8 دقیقه
در فاصلهای حدود ۸۸۰ سال نوری، یک غول گازی سوخته عملاً بخشی از خود را به فضای پیرامون میریزد. مشاهدات تازه از تلسکوپ فضایی جیمز وب نشان میدهد که WASP-121b (با لقب تایلوس)، یک مشتری فوقگرم، نه یک بلکه دو دُم عظیم هلیومی دارد که تقریباً ۶۰ درصد از مدار آن را پوشاندهاند. این نمای پیوسته از فرار جو، روشنترین تصویر تا کنون را از چگونگی پاکسازی جو یک سیاره توسط محیطهای ستارهای خشن فراهم میکند و بینشی عمیق درباره فرایندهای فرار اتمسفری و تعامل ستاره-سیاره ارائه میدهد.
تماشایی شبیه دنبالهدار: جیمز وب دقیقاً چه چیزی را دید
WASP-121b دنیایی بسیار افراطی است. اندازهای در حد مشتری دارد اما آنقدر به ستارهاش نزدیک است که یک سال در آن سیاره تنها حدود ۳۰ ساعت طول میکشد؛ به همین دلیل سطح و بخشهای بالایی جو آن تحت تابش شدید ستارهای قرار دارند. این انرژی جو فوقانی را تا هزارها درجه گرم میکند و گازهای سبکتر مانند هیدروژن و هلیوم را وادار به فرار میسازد. پیش از این نیز نشانههایی از از دست دادن جو در سیارات فراخورشیدی مشاهده شده بود، اما معمولاً بهعنوان سیگنالهای کوتاه در زمان گذر سیاره مقابل قرص ستاره ثبت میشد. دادههای جدید جیمز وب اما بیش از یک مدار کامل را پوشش میدهد — تقریباً ۳۷ ساعت پیوسته — که به دانشمندان امکان پیگیری فرایند فرار جو در طول زمان را میدهد و ثبت دینامیکهای پیچیدهتر را ممکن میسازد.
با استفاده از ابزار NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) روی جیمز وب، تیم تحقیقاتی به دنبال خطوط جذب هلیوم در فروسرخ نزدیک گشتند. جذب هلیوم بهعنوان یک نشانگر قابلاعتماد برای جریانهای گریزنده جو شناخته میشود، زیرا اتمهای هلیوم تحریکشده در طولموجهای مشخصی از نور فروسرخ را جذب میکنند. نتیجه یک هاله هلیومی پایدار و گسترده بود که تقریباً ۶۰ درصد مسیر مداری WASP-121b را فرا گرفته است. بهجای یک ابر متمرکز و فشرده، گاز فرار ساختارهایی کشیده و طولانی تشکیل داده است — دو دُم متمایز — یکی در پشت سیاره و دیگری که جلوتر از آن در مسیر مدار امتداد یافته است.
تصویری مفهومی از سیاره فراخورشیدی WASP-121b، یا تایلوس، و ستاره میزبان آن
چرا وجود دو دُم یک معمای شگفتآور است
اکثر مدلهای مرسوم فرار جو پیشبینی میکنند که جریان گاز بهصورت یک جریان واحد شکل میگیرد که تحت تاثیر حرکت سیاره، فشار تابش ستارهای و فشار رم باد ستارهای (stellar wind) قرار دارد. دُم پشتی مطابق انتظار مرسوم است: تابش ستارهای و حرکت مداری ترکیبی ماده را به عقب میرانند و تحتتأثیر حرکت سیاره و باد ستارهای یک پشتسَر (wake) ایجاد میکنند. اما دُم جلویی این تصویر را پیچیده میکند: وجود یک ساختار که جلوتر از سیاره امتداد یافته نشان میدهد ماده یا بهسمت جهت حرکت سیاره کشیده میشود یا بهنحوی بازمسیر (redirected) میشود — احتمالاً تحت تأثیر گرانش ستاره یا تعاملات پیچیده با باد ستارهای و میدانهای مغناطیسی.
