10 دقیقه
اندازه‌گیری‌های تازه از صفحهٔ کمربند کویپر نشان میدهد میان اجرامی که خیلی فراتر از نپتون در مدارند، یک شیب غیرمنتظرهٔ حدوداً ۱۵ درجه‌ای یافت شده است. پژوهشگران می‌گویند این اختلال میتواند با وجود یک دنیای سنگی و پنهان توجیه شود — سیارهای کوچک‌تر از زمین اما بزرگ‌تر از عطارد — که در بخش‌های دوردست سامانهٔ خورشیدی در گردش است. این یافته سرنخ تازه‌ای در جستوجوی طولانی برای کشف سیارات مخفی فراتر از پلوتو فراهم میکند.
معمای ۱۵ درجه در کمربند کویپر
ستاره‌شناسان و اخترفیزیکدانان دانشگاه پرینستون صفحهٔ مدار صدها جرم فرا-نپتونی را اندازه‌گیری کرده و تغییر جهت قابل‌توجهی را شناسایی کردند. اجرامی که تقریباً بین ۸۰ تا ۲۰۰ واحد نجومی (AU) از خورشید قرار دارند، نسبت به صفحهٔ غیرقابل‌تغییر سامانهٔ خورشیدی حدود ۱۵ درجه انحراف نشان میدهند و پژوهشگران این نتیجه را با سطح اطمینان آماری ۹۶–۹۸ درصد گزارش کرده‌اند. مدل‌سازی‌های تکمیلی احتمال مثبت کاذب بودن این شیب را تنها در حدود ۲–۴ درصد تخمین زده‌اند.
کمربند کویپر یک حلقهٔ وسیع و مسطح از اجرام یخی است که از حدود ۳۰ تا ۵۰ واحد نجومی گسترده شده و پلوتو و هزاران جسم کوچک‌تر را در خود جای داده است. فراتر از لبهٔ شناخته‌شدهٔ کمربند کلاسیک، جمعیتی از اجرام دور و به اصطلاح «جداشده» وجود دارد که مدارهایشان به‌طور قوی تحت کنترل نپتون نیست. پژوهشگران با تحلیل جهت‌گیری‌های مداری در یک بازهٔ گستردهٔ فاصله — نیم‌قطرهای بزرگ از ۵۰ تا ۴۰۰ واحد نجومی — به دنبال خروج از یک صفحهٔ مسطح واحد گشتند و یک شکنج (warp) متمرکز و محلی‌شده را در گسترهٔ ۸۰ تا ۲۰۰ AU یافتند.
یافتن و بررسی این نوع ناهمواری در توزیع مداری کمک میکند تا ساختار کلی و دینامیک کمربند کویپر بهتر شناخته شود. این نتایج مستقیماً با موضوعات کلیدی اخترفیزیک منظومهٔ شمسی مرتبط است، از جمله دینامیک سیارات کوچک، تاریخچهٔ مهاجرت سیارهای و احتمال وجود اجرام دوردستی که هنوز ردیابی نشده‌اند. همچنین تحلیل‌های آماری و شبیه‌سازی‌های بلندمدت برای تفکیک سیگنال حقیقی از نویز مشاهداتی اهمیت ویژه‌ای دارد.
چگونه تیم، این شکنج را شناسایی کرد — و چرا دیدن دنیاهای پنهان سخت است
شناسایی اجرام کم‌نور در نواحی دوردست سامانهٔ خورشیدی بسیار دشوار است. در این فواصل، اجرام کمربند کویپر نور بسیار کمی از خورشید بازتاب میدهند و بهخاطر دمای بسیار پایین، تابش حرارتی در ناحیهٔ فروسرخ ناچیز است. به‌جای جستوجوی مستقیم برای یک سیارهٔ کم‌نور، پژوهشگران از روشی غیرمستقیم استفاده کردند: آنها صفحهٔ کلی کمربند کویپر را بازمحاسبه کردند و به‌طور صریح اصلاحاتی برای سوگیریهای مشاهدهای که میتواند داده‌های پیمایش را مخدوش کند، اعمال نمودند.
