کشف ابرهای نمکی در سیاره صورتی با تلسکوپ جیمز وب ناسا

ابرهایی از نمک. نه بر فراز ساحل اقیانوس، بلکه در هوای رقیق و سرد جهان دوردستی که به سیاره صورتی مشهور شده است. این تصویر، برداشت اخترشناسان از رفتار همدم‌های بسیار سرد و هم‌جرم سیاره‌ای را دگرگون می‌کند و پنجره‌ای تازه به سوی جوهایی می‌گشاید که پیش‌تر برای تلسکوپ‌های زمینی ناپیدا بودند.

این تصویر هنری، سیاره صورتی یا جی‌جی ۵۰۴ بی را نشان می‌دهد که به دور ستاره میزبان خود می‌گردد. اخترشناسان گمان می‌کنند رنگ صورتی این جرم به دلیل سن بسیار زیاد آن، بین ۲٫۵ تا ۴ میلیارد سال، و دمای پایینش است.

وب چگونه از درخشش ستاره گذشت و طیف کم‌نور را خواند

جی‌جی ۵۰۴ بی در سال ۲۰۱۳ کشف شد و از آن زمان تاکنون یک معمای جدی باقی مانده است. این جرم در فاصله حدود ۵۷ سال نوری از ما قرار دارد و به دور ستاره‌ای شبیه خورشید می‌چرخد، اما برای یک همدمی که به طور مستقیم تصویربرداری شده، به شکلی غیرمعمول کم‌نور و سرد است. دمای جی‌جی ۵۰۴ بی حدود ۲۹۰ درجه سلسیوس است، یعنی بسیار خنک‌تر از بیشتر سیاره‌های فراخورشیدی که مستقیم تصویربرداری شده‌اند. جرم آن، نزدیک به ۲۵ برابر مشتری، آن را در مرز مبهم میان سیاره‌های غول‌پیکر و کوتوله‌های قهوه‌ای قرار می‌دهد؛ به همین دلیل دانشمندان اغلب آن را یک همدم با جرم سیاره‌ای می‌نامند.

چرا مطالعه آن تا این اندازه دشوار بوده است؟ دو دلیل اصلی وجود دارد. نخست اینکه نور این همدم در مقایسه با ستاره میزبان بسیار درخشانش، بسیار ضعیف است. دوم اینکه طیف آن، یعنی نوری که به طول موج‌های سازنده‌اش تجزیه می‌شود و مانند اثر انگشت شیمیایی عمل می‌کند، برای ثبت دقیق حتی با بزرگ‌ترین تلسکوپ‌های زمینی نیز بیش از حد کم‌جان بود. گروه‌های پژوهشی شب‌های زیادی را صرف بیرون کشیدن طیف از دل درخشش ستاره کردند و در بسیاری موارد به نتیجه‌ای نرسیدند.

اینجا بود که تلسکوپ فضایی جیمز وب وارد میدان شد. گروهی به سرپرستی انیش بابوراج از دانشگاه نورث‌وسترن، با بهره‌گیری از حساسیت فروسرخ وب و پردازش دقیق داده‌ها برای حذف نور ستاره، توانستند طیف این همدم را در حدود دو ساعت زمان رصدی جدا کنند. این موفقیت سریع بسیاری را شگفت‌زده کرد؛ تلاش‌های زمینی پیشین گاهی حتی پس از یک شب کامل رصد نیز ناکام می‌ماندند.

طیفی که وب به دست آورد آن‌قدر دقیق بود که چندین مولکول را آشکار کند: بخار آب، متان، دی‌اکسید کربن، آمونیاک و گونه‌های دیگر. اما وقتی پژوهشگران تلاش کردند طیف مشاهده‌شده را با مدل‌های استاندارد جو سیاره‌ای تطبیق دهند، داده‌ها با هم جور درنمی‌آمدند. نشانه‌های مولکولی قابل مشاهده به شکلی تضعیف شده بودند که نشان می‌داد چیزی غیرعادی لایه‌های عمیق‌تر و گرم‌تر جو را پنهان کرده است.

ابرهای نمکی قطعه گمشده این معما را کامل می‌کنند

شبیه‌سازی‌هایی که ترکیب‌های گوناگون ابرها را در نظر گرفتند، سرانجام توانستند با طیف مشاهده‌شده به خوبی همخوان شوند. بهترین تطبیق از ابرهایی به دست آمد که از میعانات نمکی تشکیل شده بودند. این‌ها نمک‌های اقیانوسی نیستند که به هوا تبخیر شده باشند، بلکه نمک‌های معدنی‌اند که می‌توانند در جوهای سرد سیاره‌ای به صورت ذرات جامد شکل بگیرند. وقتی چنین ذراتی در ارتفاعات بالای جو تشکیل می‌شوند، نور را پراکنده و جذب می‌کنند و ویژگی‌های طیفی را می‌پوشانند که در حالت عادی فراوانی‌های شیمیایی لایه‌های عمیق‌تر را آشکار می‌کرد.

ابرهای نمکی چندین ویژگی عجیب را هم‌زمان توضیح می‌دهند. آن‌ها برخی نشانه‌های مولکولی را سرکوب می‌کنند و در عین حال اجازه می‌دهند برخی دیگر دیده شوند، رنگ ظاهری سیاره را تغییر می‌دهند و با جوی سردتر سازگارند که در آن گونه‌های نمکی می‌توانند میعان کنند. به گفته گروه پژوهشی، مدل‌هایی که شامل ابرهای نمکی بودند تنها راه فیزیکی پذیرفتنی برای سازگار کردن کل طیف با الگوهای واقع‌بینانه دما و ترکیب شیمیایی به شمار می‌رفتند.

