عکس برداری نسل جدید از سیارات فراخورشیدی: کشف دنیای بیگانه با تلسکوپ جیمز وب

گشودن افق‌های نوین در تصویر‌برداری مستقیم از سیارات فراخورشیدی

با بهره‌گیری از قدرت بی‌نظیر تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، اخترشناسان وارد عصر تازه‌ای در مطالعه مستقیم سیارات فراخورشیدی شده‌اند؛ دنیایی از سیاره‌هایی که پیرامون ستارگان خارج از منظومه شمسی ما گردش می‌کنند. در پیشرفتی قابل توجه، پژوهشگران با استفاده از ابزارهای پیشرفته JWST موفق شده‌اند تصاویر مستقیمی از سیارات فراخورشیدی ثبت کنند که جزئیاتی مانند ابرهای جوی متشکل از ذرات ریز ماسه و همچنین دیسک‌های گردان مواد معدنی مانند الیوین، کانی سازنده سنگ قیمتی پریدوت روی زمین، را آشکار می‌سازد.

اهمیت علمی تصویر‌برداری مستقیم از سیارات فراخورشیدی

جستجوی سیارات فراخورشیدی به یکی از فعال‌ترین شاخه‌های اخترشناسی مدرن تبدیل شده و تاکنون نزدیک به ۶ هزار سیاره شناسایی شده است. اما تقریباً همه این سیارات با روش‌های غیرمستقیم کشف شده‌اند؛ یا با مشاهده کم‌نور شدن ملایم ستاره هنگام عبور سیاره از مقابل آن (روش گذر)، یا با اندازه‌گیری لرزش‌های گرانشی ستاره بر اثر حرکت سیاره به دور آن. تصویر‌برداری مستقیم سیاره، یعنی ثبت و تحلیل نور بازتاب یافته یا تابشی از خود سیاره، همچنان کمیاب و نیازمند فناوری پیشرفته است؛ به گونه‌ای که تاکنون از میان هزاران سیاره فراخورشیدی، تنها حدود ۸۰ مورد مستقیماً تصویربرداری شده‌اند که به علت کم‌نور، کوچک بودن و پوشاندگی نور ستاره‌ی میزبان رخ داده است.

تصویر‌برداری مستقیم اطلاعات منحصر به فردی ارائه می‌دهد که روش‌های غیرمستقیم قادر به دستیابی آنها نیستند و امکان تحلیل ترکیبات شیمیایی، الگوهای آب‌وهوایی و فرآیندهای فیزیکی در اتمسفر سیارات بیگانه را فراهم می‌کند.

سامانه YSES-1؛ رمزگشایی از اسرار سیاره‌ای

موضوع اصلی این مطالعه با JWST، سامانه ستاره‌ای YSES-1 است که در فاصله ۳۰۶ سال نوری از زمین واقع شده است. YSES-1 ستاره‌ای جوان بوده که دو سیاره گازی غول‌پیکر با نام‌های YSES-1b (در فاصله ۱۶۰ واحد نجومی از ستاره) و YSES-1c (در فاصله ۳۲۰ واحد نجومی) به دور آن گردش می‌کنند. در مقایسه، نپتون فقط ۳۰ واحد نجومی از خورشید فاصله دارد. این سیارات نه تنها بسیار دور از ستاره خود هستند، بلکه از نظر جرم نیز بسیار بزرگند؛ YSES-1c دارای جرمی حدود شش برابر مشتری است و YSES-1b نیز جرمی در حدود ۱۴ برابر مشتری دارد و تقریباً در مرز طبقه‌بندی به‌عنوان کوتوله قهوه‌ای قرار می‌گیرد.

تلاش‌های اولیه برای مشاهده این سیارات حاکی از ویژگی‌های جوی جالب توجه بود اما ابزارهای رایج فاقد وضوح لازم برای تحلیل دقیق بودند. ورود ابزار پیشرفته NIRSpec (طیف‌نگار فروسرخ نزدیک) بر روی JWST، شرایط را تغییر داد. به گفته کیلان هوخ، اخترفیزیکدان موسسه علوم تلسکوپ فضایی و سرپرست پژوهش: «با ابزار NIRSpec می‌توانیم در هزاران طول موج متفاوت به‌طور همزمان تصویر بگیریم و طیف گرمایی سیاره را استخراج کنیم.»

رمزگشایی ترکیبات اتمسفر سیارات فراخورشیدی با JWST

با تجزیه نور عبوری از اتمسفر سیارات فراخورشیدی، اخترشناسان می‌توانند ترکیبات مولکولی موجود را شناسایی کنند. هر عنصر شیمیایی طول موج خاص را جذب می‌کند و طیف منحصر به فردی به جا می‌گذارد. هوخ توضیح می‌دهد: «وقتی نور ستاره از اتمسفر یک سیاره می‌گذرد، مولکول‌ها بخش‌هایی از آن را جذب می‌کنند و افت‌های مشخصی در روشنایی سیاره در طول موج‌های خاص ایجاد می‌شود که به ما اجازه می‌دهد ترکیب اتمسفر را تعیین کنیم.»

دستاوردهای نوین: ابرهای سیلیکاتی و حلقه الیوین

مشاهدات JWST کامل‌ترین مجموعه داده‌های طیفی را از یک سامانه چند سیاره‌ای دوردست ارائه داده است. این اطلاعات نشان داد هر دو سیاره YSES-1b و YSES-1c دارای اتمسفر غنی از بخار آب، منوکسید کربن، دی‌اکسید کربن و متان هستند که ترکیباتی رایج در جو سیاراتند. با این حال، بررسی دقیق‌تر، تفاوت‌هایی چشمگیر بین دو دنیا نشان داد.