سوگیریهای مشاهدهای (observational biases) شامل مواردی مانند جهت‌پوشانی آسمان که تلسکوپ‌ها بیشتر در آن ناحیه کار کرده‌اند، محدودیت عمق تصویر و زمان‌بندی رصدهاست. بدون تصحیح چنین سوگیری‌هایی، توزیع زاویه‌ای مدارها میتواند به‌اشتباه به‌عنوان نشانهٔ ساختار فیزیکی تعبیر شود. لذا تصحیح آماری و بازنمون‌گیری (resampling) برای به‌دست‌آوردن تصویر قابل‌اعتمادتری از صفحهٔ مداری ضروری بود.
اخترفیزیکدانان دانشگاه پرینستون، امیر سراج، کریستوفر چایبا و اسکات ترمین، روش تصحیح‌شده برای سوگیری را بر روی نمونه‌ای شامل ۱۵۴ جرم فراتر از نپتون اعمال کردند. آنها این فرض را مطرح کردند که اگر عامل خارجی پرت‌کننده‌ای وجود نداشته باشد، جهت‌گیری‌های مداری در هر بازهٔ فاصله باید نزدیک به یک صفحهٔ مسطح واحد قرار بگیرند. این الگو برای اجرام در بازهٔ ۵۰–۸۰ AU و نیز برای اجرام بسیار دور در ۲۰۰–۴۰۰ AU برقرار بود، اما مجموعهٔ ۸۰–۲۰۰ AU انحراف غیرمنتظره‌ای نشان داد.
این رویکرد ریشه در سابقهٔ تاریخی دارد: نپتون و حتی پلوتو تا حدی از طریق مطالعهٔ رفتار غیرعادی مداری سیارات و اجرام رصدپذیر آن زمان شناخته شدند. استفاده از دینامیک مداری به‌عنوان یک راهنما از دیرباز یکی از استراتژی‌های کشف اعضای پنهان سامانهٔ خورشیدی بوده است. در شرایط کنونی، با وجود داده‌های جدید و پایگاه‌های دادهٔ بزرگ‌تر اجرام فرا-نپتونی، این روش‌ها دوباره کاربردی و پربازده شده‌اند.
از دیدگاه رصدی، چالش دیگر تعیین مکان فعلی یک سیارهٔ محتمل است؛ حتی اگر جرم و فاصلهٔ آن حدوداً محدود شده باشد، فقدان اطلاعات زمان کنونی در امتداد مدار (phase) جستوجوی مستقیم رصدی را بسیار دشوار میکند. بنابراین ترکیب استراتژی‌های غیرمستقیم مانند تحلیل آثار گرانشی با ابزارهای آینده‌نگر رصدی اهمیت دارد.
شبیهسازیها به سوی یک سیارهٔ کوچک مایل — موسوم به «سیاره Y» اشاره می‌کنند
برای آزمون علل احتمالی، تیم پژوهشی شبیه‌سازی‌های N-جسمی را اجرا کرد که تعاملات گرانشی را در مقیاس میلیون‌ها سال مدل می‌کنند. تنها پیکربندی که توانست شکل دیده‌شدهٔ شکنج را با کیفیت معقولی بازتولید کند، شامل یک سیارهٔ کوچک بود — در محدودهٔ اندازهٔ میان عطارد و زمین — که در بازهٔ حدودی ۸۰ تا ۲۰۰ AU در گردش است و دارای میل مداری متواضعی در حدود ۱۰ درجه نسبت به صفحهٔ سامانهٔ خورشیدی می‌باشد. نویسندگان برای این جهان فرضی نام غیررسمی «سیاره Y» را پیشنهاد کردند.
پارامترهای پیشنهادی شبیهسازیها شامل بازهٔ فاصلهٔ نسبتاً مشخص، برآوردی از جرم (زیر-زمین) و شیب مداری می‌شود که همگی مجموعه‌ای از نشانه‌ها را برای ردیابی رصدی فراهم می‌آورند. این پارامترها به معنی آن است که روندهای گرانشی بلندمدت، حتی از جانب اجرامی با جرم کمتر از زمین، می‌توانند ساختار کلی توزیع اجرام دوردست را تغییر دهند و باعث ظهور یک شکنج محلی گردند.
