آشکار سازی جهانهای دور

● ستاره شناسان تا كنون بیش از ۱۶۰ سیاره بیرون از منظومه خورشیدی كشف كرده اند.واقعاً این دنیاها چه شكلی هستند؟
تاسال ۱۹۹۹ ،ستاره شناسان قاطعانه وجود۳۰ سیاره فراخورشیدی را تصدیق كرده بودند. اما ما واقعاً هیچ چیز درباره ی آنهابه جز جرم و مدارشان نمی دانستیم . برای اینكه حتی به آسانترین سوالات درباره خصوصیات فیزیكی آنها پاسخ دهیم، می بایست سیاره ای دارای گذر (Transit) كشف می كردیم كه از مقابل ستاره ی اصلی بگذرد به طوری از روی زمین قابل مشاهده باشد. طبق قوانین احتمالات و تعداد در حال افزایش سیارات بیرونی (فرا خورشیدی )، می دانستیم كه جسم عبور كننده بالاخره در هر زمانی كشف خواهد شد.
من(نویسنده مقاله) آن قدر به این یقین داشتم كه بعد از تعطیلاتی یك ماهه ودوری از تلفن،ایمیل و روزنامه،اولین سوالی كه پرسیدم این بود: آیا در این مدت ستاره شناسان سیاره ای دارای ترانزیت كشف كرده اند؟!
حالا ما بیش از ۱۶۰ سیاره ی بیرونی پیدا كرده ایم و میل ما برای توصیف آنها شدت یافته است.نزدیك۳۰مشتری مانندداغ مثل۵۱فرس b شناخته شده اند.
كشفیات اخیر این طبقه بندی را به اجرام داغ هم جرم نپتون و حتی اجرام داغ باجرم فوق زمین گسترش داده است.
برخلاف همدمان منظومه ای آنان، بیشتر این سیارات مداراتی با خروج از مركز خیلی بالا دارند و به طور شگفت انگیزی به ستاره ی مادر نزدیكند- در فضای كوچكی برای سیارات كوچك مثل زمین. مطلب مورد اشتراك تمام این كشفیات این است كه ساختار این سیارات گوناگون و تصادفی است، ظاهراً این احتمالات ، جرم، اندازه، فاصله از ستاره و خصوصیات دیگر را شامل می شود. تقریباً تمام سیارات بیرونی به طور غیرمستقیم و از طریق روش اثر داپلر كشف شدند، روشی كه دو شخص با نامهای آرپاول باتلرR.paul Butler) )و جفری دابلیو مارسی(Geoffrey W.Marcy) از طریق آن ،ستاره ای را برای بررسی حركت جزیی تحریك شده توسط سیاره اش، مورد مطالعه قرار دادند.
نوسان یك ستاره تنها به مدار و حداقل جرم سیارات شناخته نشده آن باز می گردد. این اندازه گیری ها سوالات زیادی را بی پاسخ می گذارند. آیا این سیارات،گازی واصولاً شبیه برجیس و كیوان هستند یا سنگی و مثل سیارات زمینی یا چیزی بین این دو هستند ؟ اگر در صفحه ای مستدیر،آنگونه كه درفرضیه شكل گیری ستارگان لازم است ،شكل گرفته اند ،چگونه دارای خروج از مركزی به این بالایی هستند ؟
آیا به مكان فعلی خود مهاجرت كرده اند؟ طبیعت و تركیبات اتمسفر آنان چگونه است؟ آیا مشتری مانندهای داغ،اتمسفرهای ضخیم دارند،یا اینكه اتمسفر آنان توسط گرمای ستاره ی مادر شان بخارشده؟آیا دارای حلقه یاقمرهایی هستند؟بااین احتمالات جالب،ستاره شناسان می خواهند فقط از دانستن اینكه این سیارات وجود دارند فراتر روند.
ما می خواهیم این داده ها را مثل سیارات منظومه ی خودمان، به جهان واقعی تعمیم دهیم. متاسفانه ما فعلاً نمی توانیم از ابزار معمولی مان برای مطالعات اجرام دوراستفاده كنیم-همچون طیف سنجی-چون درخشندگی و تشعشعات زیاد ستارگان همجوار تابش ضعیف این سیارات را می پوشاند.
برای بدست آوردن طیف یك سیاره ی بیرونی در طول موجهای مرئی، یك تلسكوپ با آینه هایی جندین هزار بار صاف تر و تكنیكهایی یك میلیون بار بهتر از تكنیكهای سد كننده ی نور ستارگان نسبت به تلسكوپهای فعلی نیاز است. خوشبختانه طبیعت با دسته ای از سیاراتش خیلی سخاوتمند است و مجموعه ای از سیارات دارای ترانزیت فراهم می كند كه ما می توانیم قبل از عكسبرداری مستقیم و انجام طیف سنجی ، مطالعاتی انجام دهیم.
در اواخر سال ۱۹۹۹، اخترشناسان اعلام كردند كه سیاره ی اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی از مقابل ستاره اش عبور می كند. با داشتن دوره ی تناوب ۳.۵ روزه به دور ستاره ای درخشان(قدر ۷.۶)،Rosetta stone برای نشان دادن مشخصه های سیارات فرا منظومه ای تبدیل شده است. و تعداد در حال افزایش سیارات دارای گذر این شكل را كامل می كند.
● چه چیز مخفی مانده است؟
سیارات دارای ترانزیت تنها اجرامی هستند كه ستاره شناسان خصوصیات فیزیكی آنان را می توانند اندازه بگیرند. چگالی(جرم بر حجم) اساسی ترین پارامتر فیزیكی در بین تمامشان هست، چرا كه به ما درباره ی تركیبات عمده ی سیاره می گوید. اخترشناسان می توانند جرم سیاره ی ترانزیت كننده را از انداره گیریهای سرعت شعاعی سیاره تعیین كنند و مقدار تضعیف نور ستاره به ما اندازه ی سیاره را می دهد.
از این روش ما فهمیدیم كه ۸ تا از ۹ سیاره ی دارای ترانزیت چگالیهای كمی دارند پس باید اجرام گازی باشند كه از تركیب هلیوم و هیدروژن اند( مثل مشتری و زحل).اما دو تا از سیارات بیرونی چنان عجیب و غریب هستند كه جرقه ای برای تحقیقاتی گسترده اند. اولین كشف شده ها، اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی، قطرهایی ۳۵% بیشتر از قطر مشتری و جرمهایی دو سوم مشتری دارتد. این اعداد نشان دهنده ی چگالی كم ۰.۳۳ گرم در هر سانتیمتر مكعب است (كم چگالیترین سیاره ی منظومه ی ما سیاره كیوان است،كه چگالی اش ۰.۶۹ g/cm۳ است).اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی، نسبت به وزنش خیلی بزرگ است.
غولهای گازی داغ و بزرگ متولد می شوند، اما در پیری سرد و منقبض می شوند. این سیاره هم احتمالاً قریب به اندازه و دمای برجیس منقبض و سرد شده است،اما منبع گرمایی دیگر(علاوه بر ستاره نزدیكش) كه مستمراً به داخل سیاره منتقل می شود محتمل ترین راه برای متورم ماندن سیاره است.
● منبع این انرژی از كجاست؟
شاید بادهای ستاره ای كسر كوچكی از انرژی ستاره را به سیاره منتقل می كنند. عمل همرفتی هم می تواند این انرژی را به مركز سیاره منتقل كند. ولی چرا چنین فرایندگرمسازی كلی بردیگرسیارات دارای ترانزیت شناخته شده تاثیر نمی گذارد . محتمل ترین توضیح گرم سازی كشندی است.
با این مجاورت نزدیك، ستاره ی مادر برآمدگی كشندی در اتمسفر مشتری مانند داغ ایجاد می كند. با استمرار این تورم طی میلیونها سال، ستاره ، مشتری مانند داغ را به كسب مداری مستدیر وادار می كند.
در بیشتر موارد ستاره تكانی سخت و شدید به محور چرخشی سیاره وارد می كند كه آنرا عمودی كرده و به صفحه ای مداری تبدیل می كند. اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی مداری دایره ای دارد، همانطور كه انتظار می رفت، ولی انحراف محوری اش اندازه گرفته نشده است.
اگر محور سیاره در اثر تشدیدكج شده باشد، تورم كشندی توسط ستاره ای كه می خواهد جنوب و شمال سیاره را در تمام ۳.۵ روز سال آن در هم ریزد، بالا می رود، و باندازه كافی گرمای درونی برای متورم نگاه داشتن سیاره را تولید می كند.
به ندرت عواملی مثل تاریخ جابجایی سیاره، زمان تصادم و وجود سیارات اضافی یك مشتری مانند داغ را به این حالت غیرعادی در می آورد، كه می تواند توضیح دهد كه چرا اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی تنها سیاره ی دارای ترانزیت بیرونی با این چگالی است. اخترشناسان حتی از دومین سیاره ی غول پیكر دارای ترانزیت غیرعادی، بهت زده تر شدند،اچ دی ۱۴۹۰۲۶ بی- عجیبترین حیوان در باغ وحش سیارات است.
این سیاره به طور شگفت انگیزی نسبت به حجمش چگال است(۱.۴ g/cm۳) كه باید ۵۰ تا ۷۰ درصدش از عناصر سنگین تشكیل شده باشند.اچ دی ۱۴۹۰۲۶ بی این قدر با سیاره ی ترانزیت كننده تفاوت دارد،كه به طور برجسته از هیدروژن و هلیوم تشكیل شده اند. اخترشناسان هنوز به توافق نرسیده اند كه چگونه اج دی ۱۴۹۰۲۶ بی می تواند با چنین مواد سنگینی شكل گرفته باشد(قابل قیاس با تمام موادی كه در سیارات منظومه ی شمسی ما تركیب شده اند).این یك نمونه مخالف با فرضیات متداول است كه تمام سیارات بیرونی پرجرم غولهای گازی مانند مشتری و زحل هستند.
● كاهش نور ستاره
فراتر ازاندازه گیری چگالی اختر شناسان می توانند اتمسفرهای سیارات مشتری گون داغ دارای ترانزیت راشناسایی كنند.وقتی یك سیاره ازجلوی ستاره مادرش عبورمی كند، مقدار كمی ازنور ستاره بااتمسفر بالایی برخورد می كند.
گازهای اتمسفری،كمی ازاین نور را در طول موجهای خاصی جذب می كنند كه خطوط جذبی خیلی ضعیفی روی طیف ستاره ایجاد می كند.با مقایسه ی طیفهای گرفته شده قبل و در طول ترانزیت، ستاره شناسان می توانند مواد شیمیایی در اتمسفر سیاره را شناسایی كنند.با پیش بینی های جسورانه در شناسایی اتمسفر یك سیاره ی بیرونی،من (نویسنده مقاله)در سال۱۹۹۹مقاله ای درهاروارد-اسمیت سونیان(Harvard-Smithsonian) مركز دانشگاه اخترفیزیك دیمیتار ساسلوف) نوشتم. ما پیش بینی كردیم كه سدیم تركیبی بسیار قوی است، اگر تركیب عمده ی جذب شده در طول موجهای مرئی نباشد.
ما اساس پیش بینی را اساساً دمای سیاره قرار دادیم.یك گوی گازی بایددمایی برابر ْ۱۰۰۰ تا۱۵۰۰ْ كلوین در فاصله مشتری مانند داغ با ستاره ی مادر داشته باشد.
در این دماها، بخار آب، مونوكسید كربن، فلزات قلیایی و احتمالاً متان باید گازهای اصلی جذب كننده نور ستاره باشند. اما فقط سدیم فلزات قلیایی و پتاسیم،نور را قویاً در طول موجهای مرئی جذب می كنند.