ابرهای ماسه‌ای در YSES-1c

طیف YSES-1c نشان‌دهنده ویژگی‌های مولکولی گسترده‌ای از آب، دی‌اکسید کربن، منوکسید کربن و متان بود. جالب‌تر اینکه در طول موج‌های بلندتر، الگوهای جذبی آشکار شد که با ذرات سیلیکاتی – در اصل دانه‌های ریز ماسه – در لایه‌های بالایی اتمسفر مطابقت دارد. مدل‌های آزمایشگاهی حاکی از این است که ممکن است این سیلیکات‌ها مقدار کمی آهن نیز داشته باشند که می‌تواند از ابرها به صورت «باران» ته‌نشین شود. هوخ می‌افزاید: «ما داده‌های آزمایشگاهی را برای مطابقت با ترکیبات سیلیکاتی به‌کار بردیم و ویژگی ذرات را ارزیابی کردیم. بعضی ترکیب‌ها به ذرات ریز سیلیکات آمیخته با آهن اشاره دارد، هرچند حتی سیلیکات خالص هم می‌تواند نتایج ما را توضیح دهد.»

حلقه غیرمنتظره الیوین پیرامون YSES-1b

در حالی که در اتمسفر YSES-1b نشانه‌ای از حضور سیلیکات دیده نشد، کشف مهم‌تری حاصل شد: امضای طیفی غبارهای ریز الیوین که دیسکی را به دور سیاره شکل داده‌اند. الیوین کانی آتشفشانی رایج در زمین و شهاب‌سنگ‌هاست و حضور آن به شکل گرد و غبار پیرامون سیاره فراخورشیدی امری غیرمنتظره است، چرا که این ماده معمولاً طی حدود ۵ میلیون سال ته‌نشین می‌شود. سن تخمین‌زده شده سامانه YSES-1 برابر با ۱۶.۷ میلیون سال است و حضور الیوین احتمالاً ناشی از برخورد کیهانی اخیر است که JWST در لحظه‌ی نادر آن را ثبت کرده است.

هوخ توضیح می‌دهد: «انتظار داشتیم در YSES-1c ابر ببینیم زیرا این نوع جوها اغلب ابری هستند، اما ویژگی‌هایی مشاهده کردیم که پیش‌تر در کوتوله‌های قهوه‌ای ندیده بودیم. اما حلقه به دور YSES-1b کاملاً غافلگیرکننده بود.»

پیامدهای علمی و چشم‌انداز آینده

این کشفیات بی‌سابقه نه تنها عمیق‌ترین نگاه را به آب‌وهوا و شیمی سیارات بیگانه ارائه می‌کند، بلکه سوالات جدیدی را نیز مطرح می‌نماید. مانند اینکه چه فرآیندهایی باعث شکل‌گیری و ماندگاری ابرهای سیلیکاتی و گرد و غبار الیوین در این شرایط شدید می‌شود؟ و چقدر این پدیده‌ ها میان غول‌های گازی رایج است؟

سامانه YSES-1 اکنون به آزمایشگاهی مهم برای علم سیارات فراخورشیدی تبدیل شده و نشان می‌دهد چگونه تلسکوپ‌های نوآورانه‌ای مانند جیمز وب می‌توانند به پیچیدگی‌های سامانه‌های سیاره‌ای دوردست پی ببرند.

هوخ اظهار می‌دارد: «تحولات اخترفیزیک به همان اندازه که پاسخ می‌آورند، پرسش‌های تازه‌ای نیز ایجاد می‌کنند. حلقه اطراف YSES-1b نمونه بارز این موضوع است. ما تازه قدم به درک تکامل و شکل‌گیری جو در این محیط‌ها گذاشته‌ایم و ادامه مطالعات روی انواع سامانه‌های سیارات فراخورشیدی به رفع این خلأ دانشی کمک خواهد کرد.»

افزون بر این، این پروژه نشان‌دهنده نقش مهم پژوهشگران جوان است. هوخ توضیح می‌دهد: «این تحقیق توسط دانشمندان جوان هدایت شد—زمانی که پیشنهاد تصویربرداری از YSES-1 با JWST را دادم، دانشجوی دکترا بودم و این تلسکوپ حتی راه‌اندازی نشده بود. نویسندگان اصلی مقاله نیز از میان دانشجویان و پژوهشگران تازه‌کار هستند. موفقیت آن‌ها اهمیت سرمایه‌گذاری در استعدادهای نوین اخترفیزیک را نشان می‌دهد.»

جمع‌بندی

تصویر‌برداری مستقیم JWST از سامانه YSES-1 نقطه عطفی در پژوهش سیارات فراخورشیدی به‌شمار می‌رود. با شناسایی ابرهای ماسه‌ای جوی و حلقه معدنی، اخترشناسان اکنون برای نخستین بار می‌توانند دینامیک آب‌وهوا، شیمی و حتی رخدادهای تصادفی کیهانی شکل‌دهنده آسمان سیارات دوردست را بررسی کنند. با ادامه رصدهای JWST، هر داده جدید وعده افق‌های گسترده‌تری از شناخت و پرسش‌های نو درباره تنوع و پیچیدگی سیارات کهکشان ما را به همراه دارد.