در سطح نظری، وجود یک جرم کوچک مایل میتواند با اثرات تدریجی اما تجمعی مدارهای اجرام جِداشده و پراکندهٔ کمربند کویپر را جابه‌جا کند، توده‌های محلی را به هم بریزد و توزیع زاویه‌ای را به‌گونه‌ای منحرف سازد که در مشاهدات فعلی آشکار شده است. بسته به جرم دقیق و شیب مداری، این سیاره ممکن است نقش مهمی در تحولات دینامیکی اولیهٔ سامانهٔ خورشیدی و در فرآیندهای تبادل انرژی میان اجرام کوچک ایفا کند.
علیرغم این نتایج، پژوهشگران تأکید می‌کنند که پیشنهاد «سیاره Y» یک کشف مستقیم نیست بلکه یک توضیح منطقی برای الگوی مشاهده‌شده است. روش علمی مستلزم آزمون‌های رصدی و مدل‌سازی بیشتر است تا جایگزین‌های دیگر — مانند اثرات جمعی از چند جرم کوچک یا سوگیریهای باقیمانده در داده‌ها — به‌دقت کنار گذاشته شوند.
قابلیت آشکارسازی و راهبردهای آینده
چنین سیارهای به‌راحتی از طریق روشهای نوری قابل کشف نخواهد بود. یک سیارهٔ سنگی در این فواصل کوچک و تیره است و مقدار بازتاب نور خورشید از سطح آن بسیار کم خواهد بود. از سوی دیگر، انتشار حرارتی از سطح آن بسیار ناچیز است و در باندهای فروسرخ میانی نیز ممکن است قابل‌تشخیص نباشد. بدون دانستن مکان فعلی در امتداد مدار، جست‌وجوهای هدفمند دشوار می‌شود.
با این حال، تحلیل ارائه‌شده یک مسیر عملی برای رصدهای آتی فراهم میکند: محدودهٔ فاصلهٔ محدود شده، پنجرهٔ جرمی محتمل (زیر-زمین) و برآورد شیب مداری، همگی می‌توانند طراحی پیمایشهای میدان‌گستردهٔ آینده را هدایت کنند. ابزارهایی مانند رصدخانهٔ روبین (Vera C. Rubin Observatory / LSST)، ماموریت‌های فروسرخ میدان-گسترده و تحلیل‌های پیوستهٔ داده‌های بزرگ می‌توانند با هدف‌گیری منطقهٔ مشخص‌شده، شانس کشف را افزایش دهند.
استفاده از تکنیک‌های غیرمستقیم دیگر نیز مفید است: اندازه‌گیری‌های حرکتی و اپتیکی بلندمدت برای آشکارسازی حرکت ظریفِ یک جرم، تحلیل تغییرات مدارهای شناخته‌شدهٔ اجسام کوچک به‌عنوان «ردپاهای گرانشی» و ترکیب داده‌های چندباندی برای محدودسازی آلبدو و خواص سطحی جرم محتمل. از نظر فناوری، بهبود حسگرهای فروسرخ با حساسیت بالا و پیشروی در تحلیل‌های دادهٔ بزرگ (big data) و یادگیری ماشین میتواند در تشخیص اجرام کم‌نور در فواصل زیاد نقش تعیین‌کننده‌ای داشته باشد.
