9 دقیقه
مقدمه
فضا همچنان پر از شگفتی است. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) یک سیاره فراخورشیدی را شناسایی کرده که آنقدر غیرمعمول است که اخترشناسان هنوز در حال بررسی چگونگی شکلگیری آن هستند. با لقب «سیارهای به شکل لیمو»، این جرم نگرش ما به شکلهای سیارهای، خواص جوّی و شیمی درونی سیارات را به چالش میکشد. گزارشهای طیفی و مشاهداتی که از سوی تیمهای بینالمللی منتشر شده، نشان میدهد این کشف میتواند مرزهای مدلهای مرسوم تشکیل سیاره و تکامل دوتاییهای نزدیک را بازنویسی کند.
شرح مشاهدات و مشخصات کلی
سیارهای که توسط همراه کشندهاش کشیده شده است
این جرم که با پیکربندی PSR J2322-2650b شناخته میشود، به دور یک پالسار — بازماندهٔ ستارهای فوقفشرده و با چرخش سریع — در فاصلهای شگفتآوراً نزدیک در حدود یک میلیون کیلومتر میگردد. جرم آن با مشتری قابل مقایسه گزارش شده، اما در یک مدار بسیار تنگ قرار دارد که تنها در 7.8 ساعت به دور پالسار یک دور کامل میزند. در چنین مدار فشردهای نیروهای کشندی (tidal forces) بسیار شدیدند و جسم را از حالت تقریباً کروی بیرون میکشند؛ در نتیجه شکل آن به صورت یک بیضیِ برجسته درمیآید که ناظران آن را شبیه به یک لیمو توصیف کردهاند.
نیروهای کشندی روی جرمهایی با فاصلهٔ نزدیک به پالسار میتوانند توزیع چگالی را تغییر دهند، لایههای بیرونی را دگرگون کرده و در طولانیمدت باعث تبخیر یا تراشیدهشدن ماده شوند. این فرآیندها بهویژه در سامانههایی که تحت عنوان «بیوههای سیاه» (black widow binaries) شناخته میشوند، دیده میشود؛ جایی که تابش شدید و بادهای ذرهای پالسار موجب از دست رفتن جرم همراه میشوند و گاهی فقط هستهٔ چگالِ باقیمانده را برجای میگذارند.
آنچه جیمز وب واقعاً در جو دید
ابزارهای فروسرخ JWST جو این سیاره را به شیوهای متفاوت از اغلب فراخورشیدیهایی که تا کنون مطالعه شدهاند، آشکار کردند. به جای نشانههای غالب بخار آب یا متان، طیف مشاهدهشده حاوی اثرات قابل توجهی از هلیوم و ترکیبات کربنی مولکولی است. مایکل ژانگ (Michael Zhang)، محقق ارشد از دانشگاه شیکاگو، این یافته را «نوعی کاملاً جدید از جو سیارهای که پیش از این دیده نشده» توصیف کرد. دمای سمت روز سیاره در حدود 2,000 درجهٔ سانتیگراد برآورد شده است؛ محدودهای که در آن حضور کربن مولکولی بهجای ترکیبات اکسیژنه یا هیدروژنه، غیرعادی و شگفتآور است.
تحلیل طیفی نشان میدهد که جو میتواند با ابرهای غلیظی از دوده یا آئروسلهای غنی از کربن پوشانده شده باشد؛ موادی که نه تنها طیف خروجی را تغییر میدهند بلکه انتقال تابش حرارتی را نیز مختل میکنند. در فشارهای بسیار بالا در اعماق زیرین جو، کربن میتواند به شکل بلوری درآید — پدیدهای که احتمال شکلگیری الماس یا حتی «باران الماس» در درون سیاره را مطرح میکند. این ایدهها پیشبینیهای تئوری را با شواهد طیفی ترکیب میکنند، اما تأیید نهایی نیازمند مشاهدات تکمیلی با وضوح بالاتر و مدلسازی دقیقتر است.
