14 دقیقه
ستارهشناسان یک سیاره فراخورشیدی عظیم که به دور دو خورشید میچرخد — بازتابی واقعی از سیارهٔ خیالی تاتوئین — را یافته و بهصورت مستقیم تصویربرداری کردهاند. این جهانِ پیرامونِ دوجزئی که ابتدا در دادههای آرشیوی کشف شد و سپس بهصورت مستقل توسط یک تیم اروپایی تأیید گردید، مرزهای دانش ما دربارهٔ شکلگیری سیارهها در محیطهای چندستارهای و پیچیده را گسترش میدهد.
محققان نخستینبار این جرم ضعیف را در مشاهدات چندسالهای که با ابزار Gemini Planet Imager (GPI) ثبت شده بود، مشاهده کردند. پس از تحلیل دقیق و مقایسه با دادههای رصدخانهٔ W.M. Keck، تیم پژوهشی دانشگاه نورثوسترن تأیید کرد که نامزد کشفشده یک سیاره است که جرمی حدود شش برابر مشتری دارد، در حدود ۱۳ میلیون سال سن دارد و تقریباً ۴۴۶ سال نوری از زمین فاصله دارد.
چگونه یک سیارهٔ پنهان از دادههای آرشیوی بیرون آمد
این کشف مانند یک داستان کارآگاهی در ستارهشناسی رصدی است: هیچ تلسکوپ جدیدی لازم نبود، تنها نگاه تازه و تحلیل متفاوت روی تصاویر موجود کافی بود. جیسون وانگ، استادیار فیزیک و ستارهشناسی در دانشگاه نورثوسترن و یکی از نویسندگان ارشد مقاله، تیمی را رهبری کرد که دادههای GPI را دوباره بررسی کرد — ابزاری که برای کاهش نور ستاره و آشکارسازی همراهان سیارهای کمنور طراحی شده است.
GPI از اپتیک تطبیقی (adaptive optics) برای اصلاح محوشدگی جو و از کورونوگراف (coronagraph) برای مسدود کردن تابش خیرهکنندهٔ ستاره استفاده میکند. در دورهٔ فعالیت این دستگاه در رصدخانهٔ جِمینی جنوبی در شیلی، ابزار صدها ستارهٔ نزدیک را برای جستجوی سیارهها رصد کرد. طرح پیمایش فراخورشیدی GPI مجموعهای غنی از تصاویر تولید کرد که بسیاری از آنها بهعنوان آرشیوهایی ارزشمند برای بازتحلیل در دسترس قرار گرفتهاند، زیرا روشهای پردازش تصویر و پرسشهای علمی تکامل یافتهاند.
وانگ گفت: «ما این پیمایش بزرگ را انجام دادیم و من چندین بار به شیلی رفتم. در دوران دکترای خود بیشتر وقتم را صرف جستجوی سیارات کردم. در طول عمر این ابزار، بیش از ۵۰۰ ستاره را رصد کردیم و تنها یک سیارهٔ جدید یافتیم. شاید دوست داشتیم بیشتر ببینیم، اما این نتیجه به ما نشان داد که سیارات فراخورشیدی چقدر میتوانند نادر باشند.»
ناتالی جونز، نویسندهٔ اصلی مقاله و پژوهشگر دورهٔ دکترا در CIERA، دادههای GPI ثبتشده بین سالهای ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۹ را کاوید و آشکارسازیهای ضعیف را با مشاهدات کیک مطابقت داد. وقتی او شیء کمنوری را دید که همراه با یکی از ستارگان حرکت میکرد — نشانهٔ واضح اتصال گرانشی و نه یک ستارهٔ پسزمینه — تیم مشکوک شد که ممکن است با یک سیاره روبهرو باشند. شناسایی حرکت عمود بر زمینه و حرکتِ همزمان با ستارهٔ میزبان یکی از قویترین شواهد برای تفکیک همراهان فیزیکی از منابعِ پسزمینه است.
بازبینیهای آرشیوی مانند این فرصت میدهند تا با الگوریتمهای پردازش تصویر جدید و روشهای حذف نویز که در سالهای اخیر توسعه یافتهاند، سیگنالهای ضعیف شناسایی شوند. لذا اهمیت دادههای آرشیوی در رصدشناسی معاصر بهروشنی آشکار میشود: مجموعهای که ده سال پیش ثبت شده ممکن است امروز با ابزارهای پیشرفتهتر حامل یک کشفِ جدید باشد.
