8 دقیقه
تلسکوپ فضایی جیمز وب اولین نقشه سهبعدی از جو یک سیاره فراخورشیدی را منتشر کرده است که مناطق سوزانی را نشان می‌دهد که مولکولهای آب در آنها به‌خاطر گرمای بسیار شدید از هم می‌پاشند. پژوهشگران با استفاده از «نقشهبرداری خسوفی طیفی» تغییرات دما و ترکیب شیمیایی در سطح سیاره WASP-18b را ترسیم کردند؛ یک مشتری فوق‌العاده داغ که سطح روز آن تقریباً تا ۵۰۰۰ درجه فارنهایت گرم می‌شود.
یک نخست سهبعدی: نقشهبرداری از یک مشتری فوق‌العاده داغ
WASP-18b بستر آزمایشی مناسبی برای فنون رصدی نوین است. این غول گازی که در فاصله‌ای حدود ۴۰۰ سال نوری از زمین قرار دارد، جرمی در حدود ده برابر مشتری دارد و تنها در ۲۳ ساعت یک دور به دور ستاره‌اش می‌چرخد. این سیاره به‌خاطر قفل گرانشی با ستاره میزبان، همواره یک نیم‌کره‌اش زیر تابش همیشگی ستاره قرار دارد در حالی که نیم‌کره دیگر تقریباً همیشه در تاریکی است. این اختلاف شدید دما، WASP-18b را به یک منبع فروسرخ قدرتمند برای JWST تبدیل میکند و آن را برای کاوش فیزیک جو در دماهایی تا حدود ۲۷۶۰ درجه سانتی‌گراد (حدود ۵۰۰۰°F) ایده‌آل می‌سازد.
این پژوهش که توسط تیم‌هایی از دانشگاه مریلند و دانشگاه کرنل هدایت شد و در ۲۸ اکتبر ۲۰۲۵ در نشریه Nature Astronomy منتشر گردید، نقشه روشنایی دو بعدی سال ۲۰۲۳ را گسترش داده و به بازسازی کامل سهبعدی شامل عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی و ارتفاع تبدیل کرده است. پیشرفت کلیدی در این کار ناشی از «نقشهبرداری خسوفی طیفی» است: اندازه‌گیری تغییرات جزئی نور ستاره در زمان‌هایی که سیاره پشت ستاره پنهان می‌شود در طول طول موجهای متعدد و سپس تبدیل آن سیگنال‌ها به مدلی لایه‌ای از دما و ترکیب شیمیایی.
چگونه نقشهبرداری خسوفی لایه‌ها را آشکار میکند
نقشهبرداری خسوفی از این واقعیت استفاده میکند که طول موجهای مختلف نور عمق‌های متفاوتی از جو را آشکار می‌سازند. ابزارهایی مانند آشکارساز و طیف‌سنج بدون شکاف نزدیک فروسرخ JWST (NIRISS) می‌توانند طیف‌ها را در بازه‌ای از طول موج‌ها هنگام خسوف ضبط کنند. هنگامی که بخش‌هایی از سوی روز پشت ستاره به‌تدریج پنهان میشوند، کاهش ظریف در شار در هر طول موج توزیع روشنایی در آن عمق جو را رمزگشایی میکند.
مگان وای‌نر منسفیلد، یکی از هم‌نویسندگان اصلی و دانشیار اخترشناسی در دانشگاه مریلند، می‌گوید: «این تکنیک عملاً تنها روشی است که می‌تواند هر سه بُعد عرض، طول و ارتفاع را هم‌زمان بررسی کند. این کار جزئیاتی فراتر از هر آنچه تاکنون برای مطالعه این اجرام آسمانی در اختیار داشتیم، ارائه می‌دهد.»
رایان چالنر، هم‌نویسنده مقاله از دانشگاه کرنل، افزود: «نقشهبرداری خسوفی به ما امکان می‌دهد سیارات فراخورشیدی را تصویر کنیم که به‌صورت مستقیم قابل مشاهده نیستند؛ چون ستاره‌های میزبانشان خیلی روشن‌اند. با این تلسکوپ و این روش نوین، می‌توانیم فهمی از سیارات فراخورشیدی به‌دست آوریم که شبیه آنچه درباره همسایگان منظومه شمسی‌مان می‌دانیم است.»
سیاره‌ای که آب در آن پایدار نمی‌ماند
نقشه سهبعدی، یک نقطه داغ متمرکز و دایره‌ای را روی سوی روز دائمی سیاره نشان می‌دهد و یک حلقه خنک‌تر نزدیک مرز روز و شب (ترمیناتور) را آشکار می‌سازد. لایههای طیفی که نسبت به بخار آب حساس هستند، فراوانی آب به‌مراتب کمتری در آن ناحیه بسیار داغ نسبت به نواحی خنک‌تر اطراف نشان میدهند. تفسیر ساده است: در دماهایی نزدیک به چند هزار درجه سانتی‌گراد، مولکولهای آب به‌دلیل انرژی حرارتی به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میشوند و بنابراین دیگر به‌عنوان مولکول آب تشخیص‌پذیر در جو ظاهر نمی‌شوند.
وای‌نر منسفیلد توضیح می‌دهد: «ما این پدیده را در سطح جمعیتی دیده‌ایم، جایی که می‌توان یک سیاره خنک‌تر با آب و سپس یک سیاره گرم‌تر بدون آب را مشاهده کرد. اما این نخستین بار است که می‌بینیم این جداسازی داخل یک سیاره رخ داده است. این یک جو واحد است، اما مناطق خنک‌تر آب را حفظ کرده‌اند و مناطق داغ‌تر جایی هستند که آب در حال شکستن است. این پیش‌بینی‌های نظری بود، اما دیدن آن به‌صورت مشاهدات واقعی بسیار هیجان‌انگیز است.»