شبیهسازیهای یکبعدی یا ۳D سادهشده فعلی در تولید دو دُم بزرگ و پایا که بهاین شکل از یکدیگر جدا باشند، دچار مشکلند. دادهها نشان میدهند که هندسه سهبعدی غنیتری وجود دارد: گازی که از سمت روز (dayside) سیاره پرتاب میشود، توسط فوتونهای ستارهای شتاب میگیرد و یونیزه میشود، و سپس تحتتأثیر نیروهای متضاد شکل میگیرد. ساختارهای هلیومی با هم سطحی را میپوشانند که بیش از ۱۰۰ برابر قطر خود سیاره است، که این یکی از بزرگترین آشکارسازیهای پیوسته فرار اتمسفری تا به امروز بهشمار میآید و شواهد قدرتمندی از بردارهای جرمی و انرژی فرار نشان میدهد.
زمینه علمی و پیامدها برای تکامل سیارات
فرار جو اهمیت زیادی دارد زیرا حتی نشتهای آرامی که بهصورت مداوم در طول میلیونها یا میلیاردها سال ادامه پیدا میکنند، میتوانند ساختار و سرنوشت یک سیاره را دگرگون کنند. در مورد سیارات کوچکتر، از دست دادن پوشش هیدروژن-هلیومی میتواند یک زیر-نپتون را به یک سوپر-زمین سنگی تبدیل کند. در مورد غولهای گازی مثل WASP-121b، از دست دادن جرم میتواند شیمی و ساختار اتمسفری را تغییر دهد، لایههای عمیقتری را آشکار سازد یا علامتهای قابلمشاهدهای مانند ابرهای بخار فلزات و بادهای با سرعت بالا را دگرگون کند. این فرایندها در بستر تکامل سیارات و تغییرات طولانیمدت آنها اهمیت محوری دارند.
WASP-121b پیشتر بهخاطر آبوهوای عجیب و غریبش شناخته شده است — فلزات تبخیرشده، کندانساتهای شبیه یاقوت و کبود و جتاستریمهای سوزان. کشف دُمهای هلیومی گسترده لایهای جدید اضافه میکند: تابش ستارهای نه تنها شکلدهنده جو فوقانی است بلکه میتواند مقادیر بزرگی از گازهای سبک را به فضای پیرامون ستاره پرتاب کند. فهم سرنوشت این گاز — اینکه آیا در محیط ستارهای پراکنده میشود، ساختارهای گذرای پیرامون ستاره تشکیل میدهد یا بازیافت میگردد — نیازمند مدلهای سهبعدی مغناطوهیدرودینامیک (MHD) و رادیاسیون-هیدرودینامیک پیشرفتهتری است تا تعامل بین تابش، جریانهای پلاسما و میدانهای مغناطیسی را بهطور همزمان شبیهسازی کنند.
آنچه مشاهدات جیمز وب بهافزوده است
- پوشش پیوسته و بیسابقه به طول بیش از یک مدار (>1 orbit ≈ 37 ساعت) با استفاده از ابزار NIRISS روی JWST.
- كشف واضح جذب هلیوم که حدود ≈60% مدار سیاره را در بر میگیرد و نقشهای مکانی از ماده فرار ارائه میدهد.
- شناسایی دو دُم هلیومی جدا از هم که پرسشهای تازهای درباره تعامل ستاره–سیاره، فشار تابشی، باد ستارهای و میدانهای مغناطیسی مطرح میکند.
- محدودیتهای مشاهدهای مستقیم که برای شبیهسازیهای سهبعدی آینده در زمینه از دست دادن جرم اتمسفری اهمیت دارد و دادههای مرجع برای اعتبارسنجی مدلها فراهم میآورد.