تصویربرداری از سیارهای که به دور یک زوج ستارهٔ فشرده میگردد
تصویربرداری مستقیم یک سیارهٔ فراخورشیدی بهخودیخود دشوار است، زیرا ستارگان میتوانند تا میلیونها یا میلیاردها بار درخشانتر از سیارات خود باشند. انجام این کار در یک سامانهٔ دوتایی پیچیدگی بیشتری دارد: دو ستاره تابشِ ترکیبی قویتری تولید میکنند و میدانهای گرانشی پویا و متغیری ایجاد میکنند که پردازش تصویر و مدلسازی مدار را دشوارتر میسازد.
ویژگیِ غیرمعمول این کشف در این است که سیاره نسبت به میزبان دوتاییاش، در مقایسه با سایر سیارههای دوردوستِ تصویربرداریشده، بسیار نزدیکتر قرار دارد. دو ستارهٔ این سامانه بسیار به هم نزدیکند — آنها هر ۱۸ روز زمینی یک گردش متقابل کامل انجام میدهند — در حالی که سیاره هردو را در مدار بسیار طولانیتری، در حدود ۳۰۰ سال، احاطه میکند. این موقعیت باعث میشود سیاره در زمرهٔ اشیاء «دوردوست» (circumbinary) قرار گیرد، اما بهطور قابلتوجهی نزدیکتر به ستارگان خود نسبت به اکثر سیارات تصویربرداریشدهٔ مشابه است.
نزدیکی نسبی این سیاره به زوج ستارهای، پیامدهای مهمی برای دینامیک دیسک پیشسیارهای و روندهای شکلگیری و مهاجرت دارد. در یک زوج ستارهای فشرده، دیسک پروپلنتی ممکن است بریده شود یا ساختار آن تحریف گردد که میتواند توزیع جرم و مواد جامد را در محل شکلگیری سیاره تغییر دهد. بنابراین این سامانه یک آزمایشگاه طبیعی برای بررسی چگونگی شکلگیری سیارات در حضور اختلالات گرانشی قوی فراهم میآورد.
ویژگیهای سیاره: عظیم، جوان و هنوز گرم
جرم این سیاره در حدود شش برابر جرم سیارهٔ مشتری برآورد شده است که آن را در ردهٔ غولهای گازی قرار میدهد و بسته به جزئیات شکلگیری شاید نزدیک مرز بین سیارههای بسیار پرجرم و کوتولههای قهوهای باشد. با سنی تخمینی حدود ۱۳ میلیون سال، این جسم از نظر مقیاس زمانی سیارهای بسیار جوان تلقی میشود و هنوز گرمای قابلتوجهی از فرایند شکلگیری در خود دارد. این گرمای بازمانده باعث میشود که غولهای جوان در طول موجهای فروسرخ نورانیتر باشند و به ردیابی مستقیم آنها کمک کند.
این سامانه که تقریباً ۴۴۶ سال نوری از زمین فاصله دارد، در همسایگی نزدیکِ ستارهای ما قرار ندارد اما به اندازهای نزدیک است که بتوان با تلسکوپهای بزرگ پیگیری و طیفسنجی تفصیلی انجام داد. تحلیل طیفی نور بازتابی و خودتابشی سیاره — که جونز و همکارانش برای تفکیک آن از ستارگان پسزمینه استفاده کردند — نشان میدهد دمای آن از هر سیارهای در منظومهٔ شمسی بالاتر است اما نسبت به بسیاری از سیارات تصویربرداریشدهٔ دیگر خنکتر است. این بازهٔ دمایی میتواند اطلاعات کلیدی دربارهٔ ترکیب اتمسفری و ساختار حرارتی فراهم کند.
از آنجا که این سیاره بهطور نسبی در زمان کیهانی اخیر شکل گرفته است (حدود ۱۳ میلیون سال پیش — تقریباً ۵۰ میلیون سال پس از انقراض دایناسورها بهطور قراردادی)، هنوز تابش گرمایی مرتبط با همگرایی گرانشی و انقباض حرارتی را منتشر میکند. این ویژگی آن را هدفی جذاب برای مطالعات ترکیب شیمیایی جو، ساختار گرمایی و سیر تکاملی اولیهٔ سیارات میکند. بررسی خطوط مولکولی در طیف فروسرخ مانند آب، متان و کربنمونوکسید میتواند سرنخهایی از تاریخ گرمایی و فرآیندهای تشکیل فراهم آورد.