تأثیر بر فرضیهٔ سیاره نُه و دانش پیرامون مناطق دوردست سامانهٔ خورشیدی
وجود احتمالی سیارهٔ Y، فرضیهٔ جداگانه و دیرپای «سیارهٔ نه» را که در فراتر از ≈۴۰۰ AU مطرح شده، حل نمیکند. در عوض، این نتیجه نشان میدهد که سامانهٔ خورشیدی بیرونی ممکن است میزبان چندین جهان کوچک‌تر و پنهان باشد که به‌طور ظریف ساختار اجرام کم‌وسعت دوردست را شکل میدهند. تأیید سیارهٔ Y میتواند مدل‌های شکل‌گیری و مهاجرت سیارهای را بازنویسی کند و بر طراحی پیمایشهای میدان‌گسترده و ابزارهای فروسرخ آینده برای کاوش لبه‌های سرد و تاریک سامانهٔ ما تأثیر بگذارد.
فراتر از کشف صرف، مطالعهٔ چنین سیارهای به پاسخ‌دادن به پرسش‌های گسترده‌تری کمک میکند: چه مقدار سیارات کوچک در شعاع‌های بزرگ شایع‌اند، نقش آنها در رساندن اجرام به نواحی درونی سامانه چیست، و چگونه می‌توانند محدودیت‌هایی را بر تاریخ دینامیکی اولیهٔ سامانهٔ شمسی تحمیل کنند؟ به‌ویژه، شناخت ترکیب، جرم و مدار این اجرام به بازسازی سناریوهای اولیهٔ نابسامانی‌ها، برخوردها و مهاجرت‌های ناپایدار که به شکل‌گیری ساختار فعلی منتهی شد، کمک میکند.
دیدگاه کارشناسان
دکتر النا مورالس، ستاره‌شناس رصدی در مؤسسهٔ علوم تلسکوپ فضایی (نمونهٔ فرضی) می‌گوید: «کمربند کویپر مانند یک رکورد فسیلی از گذشتهٔ سامانهٔ خورشیدی است. وقتی بخشی از آن رکورد از چارچوب طبیعی خارج می‌شود، نشانهٔ قوی است از اینکه گرانش در حال انجام کاری است که هنوز کامل درک نکرده‌ایم. یافتن یک پرت‌کنندهٔ کوچک بین ۸۰ تا ۲۰۰ AU میتواند تحول‌آفرین باشد: اگر رصدگران بدانند کجا را جست‌وجو کنند، این هدف در دسترس پیمایشهای فعلی و آینده قرار دارد.»
امیر سراج، یکی از هم‌نویسندگان مقاله، اهمیت موضوع را خلاصه کرد: «یک توضیح ممکن حضور یک سیارهٔ پنهان است، احتمالاً کوچک‌تر از زمین و احتمالاً بزرگ‌تر از عطارد، که در دورترین بخش‌های سامانهٔ خورشیدی در حال گردش است.» او تأکید کرد که مقاله ادعای کشف مستقیم ندارد، بلکه معمای محکمی را معرفی میکند که وجود یک سیاره میتواند توضیحی معقول برای آن باشد.
این اندازه‌گیری جدید و شبیهسازیها در نشریهٔ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters منتشر شده‌اند. با عمیق‌تر شدن پیمایشهای آسمانی و پیشرفت مدل‌های محاسباتی، اخترشناسان پارامترهای تازه‌ای برای هدف‌گیری در اختیار دارند. چه سیارهٔ Y در سال‌های آینده به‌صورت مستقیم ظاهر شود و چه شیب ناشی از مکانیزم دیگری باشد، این کشف پتانسیل سامانهٔ خورشیدی بیرونی را به‌عنوان یک آزمایشگاه برای دینامیک سیارهای و کشف‌های نو برجسته می‌سازد.
در مجموع، این یافته ترکیبی از روشهای آماری، دینامیک مداری و شبیه‌سازی‌های طولانی‌مدت را نشان میدهد که می‌توانند به‌طور متقابل یکدیگر را تایید یا رد کنند. مرحلهٔ بعدی شامل رصدهای هدفمند، تحلیل دقیق‌تر سوگیریهای مشاهدهای، و اجرای شبیه‌سازی‌های گسترده‌تر با پارامترهای مختلف خواهد بود تا تخمین‌های جرم و مدار دقیق‌تر و نقشهٔ احتمالی‌تری از جایگاه این جرم پنهان ارائه شود.
منبع: sciencealert
ارسال نظر