11 دقیقه
تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا قویترین شواهد تا کنون را ارائه داده که نشان میدهد یک سیارهٔ سنگی کوچک و فوقالعاده داغ — TOI-561 b — با یک جوی نسبتاً پرحجم پوشیده شده که بالای یک اقیانوس ماگمایی جهانی قرار دارد. این کشف بسیاری از فرضیات رایج دربارهٔ چگونگی بقا و پایداری دنیاهای کوچک در برابر تابش شدید ستارهای را به چالش میکشد و پنجرهای به سوی سیاراتی باز میکند که در اوایل تاریخ کهکشان ما شکل گرفتهاند.
چگونه یک روزگاه نسبتاً خنک، اتمسفر پنهان را آشکار کرد
TOI-561 b یک «ابرزمین با دورهٔ فوقالعاده کوتاه» است: شعاعی در حدود 1.4 برابر زمین و مداری که در کمتر از 11 ساعت کامل میشود. مدار این سیاره، آن را به فاصلهای کمتر از یک میلیون مایل از ستارهای شبیه به خورشید میرساند — یعنی تقریباً 1/40 فاصلهٔ عطارد تا خورشید ما — که روزگاه سیاره را تا هزاران درجه گرم میکند. با توجه به این تابش بسیار شدید، انتظار منطقی این بود که سیاره سطحی عاری از جو یا سطحی ذوبشده داشته باشد که نتواند گازها را در خود نگه دارد.
اما مشاهدات طیفسنج نزدیکِ فروسرخ (NIRSpec) تلسکوپ وب تصویری متفاوت ارائه داد. با اندازهگیری روشنایی سیستم در طول موجهای نزدیکِ فروسرخ هنگامی که TOI-561 b پشت ستاره قرار میگیرد (کسوف ثانویه یا secondary eclipse)، پژوهشگران توانستند دمای روزگاه سیاره را برآورد کنند. اگر سیاره یک دنیای لاوایی بدون جو بود، دمای روزگاه آن حدود 4,900 °F (2,700 °C) پیشبینی میشد؛ اما وب دمای نسبتاً خنکتری نزدیک به 3,200 °F (1,800 °C) اندازهگیری کرد.
این اختلاف میان دمای مورد انتظار و دمای مشاهدهشده نشان میدهد که لایهٔ دیگری در کار است. سادهترین توضیحی که با دادهها سازگار است، وجود یک جو متراکم و غنی از گازهای فرّار است که گرما را بازتوزیع میکند و بخشی از تابش نزدیکِ فروسرخ سطح داغ را جذب میکند.
این تصویر مفهومی هنری نشان میدهد که چگونه یک اتمسفر ضخیم بالای یک اقیانوس ماگمایی عظیم روی سیارهٔ فراخورشیدی TOI-561 b ممکن است به نظر برسد. اندازهگیریهای نوری که تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا از روزگاه سیاره ثبت کرده، نشان میدهد که با وجود تابش شدید ستارهای، TOI-561 b صرفاً یک سنگ بیهوا نیست. Credit: NASA/STScI
مشاهدات، روشها و آنچه دادهها فاش میکنند
تیم وب بهصورت پیوسته بیش از 37 ساعت TOI-561 b را رصد کرد که نزدیک به چهار مدار کامل را پوشش میداد. آنها از توانایی NIRSpec برای شکافتن نور نزدیکِ فروسرخ استفاده کردند تا روشنایی سیاره را تعیین و انتشار حرارتی آن را استنتاج کنند. این روش — ردیابی کاهش در نور ترکیبی هنگام پنهان شدن سیاره پشت ستاره — سهم سیاره از تابش کلی را جدا میکند و دمای روزگاه را آشکار میسازد.
چرا روشنایی روایت میکند
- بدون اتمسفر: انتشار سطحی غالب خواهد بود و روزگاه باید در نزدیکِ فروسرخ بسیار درخشان به نظر برسد — سازگار با سطحی سنگی یا ذوبشده که به تعادل حرارتی با تابش ستاره نزدیک میشود.