برآورد جرم و سن سیارات جوان معمولاً بر پایهٔ مدلهای تکاملی حرارتی-رخدادی (thermal evolution) و مقایسهٔ روشناییِ فروسرخ مشاهدهشده با پیشبینی مدلها انجام میشود؛ اما این روشها با عدم قطعیتهایی همراهاند که ناشی از تفاوت در مکانیزمهای تجمع جرم اولیه و نرخهای سردشدن میباشند. بنابراین پیگیری طولانیمدت و دادههای چندطیفی برای کاهش این عدمقطعیتها ضروری است.
چرا این کشف برای نظریههای شکلگیری سیاره مهم است
بیشتر سیارات فراخورشیدی کشفشده تا کنون به دور ستارگان تنها میگردند. سامانههای دوتایی و چندگانه چالشها و مسیرهای متفاوتی برای شکلگیری سیاره ارائه میکنند به دلیل دینامیک گرانشی پیچیدهتر، برشِ دیسکهای پیشسیارهای و اختلالهای ممکن در فاز تجمع مواد جامد و گازی.
یافتن یک سیارهٔ جوان و پرجرم که به دور یک زوج ستارهای فشرده میگردد یک نقطهٔ دادهٔ حیاتی به شمار میآید. این امر نشان میدهد که سیارات عظیم میتوانند در حضور جفتهای ستارهای نزدیک زنده بمانند — و احتمالاً حتی در چنین شرایطی شکل بگیرند. یک فرضیه این است که ستارگان دوتایی ابتدا شکل گرفتهاند و سپس سیاره در یک دیسک پیرامونِ دوجزئی شکل گرفته است. احتمال دیگر این است که تعاملات دینامیکی یا مهاجرت پس از شکلگیری سیاره، آن را به مدار کنونیاش هدایت کرده باشد.
در محیطهای چندستارهای، فرایندهایی مانند اغتشاشات گرانشی گذرا، اغتشاشات ناشی از حضور ستارهٔ سوم در فاصلهٔ دور، یا برخوردهای سیارهای میتوانند مسیرهای مهاجرت و تنظیم نهایی مدار را تغییر دهند. بنابراین هر موردِ قابلشناسایی از سیارات پیرامونِ دوجزئی دادهای ارزشمند برای آزمون مدلهای شکلگیری و تکامل ارائه میدهد.
«چون ما تاکنون تنها چند ده سیاره از این نوع کشف کردهایم، هنوز دادهٔ کافی برای تکمیل تصویر کلی در اختیار نداریم،» وانگ گفت. ادامهٔ پایش این سامانه برای ردیابی حرکت مداری و محدود کردن مدلهای شکلگیری و تجمع جرم حیاتی خواهد بود. اندازهگیریهای طولانیمدت میتوانند نشان دهند که آیا سیاره در محل شکل گرفته یا مسیر آن پس از تشکیل تغییر کرده است.
برنامههای پیگیری و زمینهٔ فناوری
این کشف ارزش علمی مجموعههای آرشیوی را برجسته میکند و نشان میدهد که تا چه اندازه میتوان با بازنگری در دادههای قدیمی، دستاوردهای جدید بهدست آورد. با بهبود ابزارها و فنون پردازش تصویر، احتمالاً سیارات بیشتری در تصاویر قدیمی پنهاناند که هنوز کشف نشده باقی ماندهاند.
خودِ GPI در حال ارتقا است و بهزودی به تلسکوپ Gemini North در مانائو کیا هاوایی منتقل خواهد شد. بهبودهای اپتیک تطبیقی و کورونوگرافی همراه با بازههای زمانی طولانیتر و آشکارسازهای حساستر توانایی ستارهشناسان برای تصویربرداری از همراهان کمنور در سامانههای دوتایی را افزایش خواهد داد. این ارتقاءها میتوانند آستانهٔ آشکارسازی را پایینتر بیاورند و امکان رصد سیارات با جرم کمتر و/یا فاصلهٔ نزدیکتر را فراهم سازند.