فقط دو سال بعد دیویدچاربوناوDavid Charbonneau) ) از مركز اخترفیزیك هاروارداسمیت سونیان و تیموثی براون( Timothy Brown)از مركز ملی تحقیقات اتمسفری و همكارانشان شناسایی اولین اتمسفر یك سیاره بیرونی را اعلام كردند. بعد از ساختن مدلهای كامپیوتری از اتمسفرهای مشتری مانندهای داغ در طول چند سال ، من از یك رصد جدی،خیلی هیجان زده شدم. با استفاده از تلسكوپ فضایی هابل، گروه كاربناو و براون در اتمسفر سیاره ی اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی سدیم را همانطور كه ما پیش بینی كرده بودیم ،شناسایی كردند.
این كشف مهم در تاریخ به ما اولین دسته بندی از اتمسفر مشتری مانندهای داغ را داد.شناسایی سدیم تصویر اساسی ما از این جهانها را حمایت می كرد. اما همانگونه كه انتظار می رفت، اندازه گیری به ما نشان داد كه مدل نمونه ما اشتباه و خط جذبی سدیم از آنچه پیش بینی می شد خیلی ضعیفتر بود.
ابرهای داغ متشكل از غبار سیلیكات یا غبار آهن مایع می توانست با جلوگیری از مشاهده قسمت عظیمی از جو ، نشان سدیم را كاهش دهد(مثل تكه ای از ابر كه از دید یك هواپیما جلوی مشاهده زمین را می گیرد.
دوران اتمسفری سردتر از دماهایی كه انتظار می رفت ،اثرات شیمیایی از تشعشعات پرتو فرابنفش ستاره مادر، یا مقدار كمی سدیم می توانست عمل جذب راكاهش دهد، اما هنوز اطلاعات كافی برای تعیین توضیحات درست در دست نیست.
كشف اخیر یك مشتری مانند داغ دارای ترانزیت در كنار ستاره ی قدر هشتم HD ۱۸۹۷۳۳ به ما فرصتی طلایی برای مطالعه ی اتمسفر سیاره های فراخورشیدی، با استفاده از مزایای كسوف ثانویه، اهدا می كند.
● آینده ای جالب
سیلی از اطلاعات درباره ی HD۲۰۹۴۵۸b در سال جدید دسته بندی اتمسفر یك سیاره فراخورشیدی را برای اولین بار با جزییات، مقدور می سازد. با استفاده از سه ابزار تلسكوپ فضایی اسپیتزر، ما می توانیم به همان خوبی كه دمای سطح سیاره را اندازه می گیریم، به وجود بخار آب، مونوكسید كربن و متان هم اشاره كنیم.
به علاوه تلسكوپ كوچك كانادایی موست most ( Microvariability and Oscillations of STars) هم HD ۲۰۹۴۵۸b را در طول موجهای مرئی و با استفاده از گرفتهای ثانویه مكرر ،رصد كرده كه نورمنعكس شده سیاره راتخمین می زند. پس از تكمیل تجزیه و تحلیل، این می تواند به ما نشان دهد كه آیا ابری وجوذ دارد یا نه؟ بعلاوه، براون و همكارانش در حال بررسی طیفهای هابل هستند كه چند سال پیش در هنگام ترانزیتهایی و برای اندازه گیری میزان بخار آب گرفته شد.
اسپیتزر با دو تا از ابزارهایش TrES-۱ را هم رصد می كند.
همچنین در ماههای آتی اسپیتزر هفت مشتری مانند داغ بدون ترانزیت را نیز برای پیدا كردن بروندادهای مختلف نور در مدارشان رصد می كنند. این سیارات مشتری مانند باید به طرز جزر و مد گونه ای نسبت به ستاره ی مادرشان قرار گرفته باشند، بطوریكه همیشه یك سمت خود را به ستاره مادرشان نشان می دهند، مثل ماه كه از روی زمین تنها یك سمتش قابل مشاهده است.باقسمتهای ابدی شب و روز،سیاره دو دمای كاملاً متغیر راتجربه می كند . بادهای خیلی سریع، كه شاید سرعتشان به سرعت صوت نیز برسد، ممكن است گرما را از طرف روز به طرف شب پخش كند.
اندازه گیری هر اختلاف مداری می تواند به اخترشناسان كمك كند كه دریابند انرژی جذب شده ی ستاره ای،در سیاره جریان دارد. در چند سال آینده، تحقیقات درباره سیارات ترانزیت دار كه در روی زمین انجام می گیرد، سیارات فراخورشیدی بسیاری آشكار خواهند شد. بویینگ ۷۴۷ اصلاح شده ی ناسا به نام سوفیا (Stratospheric Ovservatory for Infrared Astronomy) از جایگاهش و از فراز بیشترقسمتهای جو زمین، و با استفاده از تلسكوپ فروسرخ ۲.۵ متری اش، سیارات ترانزیت دار را در هنگام كسوف اولیه و ثانویه مورد مطالعه قرار می دهد.
سوفیا ماموریت علمی اش در دو سال آینده آغاز می شود. فضاپیمای ساخت فرانسه و سازمان فضایی اروپا، كوروت) Corot)در سپتامبر ۲۰۰۶ به بالای جوزمین پرتاب می شود، همچنین فضاپیمای كپلر ناسا، كه برای پرتاب در سال ۲۰۰۸ برنامه ریزی شده، به دنبال سیارات ترانزیت دار كوچك می گردند.
فقط تلسكوپهای فضایی این دقت را برای شناسایی چنین اجسامی دارند. كپلر اجسام هم اندازه ی زمین را پیدا می كند،مثل بسیاری از سیارات هم اندازه ی مشتری، نپتون و ابر زمین ها در فواصل مختلف از ستاره ی مادرشان.
از اندازه گیری های تراكم سیارات سنگینتر و بزرگتر، ما قادر خواهیم بود بر روی تكامل و ساختار عمده ی آنها مطالعه كنیم.در دهه ی بعدی تلسكوپ فضایی فروسرخ جیمز وب(JWST) ناسا كه برای پرتاب در سال ۲۰۱۴ برنامه ریزی شده، سیاره ای فراخورشیدی و ترانزیت كننده را به روش اسپیتزر و هابل مطالعه خواهد كرد.
سیارات فراخورشیدی مشتری مانند دور از سیارات مادرشان خیلی جالبند، از این رو ما می خواهیم آنها را با غولهای گازی منظومه ی خود مقایسه كنیم. JWST همچنین قادر به شناسایی تشعشعات گرمایی از نپتون مانند ها و حتی زمین مانند های داغ می باشد . مشخصاً كارهای زیادی باید انجام شود قبل از اینكه اخترشناسان قادر به حذف نور ستاره و تصاویر مستقیم از سیارات هم سن منظومه ی شمسی در طی ۱۵ سال آینده یا بیشتر بشوند. برای هزاران سال مردم از خود می پرسیده اند كه آیا در این جهان تنها هستند؟
در سال ۴۵۰ قبل از میلاد، فیلسوف یونانی اپیكوروس(Epicurus)درباره جهانهای لایتناهی شبیه و متفاوت با دنیای ما اندیشید. از زمان پرتاب تلسكوپ جوینده ی سیارات فرازمینی ناسا و تلسكوپ داروین سازمان فضایی اروپا( NASA Terrestrial Planet Finder and the European Space Agency Darwin ) حداقل یك دهه می گذرد، كه این تلسكوپها موفق به كشف و مطالعه ی مستقیم روی دنیاهای زمین مانند شده اند، ولی كشفیات اخیر نشان داده كه چطور سیارات خارجی می توانند از نظر جنس و مواد از اجرام شبیه خود در منظومه ی شمسی تفاوت داشته باشند.
حتی شاید سیارات غیرعادی بیشتری كه شامل دنیاهای آبی كه نیمی از آن آب مایع اند و سیارات كربنی،كه نیمی تركیب شده با كربن و دارای پوسته ای از الماس هستند،آشكار شوند. ما دریافته ایم كه طبیعت ،از نظریه پردازان ماهر ما در ساختن منظومه های خورشیدی خلاق تر است. سالیان آینده به ما نشان خواهند داد كه سیارات فراخورشیدی تا چه حد می توانند عجیب باشند.

نویسنده : سارا سیگر
مترجم :آرش فراست
منبع : مجله S & T فوریه ۲۰۰۶

منبع : انجمن نجوم آماتوری ایران (IAAS)