آشکارسازی جهان‌های دور

● نگاهی به ویژگی های سیاره های فراخورشیدی
ستاره شناسان تاکنون بیش از ۱۶۰ سیاره را بیرون از منظومه خورشیدی کشف کرده اند. به راستی این دنیاها واقعاً چه شکلی هستند؟ تا سال ۱۹۹۹، ستاره شناسان قاطعانه وجود ۳۰ سیاره فراخورشیدی را تایید کرده بودند.
اما به جز جرم و مدارشان، واقعاً هیچ چیز درباره آنها نمی دانستیم. برای اینکه حتی به آسان ترین پرسش ها درباره خصوصیات فیزیکی آنها پاسخ دهیم، می بایست سیاره یی دارای گذر (Transit) کشف می کردیم. در پدیده گذر برای ما که از زمین به این سیاره می نگریم، سیاره از مقابل ستاره اصلی می گذرد.
طبق قوانین احتمالات و تعداد در حال افزایش سیاره های فراخورشیدی می دانستیم که جسم گذرکننده بالاخره زمانی کشف می شود. من آنقدر به این موضوع یقین داشتم که بعد از تعطیلاتی یک ماهه و دوری از تلفن، ای میل و روزنامه، اولین سوالی که پرسیدم این بود؛ آیا در این مدت ستاره شناسان سیاره یی دارای گذر کشف کرده اند؟، اکنون بیش از ۱۶۰ سیاره فراخورشیدی پیدا کرده ایم و تمایل ما برای توصیف آنها شدت یافته است. نزدیک ۳۰ مشتری مانند داغ مثل ۵۱ فرس b شناخته شده اند.
طبق کشف های اخیر این طبقه بندی به اجرام داغ هم جرم نپتون و حتی اجرام داغ با جرم فوق زمین گسترش یافته است. بیشتر این سیار ه ها برخلاف سیاره های مشابه آنها در منظومه خورشیدی، مدار هایی با خروج از مرکز خیلی بزرگ دارند و به طور شگفت انگیزی به ستاره مادر نزدیکند و در نتیجه برای سیاره های کوچکی مثل زمین جایی باقی نمی ماند.
چیزی که در تمام این کشف ها مشترک است آن است که ساختار سیاره ها گوناگون و تصادفی است، ظاهراً این احتمالات شامل جرم، اندازه، فاصله از ستاره و خصوصیات دیگر می شود. تقریباً تمام سیاره های فراخورشیدی به طور غیرمستقیم و از طریق روش اثر داپلر کشف شدند. افرادی با نام های «پول باتلر» (Paul Butler) و «جفری مارسی» (Geoffrey W.Marcy) از دانشگاه کالیفرنیا با استفاده از این روش، حرکت های جزئی یک ستاره که به وسیله سیاره مورد نظر ایجاد شده است را بررسی کردند.
نوسان ستاره تنها نشان دهنده مدار و حداقل جرم سیاره های شناخته نشده آن است. این اندازه گیری ها پرسش های زیادی را بی پاسخ می گذارند، از جمله؛ آیا این سیاره ها، گازی و اصولاً شبیه مشتری و کیوان هستند یا سنگی مثل سیارات زمینی؛ یا چیزی بین این دو؟ اگر همان گونه که در فرضیه شکل گیری ستارگان لازم است، این سیاره ها در صفحه یی دایره یی شکل گرفته اند، چرا خروج از مرکزی به این بزرگی دارند؟ آیا به مکان فعلی خود مهاجرت کرده اند؟ ماهیت و ترکیب شیمیایی جو آنها چیست؟
آیا مشتری مانندهای داغ جو ضخیمی دارند یا جو آنان توسط گرمای ستاره مادرشان بخار شده است؟ آیا حلقه یا قمرهایی دارند؟ ستاره شناسان می خواهند با توجه به این احتمال های جالب، از دانستن صرف اینکه این سیارات وجود دارند یا خیر، فراتر روند. می خواهیم این داده ها را مثل سیاره های منظومه خودمان، به جهان واقعی تعمیم دهیم.
متاسفانه فعلاً نمی توانیم از ابزار معمولی مان (طیف سنجی) برای بررسی اجرام دور استفاده کنیم چون درخشندگی و تشعشعات زیاد ستارگان همجوار، تابش ضعیف این سیاره ها را می پوشاند. برای به دست آوردن طیف یک سیاره فراخورشیدی در طول موج های مرئی، به تلسکوپی با آینه هایی چندین هزار بار صاف تر و تکنیک هایی یک میلیون بار بهتر از تکنیک های سدکننده نور ستارگان از تلسکوپ های فعلی نیاز است. خوشبختانه طبیعت با دسته یی از سیار ه هایش (سیاره های دارای گذر) خیلی سخاوتمند است و مجموعه یی فراهم می کند که ما می توانیم قبل از عکسبرداری مستقیم و انجام طیف سنجی، بررسی هایی انجام دهیم.
در اواخر سال ۱۹۹۹، اخترشناسان اعلام کردند که سیاره HD۲۰۹۴۵۸b از مقابل ستاره اش عبور می کند. این سیاره با داشتن دوره تناوب ۵/۳ روزه به دور ستاره یی درخشان به نام Rosetta stone با قدر ۶/۷ به ابزاری برای نشان دادن مشخصه های سیاره های فرامنظومه یی تبدیل شده است. تعداد در حال افزایش سیاره های دارای گذر این تصویر را کامل می کند.
● اهمیت این سیاره ها در چیست؟
سیاره های فراخورشیدی دارای گذر تنها اجرامی هستند که ستاره شناسان هم اکنون می‌توانند خصوصیات فیزیکی آنان را اندازه بگیرند. چگالی (جرم تقسیم بر حجم) اساسی ترین پارامتر فیزیکی در بین تمام آنها است، چرا که درباره ترکیب های شیمیایی اصلی سیاره اطلاعاتی به ما می دهد.
اخترشناسان می توانند جرم سیاره گذرکننده را از اندازه گیری های سرعت شعاعی سیاره تعیین کنند. مقدار تضعیف نور ستاره طی گذر سیاره، نشان دهنده اندازه سیاره است.
با استفاده از این روش دریافتیم که از ۹ سیاره دارای گذر ۸ سیاره چگالی کمی دارند، پس باید اجرام گازی باشند که مانند مشتری و زحل به طور عمده از هلیوم و هیدروژن ساخته شده اند. اما دو تا از سیاره های فراخورشیدی چنان عجیب و غریب هستند که آتش پژوهش های بیشتر را برافروختند. قطر اولین سیاره فراخورشیدی کشف شده با نام HD۲۰۹۴۵۸b ۳۵درصد بیشتر از قطر مشتری و جرمش دوسوم مشتری است.
این اعداد نشان دهنده چگالی کم۳۳/۰ گرم در هر سانتی متر مکعب است (کم چگالی ترین سیاره منظومه ما سیاره کیوان است که چگالی اش ۰/۶۹ گرم بر سانتی متر مکعب است). HD۲۰۹۴۵۸b، نسبت به وزنش خیلی بزرگ است.
سیاره های گازی غول آسا، داغ و بزرگ متولد می شوند، اما در پیری سرد و منقبض می شوند. سیاره HD۲۰۹۴۵۸b هم احتمالاً تقریباً به اندازه و دمای کیوان منقبض و سرد شده است. اما منبع گرمایی دیگر(علاوه بر ستاره نزدیکش) که به طور مستمر به داخل سیاره منتقل می شود، محتمل ترین راه برای متورم ماندن سیاره است.
منبع این انرژی چیست؟ شاید بادها کسر کوچکی از انرژی ستاره را به سیاره منتقل می کنند. عمل همرفتی هم می تواند این انرژی را به مرکز سیاره منتقل کند. ولی چرا چنین فرآیند گرم سازی کلی بر دیگر سیار ه های شناخته شده دارای گذر تاثیر نمی گذارد.
محتمل ترین توضیح گرم سازی کشندی است. با توجه به نزدیکی بسیار، ستاره مادر برآمدگی کشندی در جو سیاره مشتری مانند داغ ایجاد می کند. با استمرار این تورم طی میلیون ها سال، ستاره، سیاره مشتری مانند داغ را به کسب مداری دایره یی وادار می کند. در بیشتر موارد ستاره، محور چرخشی سیاره را تغییر داده و بر صفحه مداری عمود می کند.