این آشکارسازی یکی از نخستین شواهد روشن برای وجود لایه‌های ابری بر پایه نمک در جرمی سرد، با جرم سیاره‌ای و تصویربرداری‌شده به طور مستقیم است. همچنین نشان می‌دهد که تلسکوپ جیمز وب می‌تواند فیزیک جو را در جهان‌هایی بررسی کند که پیش‌تر از دسترس ما بیرون بودند.

یافته شگفت‌انگیز دیگر این است که به نظر می‌رسد جی‌جی ۵۰۴ بی نسبت به ستاره میزبان خود از عناصر سنگین غنی‌تر است؛ ویژگی‌ای که اخترشناسان آن را فلزینگی بالا می‌نامند. این غنا به چگونگی شکل‌گیری جرم مربوط می‌شود. آیا این جرم مانند یک سیاره غول‌پیکر، به تدریج با جذب گاز و مواد جامد ساخته شده است؟ یا بیشتر شبیه یک ستاره کوچک ناکام متراکم شده؟ فلزینگی و شیمی ابرها محدودیت‌های تازه‌ای برای پاسخ به این پرسش‌ها فراهم می‌کنند، اما هنوز بحث را به طور قطعی پایان نمی‌دهند.

چرا این کشف برای علم سیاره‌های فراخورشیدی مهم است

سیاره‌ها و کوتوله‌های قهوه‌ای با گذشت زمان سرد می‌شوند و هم‌زمان، گونه‌های شیمیایی مختلف به صورت ابر میعان می‌کنند. مشتری در منظومه شمسی خودمان این اصل را نشان می‌دهد: آمونیاک و آب در عمق‌های متفاوت، لایه‌های ابری تشکیل می‌دهند. شناسایی ابرهای نمکی روی یک همدم بسیار سرد و کم‌نور، درک ما از ریزفیزیک ابرها را به قلمروهایی گسترش می‌دهد که بیرون از منظومه شمسی به ندرت مشاهده شده‌اند.

این گسترش از دو جهت اهمیت دارد. نخست، مدل‌سازان را وادار می‌کند هنگام تفسیر طیف اجرام سرد دیگر، میعانات معدنی مانند نمک‌ها را نیز وارد محاسبات کنند. اگر این ابرها نادیده گرفته شوند، برآورد ترکیب شیمیایی و دما می‌تواند دچار سوگیری شود. دوم، به رصدگران نشان می‌دهد در کجا باید جست‌وجو کنند؛ برخی طول موج‌ها و ویژگی‌های طیفی نسبت به پراکندگی نور توسط ذرات نمکی حساس‌ترند و وب برای انجام چنین اندازه‌گیری‌هایی بسیار مناسب است.

در نگاه گسترده‌تر، این مطالعه یک روش کارآمد را نشان می‌دهد: ترکیب حساسیت فروسرخ وب با روش‌های دقیق حذف نور ستاره برای جداسازی همدم‌های کم‌نور. با این ابزارها، اخترشناسان می‌توانند بررسی جمعیتی از جهان‌های سرد و کم‌فروغ را آغاز کنند و بیازمایند که آیا ابرهای نمکی پدیده‌هایی نادر و عجیب‌اند یا نتیجه‌ای رایج در جو همدم‌های پیر و پرجرم.

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مورالس، پژوهشگر جوهای سیاره‌ای در آژانس فضایی اروپا، می‌گوید: «یافتن ابرهای نمکی انتظارهای ما از جوهای سرد را بازتعریف می‌کند. این فقط یک کنجکاوی رنگی نیست. ابرها تراز انرژی، شیمی و اثر انگشت‌های طیفی را که برای استنباط ترکیب جو به آن‌ها تکیه می‌کنیم تغییر می‌دهند. وب برای نخستین بار به ما توان می‌دهد این اثرهای ظریف را تشخیص دهیم و همین موضوع، رده تازه‌ای از سیاره‌ها را وارد مطالعات مقایسه‌ای می‌کند.»

سخن او اهمیت گسترده‌تر این کشف را به خوبی نشان می‌دهد. اکنون که فیزیک ابرهای نمکی وارد معادله شده است، گروه‌های پژوهشی طیف همدم‌های کم‌نور دیگر را دوباره بررسی خواهند کرد و برآوردهای پیشین از فراوانی عناصر را بازنگری می‌کنند. نتیجه این روند، تصویری دقیق‌تر و چندلایه‌تر از چگونگی تحول اجرام پرجرم و سیاره‌مانند در طول میلیاردها سال خواهد بود.

در گام‌های بعدی، اخترشناسان رصدهای وب را با تصویربرداری پرکنتراست زمینی و مأموریت‌های آینده ترکیب خواهند کرد تا نقشه‌ای از تغییرات ترکیب ابرها بر پایه دما، سن و جرم به دست آورند. هر طیف تازه مانند یک گزارش کوتاه آب‌وهوایی از آسمانی بیگانه عمل می‌کند و به ما می‌گوید آیا آن جو میزبان آمونیاک، یخ آب یا به شکلی جذاب، نمک‌های معدنی است.

سیاره صورتی دیگر فقط یک لقب جذاب نیست. این جرم به آزمایشگاهی طبیعی برای سنجش شیمی جو در دماهای پایین تبدیل شده و یادآوری می‌کند که تنوع جوهای سیاره‌ای بسیار فراتر از نمونه‌های آشنای منظومه شمسی است.