ردپای آب نیمه سنگین در جو سیاره فراخورشیدی واسپ-۳۹بی

تصور کنید در جهانی در فاصله ۷۰۰ سال نوری، خویشاوندی سنگین‌تر از آب پیدا شود. این همان نشانه بحث‌برانگیزی است که از داده‌های تازه تلسکوپ فضایی جیمز وب درباره غول گازی پف‌کرده واسپ-۳۹بی به دست آمده است.

رصدخانه وب برای شناسایی ردپاهای کم‌نور فروسرخ ساخته شد، و اینجا همین ردپاها داستان مولکول‌هایی با جرم اضافی را روایت می‌کنند: آبی که دوتریم، ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن، در خود دارد. دانشمندان طیف عبوری این سیاره را مدل‌سازی کرده‌اند و می‌گویند ویژگی‌هایی دیده‌اند که با آب نیمه‌سنگین، اچ‌دی‌او، سازگار است.

چرا یک نوترون اهمیت دارد؟ زیرا نسبت دوتریم به هیدروژن، مانند یک کپسول زمان شیمیایی عمل می‌کند. این نسبت می‌تواند نشان دهد که آب یک سیاره در همان محل شکل گرفته، هنگام مهاجرت سیاره به درون سامانه کشیده شده، یا بر اثر از دست رفتن آرام مولکول‌های سبک در فضا دگرگون شده است. جمله کوتاه است. پیامدش بزرگ.

یک مولکول آب نیمه‌سنگین از یک اتم هیدروژن، یک اتم دوتریم و یک اتم اکسیژن (به رنگ قرمز) تشکیل شده است.

واسپ-۳۹بی جای دلپذیری نیست. این سیاره در فاصله‌ای بسیار نزدیک به ستاره‌ای خورشیدمانند می‌چرخد، زیر فشار گرما و تابش شدید باد می‌کند و دمای آن به حدود هزار درجه سانتی‌گراد می‌رسد. گرانش کم و تابش نیرومند ستاره‌ای باعث می‌شود فرار جوی نقشی واقعی در شکل دادن به ترکیب آن داشته باشد. اگر آب معمولی سبک‌تر به طور ترجیحی تبخیر شود، هوای باقی‌مانده به طور نسبی از آب نیمه‌سنگین غنی‌تر می‌شود.

از سوی دیگر، این سیاره شاید زندگی خود را در فاصله‌ای دورتر از دیسک پیش‌سیاره‌ای آغاز کرده باشد؛ فراتر از خط برف، جایی که یخ‌ها فراوان‌اند و به طور طبیعی سطح دوتریم بالاتری دارند. سیاره‌ای مهاجر که در نواحی سرد، مواد جامد سرشار از آب را گردآوری کرده باشد، می‌تواند در نزدیکی ستاره خود با همان امضای ایزوتوپی حاضر شود. هر دو مسیر، یعنی فرار جوی یا مهاجرت سیاره‌ای، محتمل‌اند. هر دو نیز ردپای شیمیایی مشابهی برجا می‌گذارند.

طیف عبوری واسپ-۳۹بی، که به اخترشناسان امکان می‌دهد جو یک سیاره فراخورشیدی را تشخیص دهند. محور عمودی مقدار نوری را نشان می‌دهد که واسپ-۳۹بی مسدود می‌کند و جو آن جذب می‌کند؛ طول موج‌های مشخص (محور افقی) با مولکول‌های متفاوت متناظرند.

پژوهشگران چگونه به این نتیجه رسیدند؟ با مقایسه چندین مدل جوی با طیف عبوری دقیق جیمز وب برای واسپ-۳۹بی، و با در نظر گرفتن ساختار دما، ابرها و شیوه جذب نور فروسرخ توسط مولکول‌های مختلف. این سیاره برای شیمی‌دانان سیارات فراخورشیدی یک فرصت کم‌نظیر است: با هر چهار ابزار اصلی وب رصد شده و چیزی را پدید آورده که پژوهشگران آن را دقیق‌ترین طیف عبوری به دست آمده از هر جهان بیگانه تا امروز می‌نامند.

مقایسه نسبت دوتریم به هیدروژن و نسبت‌های آب نیمه‌سنگین به آب معمولی در اجرام و اجزای گوناگون آسمانی.

نتیجه این است: نسبت برآوردی دوتریم به هیدروژن به شکل قابل توجهی بالاتر از چیزی است که در غول‌های گازی منظومه شمسی می‌بینیم. این تفاوت یک سرنخ است، نه حکم قطعی. اختلاط جوی، فوتوشیمی ناشی از ستاره میزبان و عدم قطعیت در پارامترهای مدل، همگی می‌توانند نسبت استنباط‌شده را جابه‌جا کنند. نویسندگان این ملاحظات را می‌پذیرند و بر نیاز به مدل‌سازی بیشتر و رصدهای پیگیری تأکید دارند.

زاویه مهم دیگری هم وجود دارد. آب نیمه‌سنگین امضای طیفی متمایزی دارد و همین ویژگی آن را به یکی از دسترس‌پذیرترین هم‌ساخت‌های ایزوتوپی برای مطالعه از راه دور تبدیل می‌کند. اگر وب بتواند آب نیمه‌سنگین را در یک غول گازی فوق‌داغ آشکار کند، روش‌های مشابه شاید روزی غنی‌شدگی دوتریم را در جهان‌های سنگی و خنک‌تر نیز نشان دهند؛ جایی که آب، یا تاریخچه آن، برای پرسش درباره زیست‌پذیری اهمیت دارد.

واسپ-۳۹بی، که در سال ۲۰۱۱ کشف شد، بیش از ۲۰ برابر نزدیک‌تر از فاصله ما تا خورشیدمان، به دور ستاره خورشیدمانند خود می‌چرخد. با وجود این نزدیکی، ممکن است سه برابر زحل بسیار سردتر ما آب داشته باشد. 

فعلا خود واسپ-۳۹بی نامزد زندگی نیست. یک آزمایشگاه است. آزمایشگاهی جوشان. این آشکارسازی، که در یک پیش‌چاپ تازه در آرکایو گزارش شده، مسیر تازه‌ای برای پرسش باز می‌کند: آیا می‌توانیم از نسبت‌های ایزوتوپی به عنوان اثر انگشت‌های سیاره‌ای استفاده کنیم تا بفهمیم جو سیارات فراخورشیدی کجا و چگونه شکل گرفته و تکامل یافته است؟

هیچ مشاهده واحدی این کتاب را به پایان نمی‌رساند. اما هر رد طیف‌سنجی صفحه‌ای به آن اضافه می‌کند، و وب سریع‌تر از هر تلسکوپ پیش از خود در حال نوشتن است.