زمینه علمی و روش‌ها
مشتریان فوق‌العاده داغ مانند WASP-18b در رژیمی قرار دارند که در آن تجزیه مولکولی، یونیزاسیون و فرآیندهای تابشی ساختار جو را به‌شکل قابل‌توجهی شکل میدهند. علاوه بر تجزیه آب، مولکول‌ها و گونه‌های اتمی دیگری مانند اکسید تیتانیوم (TiO) یا اکسید وانادیوم (VO) می‌توانند در دماهای بسیار بالا جذب‌کننده‌های غالب شوند و الگوهای گسیل فروسرخ را تغییر دهند. نقشههای سهبعدی جدید دادههای خسوفی چندطولیموجی، مدلسازی جو و تکنیک‌های وارونسازی (inversion) را ترکیب می‌کنند تا دماها را به واحدهای مجزای عرض-طول-ارتفاع یا «وکسِل»ها اختصاص دهند و دید حجمی به‌جای نقشه روشنایی تخت ارائه دهند.
این رویکرد روش‌هایی از JWST مانند طیف‌سنجی گذری (transit spectroscopy) که ترکیب لبه جو را بررسی میکند و پایش منحنی فاز (phase-curve monitoring) که انتقال گرما در طول طول جغرافیایی را دنبال میکند، تکمیل میکند. با تفکیک ارتفاع و مختصات سطحی، نقشهبرداری خسوفی طیفی شیمی و دینامیک را پیوند می‌دهد: جایی که گرما شدیدتر است مولکول‌ها می‌شکنند؛ جایی که خنک‌تر است، شیمی حفظ می‌شود.
این چه معنایی برای علم سیارات فراخورشیدی دارد
- اثبات مفهوم: این روش توانایی JWST را در تولید تشخیص‌های سهبعدی جو نشان می‌دهد و راه را برای بررسی بسیاری از مشتریان داغی که در میان بیش از ۶۰۰۰ سیاره فراخورشیدی تأییدشده شناخته شده‌اند، باز میکند.
- شیمی و گردش جو: نقشه‌هایی از این دست نشان میدهند چگونه تابش ستاره‌ای، بادها و اختلاط عمودی گرما و گونه‌های شیمیایی را در سراسر سیاره توزیع می‌کنند؛ نتیجه‌ای که مدلهای گردش جو را تأیید یا به چالش می‌کشد.
- سیاره‌شناسی مقایسه‌ای: با داشتن نمونه‌های بیشتر، اخترشناسان می‌توانند تجزیه جو را در طیفی از دماها و گرانش‌ها مقایسه کنند و زنده‌ماندن مولکول‌ها را به خصوصیات سیاره‌ای مرتبط سازند.
- فراتر از غول‌های گازی: پژوهشگران امیدوارند این روش را برای جهانهای کوچکتر و احتمالاً سنگی نیز تطبیق دهند؛ حتی برای سیارات بی‌هوا، نقشهبرداری خسوفی می‌تواند نقشههای دمای سطح را دنبال کند و نشانه‌هایی از ترکیب سطح را ارائه دهد.
دیدگاه کارشناسان
دکتر لنا اُرتیز، یک اخترفیزیکدان فرضی و مدل‌ساز جو در مؤسسه مطالعات سیارات فراخورشیدی، اظهار داشت: «دیدن تجزیه آب به‌صورت مکانی در طول یک سیاره یک نقطه عطف است. این امر پیش‌بینی‌های دیرپای شیمی دمای بالا را تأیید میکند و نشان می‌دهد که JWST می‌تواند سیگنال‌های عمودی و افقی که پیش‌تر با هم ترکیب شده بودند، جدا کند. گام بعدی اعمال این نقشه‌ها به یک نمونه متنوع است — سپس می‌توانیم تکامل جو را بر اساس تابش وارده و جرم سیاره ترسیم کنیم.»
چشم‌انداز آینده: نقشههای دقیق‌تر و سیارات کوچکتر
تیم پژوهشی اشاره میکند که مشاهدات بیشتر با JWST وضوح را بهبود خواهد بخشید و عدم قطعیت‌ها را کاهش خواهد داد، به‌گونه‌ای که نمونه‌برداری لایههای ارتفاعی فشرده‌تر و بازیابی‌های شیمیایی دقیق‌تر امکان‌پذیر شود. با افزایش زمان تلسکوپ و بهبود روش‌های نقشهبرداری، اخترشناسان انتظار دارند اطلس‌های سهبعدی جو برای ده‌ها یا حتی صدها مشتری داغ عبوری تولید کنند. تلاش‌های بلندپروازانه ممکن است این تکنیک را به قلمرو ساب-نپتون‌ها و سیارات زمینی سوق دهد، جایی که نقشهبرداری روزی می‌تواند تغییرپذیری سطح، الگوهای ابر یا حتی نشانه‌های غیرمستقیم حیات را تحت شرایط مناسب آشکار سازد.
فعلاً WASP-18b به‌عنوان یک پیش‌نمایش دراماتیک باقی می‌ماند: جهانی با سوی روز سوزان که عملاً آب را از هم می‌دراند و پیرامونی خنک‌تر که مولکول‌ها هنوز در آن پایدارند. آن تضاد که در سه بعد نقشهبرداری شده، به دانشمندان راهی نو و کامل‌تر برای خواندن وضعیت آب‌وهوا و شیمی سیارات فراتر از منظومه شمسی می‌دهد — و پرسش‌های جسورانه‌تری درباره رفتار جوها در شرایطی می‌پرسد که در زمین قابل تکرار نیستند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر