کشف جو غنی پیرامون ابرزمین فوق العاده داغ TOI-561 b

مشاهدات تلسکوپ جیمز وب نشان می‌دهد ابرزمین داغ TOI-561 b توسط جوی غنی از فرارپذیرها پوشیده شده و احتمال وجود اقیانوس ماگما و ابرهای سیلیکاتی، چشم‌اندازهای جدیدی دربارهٔ تکامل سیارات فراخورشیدی ارائه می‌دهد.

نظرات
کشف جو غنی پیرامون ابرزمین فوق العاده داغ TOI-561 b

13 دقیقه

مشاهدات جدید تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) شواهد قوی‌ای ارائه می‌دهد که ابرزمین بسیار داغ TOI-561 b — یک دنیای سنگی که به‌قدری به ستاره‌اش نزدیک است که یک سال آن در حدود ده ساعت به‌طول می‌انجامد — در پاکتی قابل‌توجه از جو احاطه شده است. این کشف، فرضیات دیرینه درباره نحوه از دست رفتن فرارپذیرها (volatiles) از سیارات کوچک و بسیار پرتابش‌پذیر را به چالش کشیده و دید ما را نسبت به سیارات فراخورشیدی سنگی که به دور ستارگان پیر و فلز-فقیر می‌گردند دگرگون می‌کند. یافته‌ها بر اهمیت ترکیب شیمیایی شکل‌گیری، فرآیندهای داخلی و تبادل سطح-جو در تعیین تکامل اتمسفر سیارات تأکید می‌کنند.

این طرح هنری نشان می‌دهد که چگونه یک جو ضخیم بالای اقیانوس ماگما گسترده روی سیاره فراخورشیدی TOI-561 b ممکن است به‌نظر برسد. اندازه‌گیری نور ثبت‌شده از نیم‌روشن روز سیاره توسط تلسکوپ جیمز وب نشان می‌دهد که با وجود تابش شدید ستارهٔ میزبان، TOI-561 b صرفاً یک سنگ لخت نیست و ویژگی‌های ترمودینامیکی پیچیده‌ای دارد.

چرا TOI-561 b غیرمنتظره است

TOI-561 b سیارهٔ سنگی معمولی نیست. با جرمی در حدود دو برابر زمین، در رده "ابرزمین" قرار می‌گیرد، اما محیط آن بسیار افراطی است: این سیاره در فاصله‌ای قرار دارد که تقریباً یک چهل‌مکمِ فاصلهٔ عطارد تا خورشید ماست و به ستاره‌ای اندکی کوچک‌تر و خنک‌تر از خورشید می‌گردد. مدار بسیار تنگ باعث دورهٔ مداری خیره‌کننده‌ای به طول 10.56 ساعت می‌شود و یک نیم‌کره را در نور دائمی نگه می‌دارد. در چنین شرایطی، مدل‌های استاندارد تکامل سیاره‌ای پیش‌بینی می‌کنند که اتمسفرهای اولیه با تابش و بادهای ستاره‌ای به‌سرعت پاک‌سازی شده و در نهایت سنگ لخت مذاب یا جامدی باقی بماند.

با این حال، اندازه‌گیری‌های جدید NIRSpec از تابش نیم‌روشن روز سیاره که توسط وب انجام شده نشان می‌دهد اوضاع متفاوت است. اگر TOI-561 b سنگی لخت بود و جو ناچیزی برای توزیع گرما نداشت، دمای سمت روز آن باید به حدود 4,900 درجهٔ فارنهایت (تقریباً 2,700 درجهٔ سانتی‌گراد) نزدیک می‌شد. اما تلسکوپ روشنایی ظاهری بسیار خنک‌تری در حدود 3,200 درجهٔ فارنهایت (حدود 1,800 درجهٔ سانتی‌گراد) ثبت کرده است. این اختلاف دمایی نشانهٔ وجود مکانیسمی است که نیم‌روشن روز را خنک می‌کند — که محتمل‌ترین توضیح آن وجود جو ضخیم غنی از فرارپذیرها است که گرما را به شب‌کره منتقل کرده و پیش از فرارِ فوتون‌های فروسرخ، آنها را جذب یا پراکنده می‌کند.

چگونه مشاهدات وب انجام شد

تیم تحقیقاتی از طیف‌سنج نزدیک‌فروسرخ جیمز وب (NIRSpec) برای ثبت طیف تابشی در بازهٔ طول‌موج‌های 3 تا 5 میکرون استفاده کرد، در حالی که سیاره پشت ستاره قرار می‌گرفت — روشی که به آن کسوف ثانویه (secondary eclipse) گفته می‌شود. با اندازه‌گیری کاهش نور ترکیبی ستاره و سیاره زمانی که سیاره پنهان می‌شود، اخترشناسان می‌توانند تابش گرمایی سیاره را جدا کنند و دماها و ویژگی‌های طیفی جو یا سطح آن را استنتاج نمایند. این تکنیک برای شناسایی اثرات جذب مولکولی و ویژگی‌های ترمودینامیکی بسیار قدرتمند است و در مطالعات اتمسفری سیارات فراخورشیدی کاربرد گسترده دارد.

یک طیف تابشی که توسط NIRSpec (طیف‌سنج نزدیک‌فروسرخ) تلسکوپ جیمز وب ناسا در ماه مه 2024 ثبت شد، روشنایی طول‌موج‌های مختلف نور 3 تا 5 میکرون ساطع‌شده از ابرزمین فوق‌العاده داغ TOI-561 b را نشان می‌دهد. مقایسهٔ داده‌ها با مدل‌های نظری حاکی از این است که سیاره صرفاً سنگ لخت نیست، بلکه به‌احتمال زیاد توسط جوی غنی از فرارپذیرها احاطه شده است. تحلیل طیفی نشان می‌دهد که ویژگی‌هایی مانند جذب در طول‌موج‌های خاص و کاهش ярانِ خروجی با سناریوی جو ضخیم سازگار است.

مشاهدات بسیار فشرده و دقیق بودند: در چارچوب برنامهٔ ناظرین عمومی JWST شمارهٔ 3860، تیم به‌طور پیوسته بیش از 37 ساعت سامانه را پایش کرد تا TOI-561 b تقریباً چهار مدار کامل را طی کند. این پوشش زمانی طولانی به پژوهشگران کمک کرد تا روشنایی سمت روز را با اطمینان بیشتری اندازه‌گیری کنند و آغاز به نقشه‌برداری خواص حرارتی اطراف سیاره نمایند. زمان‌بندی مداوم و نمونه‌برداری کافی برای ساختن منحنی‌های فازی و استخراج سیگنال‌های ضعیف بسیار مهم است.

تفسیر داده‌ها: جو، ماگما و ابرها

چندین توضیح فیزیکی مختلف بررسی شد. یک سطح مذاب — اقیانوس ماگما جهانی — می‌تواند از طریق همرفت گرما را توزیع کند و لایهٔ نازکی از بخار کانی‌ها بالای لاوا می‌تواند تابش مشاهده‌شده را تغییر دهد. با این حال، مقایسهٔ مدل‌ها نشان می‌دهد که این اثرات به‌تنهایی به‌ندرت می‌توانند خنک‌شدن مشاهده‌شده در نیم‌روشن روز را تا میزانی که اندازه‌گیری شده تولید کنند. به عبارت دیگر، تنها یک سطح مذاب بدون جو قوی قادر به توضیح همهٔ ویژگی‌های طیفی و دمایی نیست.

در عوض، داده‌ها بهتر با وجود یک جو ضخیم غنی از فرارپذیرها توضیح داده می‌شوند. چنین جویی می‌تواند گرما را از طریق بادهای قدرتمند به سمت نیم‌کرهٔ شب منتقل کند و دمای سمت روز را کاهش دهد. گونه‌های مولکولی مانند بخار آب، در صورت حضور، می‌توانند طول‌موج‌های مشخصی در ناحیهٔ نزدیک‌فروسرخ را جذب کنند؛ این جذب پیش از آن رخ می‌دهد که فوتون‌ها ستون جوی را طی کنند و به آشکارسازهای JWST برسند و موجب شود سیاره برای رصدها خنک‌تر به‌نظر آید. حضور ابرهای روشن سیلیکاتی نیز یک عامل محتمل دیگر است: ابرهایی که از کانی‌های سازندهٔ سنگ تشکیل شده‌اند می‌توانند نور ستاره را بازتاب دهند و خروجی تابشی گرمایی را دگرگون کنند و در نتیجه روشنایی اندازه‌گیری‌شده را بیشتر کاهش دهند.

«برای توضیح تمام مشاهدات واقعاً به یک جو ضخیم غنی از فرارپذیرها نیاز داریم،» گفت آناجالی پیته (دانشگاه بیرمنگام)، هم‌نویسندهٔ مقاله. پیته تأکید می‌کند که هم جذب گازی و هم پراکندگی توسط ابرها می‌توانند به شکل طیف و کاهش دمای ظاهری کمک کنند. ترکیب این فرآیندها طیف‌سنجی را پیچیده می‌سازد و نیاز به مدل‌سازی دقیق انتقال تشعشع دارد.

سرنخ‌های ترکیب از چگالی و شیمی ستاره‌ای

چگالی کلی TOI-561 b یک معماست. با اینکه به‌عنوان یک سیارهٔ سنگی طبقه‌بندی می‌شود، اما چگالی آن کمتر از آن چیزی است که برای ترکیب شبیه به زمین انتظار می‌رود. دو توضیح برجسته عبارت‌اند از:

  • هستهٔ آهنی نسبتاً کوچک همراه با بخش میانی (مانتل) ساخته‌شده از سنگ‌هایی با چگالی کمتر؛ یا
  • یک پوشش گازی قابل‌توجه که شعاع مشاهده‌شدهٔ سیاره را افزایش می‌دهد و برآوردهای چگالی کلی حاصل از جرم و شعاع را کاهش می‌دهد.

هر دو گزینه به محیط تشکیل سیاره مرتبط‌اند. ستارهٔ میزبان دو برابر سن خورشید است و متعلق به دیسک ضخیم کهکشان راه شیری است و امضای شیمیایی آن حاوی آهن کم است. سیاراتی که در آن ناحیهٔ قدیمی و از نظر شیمیایی متمایز از کهکشان شکل گرفته‌اند می‌توانند ترکیباتی متفاوت از آنچه در منظومهٔ خورشیدی ما مشاهده می‌شود به ارث برده باشند. «TOI-561 b حتماً در یک محیط شیمیایی بسیار متفاوت از سیارات منظومهٔ ما شکل گرفته است،» به‌گفت یوهانا تسکه، نویسندهٔ اصلی و پژوهشگر آزمایشگاه زمین و سیارات کارنگی. آن محیط می‌تواند نوع سنگ‌ها و بودجهٔ فرارپذیرها را به گونه‌ای رقم بزند که هم یک درونِ کم‌چگالی‌تر را ممکن سازد و هم عناصر لازم برای نگهداری جو در زمان حال را فراهم کند.

چگونه یک جو می‌تواند این‌همه زمان دوام آورد؟

یکی از سؤال‌های جالبِ مطرح‌شده توسط این کشف این است که چگونه هر گونه جو می‌تواند روی سیاره‌ای کوچک و به‌شدت تابش‌پذیر باقی بماند، به‌ویژه زمانی که ستارهٔ میزبان پیر است. تیم پژوهشی توازن پویایی بین اقیانوس ماگما و جو را پیشنهاد می‌کند: هنگامی که فرارپذیرها از سنگ مذاب تبخیر شده و جو را تجدید می‌کنند، ماگما نیز می‌تواند گازها را دوباره به درون داخلی سیاره بازجذب کند. این تبادل مستمر می‌تواند نرخ خالص فرار جوی به فضا را کند کند و یک پوشش پایدار اما در حال فرار را در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناختی نگه دارد.

«برای توضیح مشاهدات، این سیاره باید بسیار، بسیار غنی‌تر از زمین از نظر فرارپذیرها باشد،» می‌گوید تیم لیختنبرگ (دانشگاه خرونینگن)، بخشی از همکاری AEThER (پژوهش تجربی، نظری و آزمایشی جو). «واقعاً شبیه یک توپ لاوای نمناک است.» این تصویر کنایی ایدهٔ همبستگی پیوسته را دربارهٔ اینکه سطح سیاره جو را تغذیه می‌کند، جو گرما را منتقل می‌کند و تا حدی سطح را محافظت می‌کند حتی وقتی بخشی از گازها از دست می‌رود، به‌خوبی منتقل می‌کند. این تعاملات سطح-جو برای مدل‌سازی فرار اتمسفر و بقای ترکیبات فرّار حیاتی هستند.

دلالت‌های گسترده‌تر برای علم سیارات فراخورشیدی

اگر تأیید شود، وجود جو TOI-561 b واضح‌ترین شناسایی تاکنون از یک پوشش گازی قابل‌توجه پیرامون یک سیارهٔ سنگی فرای منظومهٔ خورشیدی ما خواهد بود. این نتیجه روایت‌های ساده‌ای را که می‌گویند سیارات با دورهٔ مداری بسیار کوتاه ناگزیر به سنگ لخت تبدیل می‌شوند، به چالش می‌کشد و نشان می‌دهد که نتایج ممکن متنوع‌تر و تحت تأثیر شیمی شکل‌گیری، ساختار داخلی و تبادل مستمر سطح-جو قرار دارند.

این یافته‌ها همچنین دامنهٔ انواع دنیایی را که JWST می‌تواند مشخصه‌یابی کند گسترش می‌دهد. در حالی که توجه زیادی به سیارات سنگی معتدل و بالقوه قابل‌سکونت یا نپتون‌های کوچک غنی از گاز معطوف شده بود، TOI-561 b نمونه‌ای از حالت‌های انتهایی بسیار داغ است که در آن‌ها شیمی دما-بالا، اقیانوس‌های ماگما و ابرهای مقاوم در برابر فرارپذیری مشاهدات را شکل می‌دهند. هر یک از این فرایندها اثرات طیفی متمایزی به جای می‌گذارند که مشاهدات آینده می‌توانند آن‌ها را از هم تفکیک کنند و اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ ترکیب مولکولی (از آب تا اکسیدهای فلزی و سیلیکات‌ها) ارائه دهند.

گام‌های بعدی و مشاهدات آینده

تیم پژوهشی اکنون در حال پردازش کامل دادگان JWST برای تولید نقشهٔ حرارتی اطراف سیاره و محدودسازی دقیق‌تر ترکیب اتمسفری است. مشاهدات اضافی کسوف ثانویه، پایش منحنی فاز که تغییرات روشنایی را در طول مدار دنبال می‌کند، و مقایسهٔ حالت‌های مختلف رصد با ابزارهای متفاوت JWST می‌توانند به شناسایی جذب‌کننده‌های مولکولی (مانند آب، سیلیکات‌ها، اکسیدهای فلزی) و ابرها کمک کنند. پیگیری‌های زمینی همراه با کار نظری دربارهٔ شیمی ماگما-جو مدل‌های از دست رفتن و حفظ فرارپذیرها را پالایش خواهند کرد.

