»‌ای قرار می‌گیرند که تی‌او‌آی-۷۹۱ بی و سی به آن تعلق دارند. همین کمیابی است که این کشف را مهم می‌کند: این سیاره‌ها آزمایشگاهی طبیعی برای بررسی تورم سیاره‌ای، ترکیب جو و فیزیک شکل‌گیری سیارات در نواحی سرد سامانه‌های سیاره‌ای فراهم می‌کنند.

از شب‌های طولانی قطب جنوب تا اندازه‌گیری دقیق چگالی

این کشف با ترکیب داده‌های مأموریت تس ناسا و رصدهای زمینی انجام‌شده با تلسکوپ‌های مستقر در قطب جنوب ممکن شد. زمستان قطبی یک مزیت رصدی ارزشمند فراهم کرد: شب‌های طولانی و بی‌وقفه به اخترشناسان اجازه داد گذرهای کامل سیاره‌ای را که حدود ۱۱ ساعت طول می‌کشیدند ثبت کنند، بدون آن‌که طلوع روز توالی رصد را قطع کند. گروه پژوهشی با اندازه‌گیری دقیق زمان‌بندی و شکل این گذرهای طولانی، اندازه سیاره‌ها را برآورد کرد و همراه با محدودیت‌های جرمی، به چگالی‌های حیرت‌انگیز و بسیار پایین آن‌ها رسید.

این دو سیاره از نظر دینامیکی نیز پیوند نزدیکی با هم دارند. آن‌ها در یک رزونانس مداری ۵ به ۳ قرار گرفته‌اند، یعنی به ازای هر پنج دوری که سیاره درونی کامل می‌کند، همراه بیرونی سه دور به پایان می‌رساند. چنین رزونانس‌هایی سرنخ‌هایی از تاریخ مهاجرت سیاره‌ها و برهم‌کنش‌های گرانشی در اختیار می‌گذارند که با گذر زمان ساختار یک سامانه سیاره‌ای را شکل می‌دهند.

• نام‌ها: تی‌او‌آی-۷۹۱ بی و تی‌او‌آی-۷۹۱ سی
• فاصله: حدود ۱٬۱۱۰ سال نوری
• چگالی: ۰٫۰۳۸ و ۰٫۰۴۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب
• رزونانس: رابطه مداری ۵ به ۳

هیدروژن و هلیوم محتمل‌ترین مواد سازنده این پوشش‌های پف‌کرده هستند. اگر هسته‌های این سیاره‌ها کوچک باشد و عناصر سنگین در آن‌ها فراوان نباشد، نتیجه جوی گسترده، کم‌جرم و کم‌چگالی خواهد بود که شعاع سیاره را بزرگ می‌کند، اما سهم اندکی در جرم کلی آن دارد.

چرا این موضوع برای دانش سیاره‌شناسی اهمیت دارد؟ زیرا حالت‌های افراطی، نظریه‌ها را به محک می‌گذارند. مدل‌های شکل‌گیری سیاره و تکامل جو باید توضیح دهند که چنین پوشش‌های گازی متورمی چگونه می‌توانند شکل بگیرند و دوام بیاورند. آیا این سیاره‌ها بقایای جهان‌هایی هستند که دور از ستاره خود، در جایی که گازها می‌توانند چگالش یابند و سبک باقی بمانند، شکل گرفته‌اند؟ یا به سمت داخل مهاجرت کرده‌اند و جوی نامعمول، پرحجم و کم‌چگالی را حفظ کرده‌اند؟ پاسخ این پرسش‌ها درک گسترده‌تر ما از چگونگی شکل‌گیری غول‌های گازی و سازوکارهای از دست رفتن جو سیاره‌ای را دقیق‌تر خواهد کرد.

رصدهای تکمیلی از هم‌اکنون برنامه‌ریزی شده‌اند. تلسکوپ فضایی جیمز وب این جهان‌ها را هدف قرار خواهد داد تا به دنبال نشانه‌های طیفی مولکول‌های دارای کربن، نیتروژن و اکسیژن بگردد. شناسایی چنین عناصر و مولکول‌هایی، یا اثبات کمیابی آن‌ها، فهرست مسیرهای ممکن برای شکل‌گیری این سیاره‌ها را محدودتر خواهد کرد.

کشف‌هایی مانند تی‌او‌آی-۷۹۱ بی و سی شیوه دسته‌بندی اخترشناسان از تنوع سامانه‌های سیاره‌ای را تغییر می‌دهد. این یافته‌ها یادآوری می‌کنند که طبیعت هنوز هم آرایش‌هایی غیرمنتظره و آموزنده می‌سازد و رصد دقیق، به‌ویژه از مکان‌های منحصربه‌فردی مانند فلات جنوبگان، همچنان دستاوردهای علمی ارزشمندی به همراه دارد.