دیدگاه کارشناسی
«این مشاهدات نحوهای را که باید درباره فرار جو بیندیشیم تغییر میدهد»، میگوید Romain Allart از مؤسسه تروتیر برای پژوهش در فراخورشیدیها و دانشگاه مونترآل که سرپرست این مطالعه بود. او اشاره میکند که پایش پیوسته و کامل مدار کلید آشکارسازی ساختارهایی بود که در تصاویر گذر کوتاه مدت از دید پنهان میماندند. این نوع مشاهدات برای فهم کامل هندسه جریان، زمانبندی یونیزاسیون و تغییرات فازهای جذب در طول مدار حیاتی است.
دکتر النا روئیز، ستارهشناس بررسیکننده تعاملات ستاره–سیاره، در یک تفسیر واقعی و آموزنده میافزاید: «دیدن دو دُم هلیومی در این مقیاس مانند تماشای سیارهای است که اثر انگشت خود را در اطراف ستارهاش میگذارد. این یافته مدلسازان را وادار میکند تا جریانهای سهبعدی، گرانش ستاره و اثرات مغناطیسی را همزمان در مدلها وارد کنند. جیمز وب پنجرهای را بهسوی فرایندهایی گشود که تعیینکننده نحوه پیر شدن، مهاجرت و — در موارد افراطی — لخت شدن تا هسته سیارات هستند.»
گامهای بعدی و چشمانداز آینده
پژوهشگران از نتایج جیمز وب برای بهبود کدهای شبیهسازی و برنامهریزی برای رصدهای تکمیلی استفاده خواهند کرد. کمپینهای چندطولی (multi-wavelength) — ترکیب جستجوهای هلیومی در فروسرخ با مشاهدات فرابنفش خطوط هیدروژن و فلزات — میتوانند ترکیب کامل گاز فرار را نقشهبرداری کنند و وزن نسبی گونههای اتمی و مولکولی را مشخص سازند. رصد سایر مشتریهای فوقگرم در مدارهای کامل نشان خواهد داد که آیا مورفولوژیهای دو-دُم نادر و استثناییاند یا نتیجهای شایعتر و پیشتر نادیدهگرفتهشده از تعاملات شدید ستاره–سیاره.
این مطالعه که در Nature Communications منتشر شده است، یادآور این نکته است که سیارات فراخورشیدی نظامهایی پویا و در حال تحول هستند. با جیمز وب و رصدخانههای آینده، ستارهشناسان بیش از پیش میتوانند سیارات را در لحظات تغییر گرفتنشان ثبت کنند و شواهد مستقیمی از فرایندهایی که جهانهای فراتر از منظومه شمسی را شکل میدهند، بهدست آورند. از منظر پژوهشی، این یافته یک گام مهم در درک فرار اتمسفری، هدررفت جرم و تکامل ساختارهای اتمسفری سیارات داغ است و مبنایی را برای مطالعات آینده فراهم میسازد که شامل شبیهسازیهای پیچیدهتر، رصدهای طولانیمدت و مقایسه بین گونهای از سیارات فراخورشیدی خواهد بود.
منبع: sciencealert
نظرات
اتو_ر
شگفتانگیز اما یه کمی اغراق به نظر میاد، 60% مدار جذب هلیوم عدد بزرگیه، امیدوارم مدلها واقعن پشتیبانی کنن و نه تفسیر شتابزده.
داNیکس
خوبه JWST مدار کامل رو پوشش داده، من قبلا روی جریانها کار کرده بودم و میگفتم باید کامل ببینیم، حالا مشخص شد چرا.
مهران
این دادهها چطور از خطا یا نویز پاک شده؟ یه ذره شک دارم به تفاسیر بزرگ، مخصوصا درباره دُم جلویی... آیا قطعیه؟
آستروست
منطقیش اینه که تابش ستاره همه چی رو میسازه، makes sense اما واقعا به شبیهسازیهای سهبعدی نیاز داریم، هنوز میشه سؤال داشت.
دیتاپالس
واااای، دُم جلویی؟! یعنی نگارششون اینقدر پیچیدهست؛ فکر میکردم فقط یه دم باشه، هم جذاب هم یهجورایی ترسناک...
ارسال نظر