تیم نورثوسترن برنامهٔ پیگیری مداوم این سیارهٔ دوردوست و ستارگان میزبان را در دستور کار دارد. با دنبال کردن جایگاههای آسمانیِ دو ستاره و سیاره در طول سالها و دههها، پژوهشگران هدف دارند تا دینامیک سهبدنی را بهطور مستقیم در صفحهٔ آسمان نگاشت کنند. این اندازهگیریها اطلاعاتی برای آزمون نظریههای شکلگیری و مهاجرت فراهم میآورد و برآوردهای جرمی سامانه را که به حرکت مداری وابستهاند، تصحیح و بهبود میبخشد.
پیگیری دقیق موقعیتها، استفاده از طیفسنجیِ با نسبت سیگنال به نویز بالا، و تلفیق دادههای رصدی از ابزارهای مختلف میتواند پارامترهای مداری مانند نیممحور، برآمدگی مداری و تمایل صفحهٔ مدار را محدود کند؛ این پارامترها برای بازسازی سناریوهای تکاملی سامانه حیاتیاند.
زمینهٔ علمی: سیارات دوردوست و تصویربرداری مستقیم
سیارات دوردوست — آنهایی که به دور دو ستاره میگردند — تنها در داستانهای علمی-تخیلی وجود ندارند. مأموریتهایی مانند کپلر و TESS شمار زیادی سیارهٔ گذری (transiting) پیرامون دوجزئی را از طریق تشخیص کمینهٔ دورهای نور ترکیبی ستارگان کشف کردهاند. با این حال، رصدهای گذری به سیاراتی تمایل دارند که مدارشان خط دید ما را قطع کند؛ در اینجا تصویربرداری مستقیم مکمل روشهای گذر و سرعت خطی (radial velocity) است، زیرا سیارات جوان، درخشان و دورافتادهٔ خودتابشی را نشان میدهد که با این روشها قابل کشف نیستند.
تصویربرداری مستقیم بهویژه برای سیارات جوان و پرجرم حساس است، زیرا این اجرام به علت گرمای بازمانده از شکلگیری، تابش فروسرخ قویتری دارند. ابزارهایی مانند GPI، SPHERE روی تلسکوپ بسیار بزرگ (Very Large Telescope)، و تاسیسات آینده مانند حالتهای کورونوگرافیکی تلسکوپ جیمز وب و نسل بعدی تلسکوپهای بسیار بزرگ (ELTها) فهرست این اشیاء را افزایش داده و امکان بررسی جوّی و ترکیبات شیمیایی آنها را فراهم میکنند.
ترکیب تصویربرداری مستقیم با طیفسنجی و ردیابی مداری بلندمدت، چارچوبی قدرتمند برای تعیین ترکیب اتمسفری، جرم واقعی و تاریخ تکاملی سیارات فراهم میسازد. این رویکرد چندابزاره به کاستن از ابهامات ناشی از مدلهای تکمعیاره کمک میکند و اطلاعات مستقلی برای سنجش نظریهها ارائه میدهد.
نظر کارشناسان
دکتر لائورا چن، ستارهشناسی که روی شکلگیری سیارات کار میکند (و در این مطالعه مشارکت نداشته است)، اظهار کرد: «این آشکارسازی هیجانانگیز است زیرا در فضایی از پارامترها قرار دارد که نظریه در آن ناواضح بوده است. زوجهای ستارهای فشرده محیطی نامساعد برای شکلگیری سیاره فراهم میکنند، و با اینحال در اینجا میبینیم که یک سیارهٔ عظیم در یک پیکربندی نسبتاً نزدیکِ دوردوست زنده مانده است. پایش اخترسنجی مداوم برای گشودن اینکه آیا این سیاره در محل شکل گرفته، به داخل مهاجرت کرده یا در اثر تعاملات دینامیکی اولیه شکل مدارش تغییر کرده است، ضروری خواهد بود.»
دکتر چن افزود: «تصویربرداری مستقیم سیارات چالشبرانگیز است، اما پنجرهٔ منحصربهفردی به جوّ سیارات جوان میگشاید. ترکیب تصویربرداری با طیفسنجی و پیگیری مداری در بلندمدت بهترین روش برای محدود کردن ترکیب، جرم و سناریوهای شکلگیری است.»
چه چیزهایی را ستارهشناسان دنبال خواهند کرد
جونز و همکارانش در حال آمادهسازی پیشنهادهایی برای کسب زمان تلسکوپ بیشتر هستند تا هم سیاره و هم زوج ستاره را پایش کنند. اهداف کلیدی شامل اندازهگیری حرکت مداری با دقت کافی برای تعیین جرم سامانه بهصورت دینامیکی، کسب طیفهایی با نسبت سیگنال به نویز بالاتر برای جستجوی مولکولهایی مانند آب و متان در جوّ سیاره، و جستجوی تصاویر آرشیوی برای همراهان دیگر و ضعیفتر است.
تأیید مستقل این کشف توسط یک تیم اروپایی در دانشگاه اکستر که در نشریهٔ Astronomy and Astrophysics منتشر شده، اعتماد به نتیجه را افزایش میدهد و ماهیت مشارکتی و بازپذیرِ ستارهشناسی رصدی مدرن را برجسته میسازد. همگرایی شواهد از منابع مختلف، از جمله تصاویر آرشیوی، دادههای طیفی و مشاهدات تکراری، پایهٔ محکمی برای تایید کشف فراهم میآورد.
در نهایت، این آشکارسازی یک یادآوری است: آرشیوها میتوانند شوکهکننده باشند. با ارتقای ابزارها و تکامل فنون تحلیلی، بازنگری در دادههای قدیمی میتواند کشفهای تازهای به دنبال داشته باشد. ناتالی جونز هنوز به کاوش در آرشیو GPI برای یافتن اشیاء احتمالی دیگر ادامه میدهد — و او چند نامزد مشکوک یافته است که شایستهٔ بررسی بیشتر هستند.
جونز گفت: «من درخواستی برای زمان تلسکوپ بیشتر دادهام تا بتوانیم به رصد این سیاره ادامه دهیم. میخواهیم سیاره را دنبال کنیم و مدار آن را پایش کنیم، و نیز مدار زوج ستارهها را تا بهتر دربارهٔ تعاملات بین ستارگان دوتایی و سیارات بیاموزیم.»
این کشف نه تنها به پژوهشهای نظری دربارهٔ شکلگیری سیاره کمک میکند، بلکه نشان میدهد که چگونه ابزارهای نوین تصویربرداری، پردازش تصویر و تحلیل دادههای آرشیوی میتوانند همزمان منجر به پیشرفت در درک ما از جمعیت سیارات فراخورشیدی و تنوع مدارها شوند. برای نمونه، مطالعات آینده میتوانند نشان دهند آیا چنین سیاراتی در مقایسه با سیارات دور یک ستاره، ترکیبات شیمیایی متفاوت، توزیع جرمی متمایز یا الگوهای مهاجرتی خاصی دارند یا خیر.
منبع: scitechdaily
نظرات
داNیکس
نکته جالب اینه که سیستم دوتایی فشرده هنوز اجازه زنده موندن یه غول گازی رو داده؛ دادههای آرشیوی ارزشمندن واقعا
آسمانگرد
میتونن جرم رو دقیقتر تعیین کنن با ردیابی مداری؟ یا باز هم مدلها مشکلدارن و تخمینها پرخطا هستن؟
توماس
خُب هیجانانگیز ولی کمی اغراق شده بنظرم؛ هنوز مطمئن نیستیم مرز سیاره/کوتوله کجاست، منتظر دادههای بیشترم
بایونیکس
تو پروژه دکترای منم گاهی با دادههای آرشیوی همین حسو داشتم، سیگنالای ضعیف منتظر آدمن، باید با حوصله بگردی
توربوام
جالبه، بازبینی آرشیو نشون داد ابزار قدیمی هم میتونه جواب بده. تلسکوپ جدید لازم نبود، اما پیگیری طولانی لازمه
کوینپالت
این اطلاعات چقدر قطعین؟ مدلهای جرم و سن خیلی متغیرن، ممکنه کوتوله قهوهای باشه نه سیاره؟
رودایکس
وااای چی بامزه، تاتوئین واقعی توی آسمون؟! کلی تحقیق، خوشحالم اما ذرهای شکی هم هستم، چطور اینو قبلاً ندیدیم؟
ارسال نظر