- با اتمسفر: گازهایی مانند بخار آب و دیگر فرّارها طولموجهای مشخصی در نزدیکِ فروسرخ را جذب میکنند، روشنایی مشاهدهشده را کاهش میدهند و این توهم را ایجاد میکنند که سطح سردتر است. بادهای قوی نیز میتوانند گرما را به شبگاه منتقل کنند و دمای اندازهگیریشده روزگاه را بیشتر کاهش دهند.
پژوهشگران توضیحات جایگزینی را نیز بررسی کردند، از جمله هستهٔ آهنی غیرمعمولاً کوچک یا گوشتهای ساختهشده از سنگهای کمچگالتر که هر دو میتوانند چگالی کلی سیاره را کاهش دهند. اما این توضیحات ساختاری بهتنهایی در توجیه امضای حرارتی ثبتشده توسط وب دچار مشکل هستند. همچنین لایهٔ نازکی از بخار سنگی بالای اقیانوس ماگما نیز مورد بررسی قرار گرفت؛ این پوشش تنها سطح را بهطور محدود خنک میکند و به اندازهٔ کافی برای توضیح افت دمای مشاهدهشده نیست.
برای تفسیر نتایج، تیم از مدلهای انتقال تابش و دینامیک جو استفاده کرد که شامل برهمکنشهای بین سطح ذوبشده (ماگما) و پوشش گازی بود. این مدلها نشان میدهند که ترکیبهایی از آب، کربن و گونههای سیلیکاتی فرّار میتوانند جذب نزدیکیِ فروسرخ قابلتوجهی ایجاد کنند و همچنین با جریانهای همرفتی و بادهای افقی، گرما را از روزگاه به شبگاه منتقل نمایند و نمودار فازی و طیفی قابل تشخیصی تولید کنند.
چرا این سیاره متفاوت است — و چرا اهمیت دارد
نویسندهٔ اصلی، یوهانا تسکه (از آزمایشگاه زمین و سیاراتِ کارنگی)، چگالی پایین سیاره را یک قطعهٔ کلیدی از پازل دانست: «آنچه این سیاره را واقعاً متمایز میکند، چگالی غیرعادی پایین آن است. چگالی آن کمتر از مقداری است که انتظار میرفت اگر ترکیبش مشابه زمین بود.» این چگالی نامتعارف تیم را بر آن داشت تا بررسی کند که آیا وجود یک اتمسفر گسترده میتواند اندازهٔ ظاهری سیاره را افزایش دهد و برآورد چگالی میانگین را کاهش دهد.
TOI-561 b به دور ستارهای بسیار پیر و ضعیف از نظر فلز (فقر آهن) واقع در دیسک ضخیم راه شیری میگردد. سن این ستاره تقریباً دو برابر سن خورشید است و نشان میدهد که سیاره در محیط شیمیایی متفاوتی نسبت به منظومهٔ خورشیدی شکل گرفته است. همنویسنده تیم، تیم لیختنبرگ (دانشگاه خرونینگن) گفت: «ما فکر میکنیم بین اقیانوس ماگما و اتمسفر یک تعادل برقرار است. در حالی که گازها از سیاره خارج میشوند و اتمسفر را تغذیه میکنند، اقیانوس ماگما آنها را دوباره به درون داخلی میمکد. ... واقعاً مثل یک توپ لاوای خیس است.»
آن تعادل — تبادل پیوسته بین سطح مذاب و پوشش گازی — مکانیزمی منطقی برای توضیح چگونگی پایدار ماندن اتمسفر یک سیارهٔ کوچک در محیط تابشی خشن است، بهشرطی که بخش داخلی آن از ابتدا غنی از فرّارها (آب، گونههای کربندار و گازهای دیگر) بوده باشد. در این سناریو، فرآیندهای تبخیر سطحی و بازجذب از طریق کنشهای شیمیایی و فیزیکی میان ماگما و جو شکل میگیرد و میتواند جو را برای بازههای زمانی زمینشناختی حفظ کند.
این حقیقت که TOI-561 b به دور ستارهای با ترکیب شیمیایی کمفلز میگردد، بر اهمیت مطالعهٔ ترکیب اتمسفری و منشأ فرّارها میافزاید؛ زیرا ذخایر فرّار اولیه نقش تعیینکنندهای در تکامل سیاره دارند. اگر این ذخایر اولیه فراوان باشند، حتی سیارات کوچک نیز میتوانند برای مدتهای طولانی جوهای قابلتوجهی داشته باشند، اما اگر کم باشند، همان سیارات به سنگهای خشک و بیهوا تبدیل میشوند.
زمینهٔ علمی و پیامدها
این نتیجه مرز دیرپایی در علم سیارات فراخورشیدی را به چالش میکشد: این باور که تنها سیارات بزرگتر یا آنهایی که از ستارهٔ خود دورترند میتوانند جوهای بادوام داشته باشند. اگر جهانهایی با دورهٔ فوقالعاده کوتاه و سطح سنگی بتوانند از طریق پیوند میان ماگما و اتمسفر، جوهای غنی از بخار حفظ کنند، باید سرشماری ما از سیارات سنگی فعال یا از نظر شیمیایی پیچیده بازنگری شود. این کشف نشان میدهد که یک کلاس از جهانها وجود دارد که نه صرفاً سنگهای خشک و بیجان هستند و نه کوچکنپتونهای گازی، بلکه سیارات هیبریدیِ لاواییای هستند که تعاملات سطح-اتمسفر دینامیکی دارند.
از منظر عملی، این یافته مدلهای شکلگیری و تکامل سیارات را آگاه میسازد. سیاراتی که در اطراف ستارههای کمفلز و پیر در دیسک ضخیم شکل میگیرند ممکن است ذخایر فرّار بسیار متفاوتی به ارث ببرند و این ذخایر تعیینکنندهاند که آیا یک سیارهٔ مذاب بعدها به سنگی خشک تبدیل میشود یا بهطور پایدار یک «توپ لاوای خیس» باقی میماند. این اطلاعات برای مدلسازی فرایندهای درونی مانند خروج گازهای داخلی (outgassing)، فرایندهای فرسایش جو و تعاملات شیمیایی بین جو و گوشته حیاتی است.
همچنین پیامدهای گستردهای برای آمارِ جمعیتی سیارات فراخورشیدی دارد: اگر تعداد نسبی اَبَرزمینهای نزدیک به ستاره که اتمسفر نگه میدارند قابل توجه باشد، باید تعریف ما از «قابلفعالیتشدن» (activity) و معیارهای شیمیاییِ مرتبط با پیچیدگی شیمیایی را بازبینی کنیم، حتی اگر این سیارات برای حیات زمینی نامناسب باشند.
گام بعدی: نقشهبرداری دما و تعیین ترکیب
مشاهدات وب که گزارش شدهاند، اولین نتایج از برنامهٔ ناظرین عمومی شمارهٔ 3860 هستند. تیم اکنون در حال تحلیل مجموعهٔ کامل دادههاست تا نقشهٔ دمایی دقیقتری از سطح سیاره تولید کند و ترکیب اتمسفری را محدودتر سازد. طيفسنجیهای آینده و تحلیل منحنی فازی (phase-curve analysis) میتوانند نشانههای مولکولی مشخصی را آشکار کنند — مانند بخار آب، گونههای سیلیکاتی یا دیگر فرّارها — و الگوهای بادی را که گرما را بین روزگاه و شبگاه منتقل میکنند، اندازهگیری نمایند.
تأیید وجود مولکولهای خاص، یک پیشرفت بزرگ خواهد بود: چنین کشفی نه تنها حضور اتمسفر را نشان میدهد بلکه شیمی آن، منشأ آن و توازن بین تبخیر و بازجذب با اقیانوس ماگما را نیز روشن میسازد. برای نمونه، شناسایی ترکیبات حاوی اکسیژن، هیدروژن یا سیلیکون میتواند نشان دهد که آیا مادهٔ آتشفشانی از درون سیاره منشا گرفته یا از فرآیندهای سطحی دیگر حاصل شده است.