منشاء و تکوین: سیاره متولد شد یا ستاره پاره شد؟
متولد یک سیاره — یا هستهٔ ستارهای تراشیده شده؟
PSR J2322-2650b در دستهای از سامانههای دوتایی قرار میگیرد که اغلب با نام «بیوهٔ سیاه» شناخته میشوند. در این نوع دوتاییها، تابش و بادهای ذرهای پالسار موجب میشود تا جرم از همراه استخراج شود و گاهی تا حدی پیش رود که تنها یک باقیماندهٔ چگال از آن باقی بماند. یکی از سناریوها پیشنهاد میدهد که جسمی که الآن به عنوان «سیارهٔ لیمویی» دیده میشود در واقع هستهٔ باقیماندهٔ یک ستارهٔ کمجرم است که لایههای بیرونیاش به تدریج کنده شده و تنها هستهٔ کربنی آن برجای مانده است. در سناریوی دیگر، این جرم زمانی مانند یک سیارهٔ معمولی شکلگرفته است اما در محیط خشن و تابناک پالسار دگرگون شده و شیمی و ساختار درونیاش تغییر یافته است.
هیچیک از این فرضیهها تمام مشاهدات را بهخوبی تبیین نمیکنند. اگر جرم هستهٔ تراشیدهشدهٔ یک ستاره باشد، مدلهای فعلی فیزیک هستهای و تکامل ستارهای در توضیح فراوانی ظاهری کربن تقریباً خالص دچار مشکل هستند. از سوی دیگر، اگر این یک سیارهٔ معمولی باشد که بعد از شکلگیری دگرگون شده است، ترکیب شیمیایی مشاهدهشده هنوز با مدلهای استاندارد تشکیل سیاره همخوانی ندارد. همانطور که تیم پژوهشی پس از بررسی دادهها گفت: «این چیست؟ این یافته مستقیماً با فرضیات ما تضاد دارد.»
تحلیل طیفی، شیمی جوّی و ساختار درونی
بررسی ترکیبات: هلیوم، کربن و ابرهای آئروسل
طیف فروسرخِ بهدستآمده از JWST نشاندهندهٔ فراوانی چشمگیر هلیوم و نشانههای ترکیبات کربنی است که معمولاً در سیارات داغ فراخورشیدی بیسابقهاند. حضور هلیوم به همراه کمبود واضح آب و متان یک چالش فیزیکی ایجاد میکند: آیا این یک لایهٔ هلیومی باقیمانده از فرآیند تبخیر است یا نشانهای از منشأ ستارهای؟
مدلسازیِ انتقال تابش و شیمی جوّی نشان میدهد که آئروسلها و ذرات معلق غنی از کربن میتوانند طیف را به گونهای تغییر دهند که مشخصات متداول مولکولهای هیدروکربنی را مخفی کنند و بهجای آن نشانههای کربن مولکولی را تقویت نمایند. اندازهٔ ذرات، توزیع عمقی ابرها و ترکیب دقیق آنها در تعیین شکل طیف و رنگ ظاهری سیاره نقش محوری دارند. در دماها و فشارهای بسیار بالا، واکنشهای برهمکنش بین کربن، هیدروژن و هلیوم میتواند مسیرهای شیمیایی جدیدی باز کند که در شرایط سیارات منظومهٔ شمسی یا سیارات فراخورشیدی مرسوم رخ نمیدهد.
امکان تشکیل الماس درون سیاره
یکی از پیامدهای جذاب شواهد کربنی، احتمال بلورینشدن کربن در اعماق تحت فشار بالاست. در مدلهایی که فشار و دما در هسته یا لایههای داخلی به حد کافی بالا میرود، کربن میتواند از حالت آلی به ساختارهای بلوری تبدیل شود. این فرآیند در نظریههایی که برای ژوپیتر-مانندها در دماها و فشارهای بسیار شدید مطرح شده، به عنوان امکان «بارش الماس» شناخته شده است؛ ایدهای که اگر در PSR J2322-2650b تأیید شود، پیوند قویتری بین شیمی درونی و خواص مشاهدهشدهٔ طیفی برقرار خواهد کرد.
