7 دقیقه
ما معمولاً سیارات فراخورشیدی غولآسا را بهعنوان مشتریهای بزرگ تصور میکنیم — نواربندیشده، طوفانی و آشنا. مشاهدات جدید و مدلهای اتمسفری نشان میدهد بسیاری از این «ابر-مشتریها» ممکن است بسیار متفاوت باشند: داغتر، قرمزتر و با ساختار ابری آشفتهتر از هر چیزی که در منظومهٔ شمسی دیدهایم. این یافتهها دید ما را نسبت به ابرغولهای گازی تغییر میدهد و پیامدهایی برای رصد مستقیم و تحلیل طیفی این اجرام دارد.
Jupiter, brown dwarfs and the mass gap
برای درک اینکه چه چیزی یک ابر-مشتری را غیرمعمول میسازد، لازم است زمینه را روشن کنیم. سیارات، کوتولههای قهوهای و ستارگان عمدتاً بر اساس جرم و واکنشهای هستهای قابل استمرار درونشان تفکیک میشوند. یک سیاره به اندازهای جرم دارد که تحت گرانش خودش به شکل کروی درآید اما برای راهاندازی همجوشی پایدار هیدروژن کافی نیست؛ در مقابل ستارگان دقیقاً همین همجوشی را انجام میدهند. میان این دو گروه کوتولههای قهوهای قرار میگیرند: اجرامی که برای همجوشی هیدروژن خیلی کوچکاند، اما گاهی به اندازهای بزرگ هستند که میتوانند مقدار کمی دوتریوم بسوزانند یا فرایندهای گرمایی خاصی را تجربه کنند.
بهطور تقریبی، اجرامی تا حدود 10 برابر جرم مشتری معمولاً بهعنوان سیاره طبقهبندی میشوند، در حالی که آنهایی که بالاتر از حدود 90 جرم مشتریاند بهعنوان ستاره شناخته میشوند. کوتولههای قهوهای در این محدودهٔ میانی قرار دارند. این طبقهبندی اهمیت دارد، زیرا جرم بر گرمای داخلی و رفتار اتمسفر تأثیر میگذارد — و همین عوامل شکل ظاهری جسم را هنگام تصویرگیری مستقیم تعیین میکنند. بهعبارت دیگر، جرم و فلوی گرمایی داخلی رابطهٔ پیچیدهای با ترکیب شیمیایی، چرخش و دریافت تابش از ستارهٔ میزبان دارند که مجموع اینها چشمانداز بصری و طیف نوری را شکل میدهد.
VHS 1256b: a super-Jupiter that glows red
یکی از اجرامی که در این حوزه بهخوبی مطالعه شده است VHS 1256b است. با جرمی نزدیک به 20 برابر مشتری، این شی در ناحیهٔ مرزی قرار دارد که بسیاری انتظار داشتند ظاهرش شبیه مشتری باشد. اما تصویربرداری مستقیم با تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) تصویری متفاوت را نشان میدهد: VHS 1256b نور سرخ-تیرهٔ قابلتوجهی ساطع میکند و دمای سطحی آن در حدود 1,300 کلوین برآورد شده است — بسیار داغتر از دمای تقریبی مشتری در حدود 170 کلوین.
طیفهای ثبتشده توسط JWST نشانههایی از اتمسفر بسیار ابری و پر گردوغبار را آشکار میکنند. این سامانههای طوفانی بزرگ و غبارآلود باعث تغییرات در درخشندگی سیاره میشوند و نوساناتی تولید میکنند که شباهتهایی با تغییرپذیری مشاهدهشده در ستارگان کوچک و خنک دارند. بهجای نوارهای قطعی و منظم استوایی که در مشتری میبینیم، اتمسفر این جرم بهصورت لکهای، پچپچوار و آشفته به نظر میرسد. این رفتار طیفی و زمانی، اطلاعات مهمی دربارهٔ ساختار عمودی دما، وجود کاندنساتها (متراکمیها) و توزیع ذرات معلق فراهم میآورد.
Why heat reshapes atmospheric patterns
در مشتری، نوارهای منظم و طوفانهای پایدار از توازن میان بادهای ناحیهای قوی (شرق–غرب) و تبادل گرما میان لایههای مختلف اتمسفر ناشی میشوند. ابر-مشتریها اما بسیار داغترند. این گرمای اضافی انرژی بیشتری به اتمسفر تزریق میکند و باعث تقویت حرکات عمودی و اختلاط توربولانت میشود. مدلسازان در مطالعهٔ جدید نشان میدهند که این آشفتگی تمایل دارد الگوی نواربندی آشنا را بشکند و لایههای ابری آشفته و طوفانهای موضعی پدید آورد.