تحلیلهای بعدی میتواند شامل مدلسازی ترکیبی طیف در کنار دینامیک جو باشد تا بتوانند پیشبینیهایی دربارهٔ فشار سطحی، اجزای اصلی اتمسفر و نرخ تبخیر ارائه دهند. همچنین رصدهای مکرر میتواند آشفتگیهای زمانی جو را بررسی کند؛ بهعنوان مثال، آیا اتمسفر در بازههای زمانی زمینشناختی یا حتی کوتاهتر تغییری نشان میدهد یا در تعادل نسبتاً پایداری باقی میماند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر اِولین مورا، دانشمند سیارهای در مؤسسهٔ مطالعات سیارات فراخورشیدی (نمونهای ساختگی)، اظهار میکند: «حساسیت وب در نزدیکِ فروسرخ به ما پنجرهٔ جدیدی بر رفتار سیارات افراطی میدهد. TOI-561 b ممکن است ظاهراً خصمانه باشد، اما میتواند آزمایشگاهی برای تبادلات فرّار تحت شرایطی باشد که روی زمین قابل بازتولید نیست. اگر اتمسفر تأیید شود و ترکیب شیمیایی آن مشخص گردد، این موضوع مدلهای از دست دادن اتمسفر و خروج گازهای داخلی برای سیارات کوچک را دگرگون خواهد کرد.»
در حالی که وب به رصد سیارات با دورهٔ فوقالعاده کوتاه ادامه میدهد، ستارهشناسان روندهای سطح جمعیتی را بهبود خواهند داد: کدام سیارات کوچک میتوانند اتمسفر نگه دارند، این اتمسفرها چگونه تکامل مییابند و این نتایج چه معنایی برای زمینهٔ وسیعتر قابلیت زیستپذیری دارند — حتی اگر جهانهایی مانند TOI-561 b برای حیات به شکلی که ما میشناسیم بسیار داغ باشند.
در جمعبندی، این کشف نه تنها بینشهایی دربارهٔ فیزیک و شیمیِ سیارات داغ کوچک ارائه میدهد، بلکه چارچوبهایی را که ما بر اساس آنها سیارات فراخورشیدی را دستهبندی میکنیم و برآوردهای آماری از انواع سیارات را میسازیم، به بازبینی وا میدارد. ادامهٔ تحلیلهای طیفی، نقشهبرداری دمایی و مدلسازی نظری، کلید درک عمیقتر از این «توپهای لاوایی مرطوب» و نقش آنها در فرایندهای شکلگیری سیارات است.
منبع: scitechdaily
نظرات
نوا_ای
عجب، اگر تایید بشه یعنی باید دستهبندیهامون رو بازنگری کنیم… مشتاق نقشه دما و ترکیب اتمسفرم، ولی کنجکاوم هنوز
کوینپایل
خیلی هیجانیه اما رسانه ها ممکنه شلوغش کنن، گذاشتن حدس و گمان زودِ؛ بهتره صبر کنیم تا نتایج طیفی دقیقتر بیاد
مکس_ایکس
تو کارم مدلسازی دیدم، این مکانیسم تبادل ماگما و جو منطقیه، ولی جزئیات واکنشهای شیمیایی رو باید دقیقتر ببینیم، زمان میخواد...
توپلوا
معقول بهنظر میاد ولی یه کم اغراق شده حس میکنم. تا وقتی مولکول مشخص نشه، نمیتونم صد درصد قبول کنم
نودایکس
تحلیل قانعکنندهست، ایده تعادل ماگما و جو جذابه. اما واقعاً مدلها و رصدهای بعدی تعیینکنندهان، عجله نکنیم
مازیار
این نتایج چقدر قطعین؟ به نظرم باید طیفهای بیشتری دید، ممکنه تفسیرهای دیگهای هم باشه مثل ساختار داخلی غیرمعمول یا خطا در اندازهگیری
استروست
وای... واقعاً انتظار نداشتم یه «توپ لاوا» با جو باشه! کلی سوال تو سرم، طیفها رو سریعتر بذارن ببینیم چی میشه
ارسال نظر