دانشمندان کارنگی که پروژه را رهبری می‌کنند تأکید می‌کنند که این تازه نقطهٔ آغاز است: نتایج اولیهٔ NIRSpec سؤالات جدیدی را باز می‌کند در حالی که پاسخ‌های شگفت‌آوری ارائه می‌دهد. مایکل والتر، مدیر آزمایشگاه زمین و سیارات، این کار را بخشی از یک پیوستار دانست؛ تیم‌های کارنگی از برنامه‌ریزی اولیهٔ مأموریت JWST تا چرخه‌های رصدی کنونی در آن مشارکت داشته‌اند و انتظار کشف‌های بیشتری در آینده می‌رود. همکاری میان رصدگرها، تحلیل‌گران داده و نظریه‌پردازان برای تفسیر کامل این داده‌ها ضروری خواهد بود.

دیدگاه کارشناسان

«یافته‌هایی مانند این مجبورمان می‌کند تا دربارهٔ حالت‌های پایانی تکامل سیارات سنگی بازاندیشی کنیم،» می‌گوید دکتر النا رویز، دانشمند سیارات که در این مقاله حضور نداشت. «ما قبلاً خطوط نسبتاً مستقیمی می‌کشیدیم: تابش زیاد یعنی از دست رفتن مؤثر اتمسفر. اما وقتی سطح فعالی دارید، تبادل ماگما-جو و ابرهای مقاوم، تصویر پیچیده‌تر می‌شود. وب حساسیت طیفی لازم را به ما می‌دهد تا شروع به جداکردن این فرایندها کنیم و TOI-561 b مثل یک موردِ درسی برای مطالعهٔ جوهای دمای بالا و شیمی سطحی به‌نظر می‌رسد.»

دکتر رویز تأکید می‌کند که کار مدل‌سازی آینده باید دینامیک داخلی، تبخیر سطح و فرار اتمسفری را به هم پیوند دهد تا بتوان مشاهدات را دقیقاً پیش‌بینی کرد. «تنها با لینک‌کردن این سامانه‌ها است که می‌توانیم بفهمیم آیا TOI-561 b یک ناهنجاری است یا یک کلاسِ پیش‌تر نامرئی از جوهای باقیمانده.»

نتیجه‌گیری

کشف وب از نیم‌روشن روزی خنک‌تر از انتظار در TOI-561 b به‌شدت دلالت بر وجود یک جو ضخیمِ غنی از فرارپذیرها بالای یک اقیانوس ماگما جهانی دارد — یک کشف شگفت‌انگیز برای یک ابرزمین پیر در یک مدار افراطی. این نتیجه مدل‌های سادهٔ از دست رفتن اتمسفر در سیارات کوچک و داغ را به چالش می‌کشد و به نقش محیط شکل‌گیری و ترکیب داخلی تأکید می‌ورزد. مشاهدات مداوم JWST و پژوهش‌های نظری برای رمزگشایی ترکیب اتمسفر، مکانیسم‌های پایش و پیامدها برای تشکیل سیاره در سراسر کهکشان ضرورت خواهند داشت. با توسعهٔ تحلیل‌های طیفی، شبیه‌سازی‌های انتقال تشعشع و مدل‌های شیمی-دینامیکی داخلی، می‌توان انتظار داشت که در سال‌های آینده تصویر روشن‌تری از این نوع سیارات به‌دست آید.

این طرح هنری نشان می‌دهد که ابرزمین فوق‌العاده داغ TOI-561 b چگونه ممکن است بر اساس مشاهدات تلسکوپ جیمز وب و رصدخانه‌های دیگر به‌نظر برسد. داده‌های وب نشان می‌دهد که سیاره با وجود تابش شدید، توسط یک جو ضخیم بالای اقیانوس ماگما پوشیده شده است و این یک هدف مهم برای مطالعات آینده در زمینهٔ اتمسفر سیارات دما-بالا، شیمی ماگمایی و نجوم فراخورشیدی است.

منبع: scitechdaily

ارسال نظر

نظرات

مطالب مرتبط