به بیان فنیتر، افزایش گرمای داخلی و شار گرمایی درونی میتواند توان متراکمشدن و تبخیر مولکولها را تغییر دهد، و گونههای مولکولی مانند آب، متان و مونوکسید کربن بهصورت ترکیبی از جذب و پراکندگی نور عمل کنند. علاوه بر این، نرخ چرخش سیاره و شیب محوری آن نیز در ایجاد یا فروپاشی جتهای ناحیهای نقش دارد؛ بنابراین ترکیبِ ترکیب شیمیایی، فلوی گرمایی داخلی، سرعت چرخش و تابش ستارهای تعیین میکند که آیا یک ابرغول گازی نوارهای منظم نشان خواهد داد یا سطحی لکهدار و تحتتأثیر طوفان.
What this means for direct imaging and characterization
نمای هنری متداول یک جهان شبیه مشتری (راست) در مقایسه با تصویری مبتنی بر پژوهشهای جدید (چپ). (NASA/JPL-Caltech)
برای پژوهشگرانی که با تلسکوپهایی مانند JWST و رصدخانههای زمینی کار میکنند، این یافتهها انتظارات را بازتعریف میکند. تغییرپذیری فوتومتریک — نوسانات نور یا منحنی نور که ناشی از چرخش طوفانهاست — میتواند لکهدار بودن اتمسفر را حتی زمانی که تفکیک فضایی سیاره ممکن نیست، آشکار کند. طیفسنجی که گردوغبار و جاذبهای مولکولی مانند آب (H2O)، متان (CH4) و مونوکسید کربن (CO) را شناسایی میکند، به استنتاج ساختار دمایی و ترکیب ابرها کمک میکند. این اطلاعات برای تعیین توزیع دما در لایههای مختلف، اندازه ذرات ابری و ارتفاع پایهٔ ابرها حیاتی است.
بهصورت عملی، این بدان معناست که پژوهشها و پیمایشهایی که به دنبال شناسایی و طبقهبندی اجرام تصویرشده بهصورت مستقیم هستند باید از مدلهایی استفاده کنند که اتمسفرهای آشفته و غنی از غبار را در نظر میگیرند. تفسیر رنگها، طیفها و تغییرات روشنایی بدون در نظر گرفتن این پیچیدگیها ممکن است منجر به طبقهبندی نادرست اجرام، یا تخمینهای ناصحیح دما و جرم شود. بنابراین، روششناسیهای سنتی مبتنی بر فرض «مشتریهای بزرگ» بهتنهایی کفایت نمیکنند؛ لازم است مدلهای اتمسفر شامل انتقال حرارت عمودی، میکروفیزیک ابر و پراکندگی نور توسط ذرات گردوغبار باشند تا با دادههای JWST و رصدخانههای زمینی همخوانی داشته باشند.
Expert Insight
«گرمای داخلی بالاتر همهچیز را تغییر میدهد»، میگوید دکتر النا مارکس، اخترفیزیکدانی که اتمسفرهای فراسیارهای را مطالعه میکند. «وقتی دماها تا صدها یا هزاران کلوین افزایش مییابند، کاندنساتها تشکیل ابرهای معلق و گردوغبار میدهند. این مواد تابش را متفاوت جذب و پراکنده میکنند، و گردش اتمسفری از جتهای منظم به طوفانهای آشفته تغییر میکند. نتیجه سیارهای است که در قیاس با مشتری ظاهری بیگانه دارد.»
دکتر مارکس به این نکته اشاره میکند که ترکیبهای مختلف شیمیایی (مانند فراوانی عناصر تندیسه ــ بهویژه اکسیژن و کربن)، تاریخِ حرارتی و نرخ چرخش اثرات متفاوتی بر شکلگیری ابرها و توزیع ذرات خواهند داشت. او اضافه میکند که مقایسهٔ سناریوهای مختلف در شبیهسازیها و همراستا کردن آنها با دادههای زمانی و طیفی، کلید تفکیک بین اَبَرسیارهها و کوتولههای قهوهای گرم است.
مشاهدات آینده نمونهٔ گستردهتری از ابر-مشتریها و کوتولههای قهوهای گرم را هدف خواهند گرفت تا معلوم شود آیا VHS 1256b یک نمونهٔ رایج است یا یک استثنا. با بهبود ابزارها و وارد کردن فیزیک ابرهای پرآشوب در مدلها، ستارهشناسان خواهند توانست نقشهٔ دقیقتری از چگونگی ارتباط جرم و گرما با ظاهر بصری بزرگترین فراسیارهها ترسیم کنند. این پیشرفتها همچنین برای درک روندهای شکلگیری سیارات غولآسا، تکامل حرارتی آنها و نقش گردوغبار در انتقال حرارت اتمسفری اهمیت دارد.
منبع: sciencealert
نظرات
نووا_x
جذاب اما کمی اغراق داره، تا وقتی مدلها میکروفیزیک ابر و انتقال حرارت عمودی رو درست نزنن، نتیجهگیری زوده!
ابرچرخ
تو پروژهم دیدم گردوغبار چطور کل طیف رو عوض میکنه، این مقاله یادآور شد؛ ولی جزئیات میخوان نمونهٔ بیشتر
آستروپ
وای، یعنی این سیارات میتونن انقدر متفاوت باشن؟ تصویر مشتری باید بازنویسی شه... ذهنم رفت
ارسال نظر