اهمیت علمی و پیامدها
چرا این کشف اهمیت دارد
فراتر از شکل خبریِ جذابِ سیاره، PSR J2322-2650b اخترفیزیکدانان را بر آن میدارد که شیمی جوّی تحت شرایط شدید و مراحل پایانی تکامل دوتاییهای نزدیک را بازاندیشی کنند. حساسیت بالای JWST به نشانههای ضعیف فروسرخ در آشکارسازی ترکیبهای عجیب و غیرمتداول ضروری بوده است؛ ترکیبهایی که احتمالاً تلسکوپهای پیشین توان تشخیص آنها را نداشتند. این مشاهدات نشان میدهند که طیف گستردهای از خواص سیارهای — از ساختار درونی تا اتمسفر و تعاملات با ستارهٔ میزبان — میتواند در محیطهای شدید به گونهای متفاوت از پیشبینیها رفتار کند.
این یافته همچنین بر اهمیت مطالعات چندطیفی (multiwavelength) و همکاری بین رصدهای فروسرخ، رادیویی و تئوری تاکید میکند. زمانبندی رادیویی پالسار، طیفسنجی فروسرخ و مدلهای دینامیکی-ترمودینامیکی باید با هم ترکیب شوند تا تصویری منسجم از منشأ و تکامل این جسم بهدست آید. بدون این ترکیب دادهها، تفکیک بین سناریوی هستهٔ باقیماندهٔ ستاره و سناریوی سیارهٔ دگرگونشده دشوار خواهد بود.
چالشها، پرسشهای باز و برنامههای آینده
پرسشهای باز که باید پاسخ داده شوند
تعداد قابل توجهی پرسش باقی مانده است: آیا نشانههای کربن در سراسر سیاره توزیع شدهاند یا محدود به سمت داغِ روبهخورشید (day-side) هستند؟ آیا ساختار داخلی حاوی کربن بلوری و احتمالی الماس است یا تنها ذرات کربنی معلق سطحی موجب طیف مشاهدهشدهاند؟ نقش بادها و انتقال گرما در این سیارهٔ مجبور به قفل گرانشی (tidally locked) چگونه است؟ هر یک از این پرسشها بر تفسیر نهایی دادهها و برآورد منشأ PSR J2322-2650b تأثیر میگذارند.
رصدها و مدلهای تکمیلی
برنامههای آینده شامل پایش طولانیمدتتر با JWST در طول موجهای مختلف، رصدهای رادیویی دقیق برای تعیین پارامترهای مداری و زمانبندی پالسار، و مدلسازیهای عددی پیچیده برای شبیهسازی انتقال جرم، تبخیر و تعاملات تابشی-مادی است. کوشش برای ترکیب نتایج طیفی با مشاهدات قطبیسنجی و نقشهبرداری دمایی میتواند محل تجمع آئروسلها و جهتگیری گرادیانهای دمایی را روشن کند. علاوه بر این، مقایسه با دیگر سیستمهای «بیوهٔ سیاه» و نمونههای شناختهشدهٔ سیارات بسیار نزدیک به ستارههای میزبان میتواند چارچوب مقایسهای مفیدی فراهم آورد.
جمعبندی موقت
فعلاً PSR J2322-2650b به فهرست کوتاهی از عجایب کیهانی پیوسته است که مرزهای علم سیارات را جلو میبرند. این «سیارهٔ لیمویی» نه تنها پرسشهایی بنیادی دربارهٔ منشأ و تکامل دارد، بلکه نشان میدهد ابزارهای پیشرفتهای مثل تلسکوپ جیمز وب چگونه میتوانند ترکیبهای عجیب و ناشناخته را آشکار سازند. ترکیب دادههای طیفی، مشاهدات رادیویی و مدلسازی فیزیکی احتمالا در سالهای آینده پاسخهای روشنتری فراهم خواهد کرد؛ اما تا آن زمان این جرم بهعنوان موردی چالشبرانگیز و ارزشمند برای مطالعهٔ شکل، جو و شیمی در شرایط افراطی باقی میماند.
کلمات کلیدی مرتبط: تلسکوپ جیمز وب، سیاره فراخورشیدی، PSR J2322-2650b، پالسار، سیاره لیمویی، شیمی جوّی، طیفسنجی فروسرخ، نیروهای کشندی، باران الماس، بیوهٔ سیاه.
منبع: smarti
ارسال نظر