همانطور که انتظار می رفت HD۲۰۹۴۵۸b مداری دایره یی دارد، ولی انحراف محوری اش اندازه گرفته نشده است. اگر محور سیاره در اثر تشدید (Resonance Effect) کج شده باشد، تورم کشندی توسط ستاره یی که می خواهد جنوب و شمال سیاره را در تمام ۵/۳ روز سال آن در هم ریزد، بالا می رود و گرمای درونی کافی برای متورم نگاه داشتن سیاره تولید می کند. به ندرت عواملی مثل تاریخچه انتقال سیاره، زمان تصادم و وجود سیاره های دیگر، مشتری مانند داغ را به این حالت غیرعادی درمی آورد. این نکته می تواند توضیح دهد که چرا HD۲۰۹۴۵۸b تنها سیاره فراخورشیدی دارای گذر با این چگالی است.
اخترشناسان حتی از دومین سیاره غول پیکر دارای گذر غیرعادی، بیشتر بهت زده شدند. HD۱۴۹۰۲۶b عجیب ترین عضو از این مجموعه سیاره ها است. این سیاره به طور شگفت انگیزی نسبت به حجمش چگال است (۴/۱۳گرم بر سانتی متر مکعب) در نتیجه باید ۵۰ تا ۷۰ درصدش از عناصر سنگین تشکیل شده باشند. HD۱۴۹۰۲۶b با دیگر سیاره های دارای گذر که به طور عمده از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده اند، تفاوت دارد.
اخترشناسان هنوز به توافق نرسیده اند که چگونه HD۱۴۹۰۲۶b می تواند از چنین مواد سنگینی شکل گرفته باشد که قابل قیاس با تمام موادی است که سیاره های منظومه شمسی ما را به وجود آورده اند. وجود چنین سیاره یی فرضیه های پیشین را که می گوید تمام سیاره های فراخورشیدی عظیم غول هایی همانند کیوان و مشتری هستند، با مشکل مواجه می کند.● کاهش نور ستاره
اخترشناسان می توانند گذشته از اندازه گیری چگالی، جو سیاره های مشتری مانند داغ دارای گذر را بررسی کنند. وقتی یک سیاره از جلوی ستاره مادرش عبور می کند، مقدار کمی از نور ستاره با بخش های بالایی جو برخورد می کند. گازهای موجود در جو، کمی از این نور را در طول موج های خاصی جذب می کنند که خطوط جذبی خیلی ضعیفی در طیف ستاره ایجاد می کند. ستاره شناسان می توانند با مقایسه طیف های گرفته شده از ستاره طی گذر و مواقع دیگر، مواد شیمیایی موجود در جو سیاره را شناسایی کنند.
من و «دیمیتار ساسلوف» (Dimitar Sasselov) همکارم در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیت سونیان (Harvard-Smithsonian) در سال ۱۹۹۹ مقاله یی نوشتیم و در آن پیش بینی های بی پروایی در مورد شناسایی جو یک سیاره فراخورشیدی انجام دادیم. ما پیش بینی کردیم که اگر سدیم عنصر اصلی جذب کننده طول موج های مرئی نباشد، عنصری بسیار مهم است. ما اساس پیش بینی را براساس دمای سیاره قرار دادیم.
تمام گوی گاز باید با دمای ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه کلوین در فاصله مشتری داغ با ستاره مادر باشد. در این دماها، بخار آب، مونوکسیدکربن، فلزات قلیایی و احتمالاً متان باید گازهای اصلی جذب کننده نور ستاره باشند. اما فقط سدیم و پتاسیم (فلزات قلیایی) نور را به شدت در طول موج های مرئی جذب می کنند.
دو سال بعد «دیوید چاربوناو» ((David Charbonneau از مرکز اخترفیزیک هاروارد - اسمیت سونیان و «تیموثی براون» (Timothy Brown) از مرکز ملی تحقیقات اتمسفری و همکاران شان برای اولین بار اتمسفر یک سیاره بیرونی را بررسی کردند. بعد از ساختن مدل های کامپیوتری، من از رصد های واقعی در طول چند سال از اتمسفر مشتری مانندهای داغ، بسیار هیجان زده شدم. گروه« کاربناو» و «براون» با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل، سدیم را در اتمسفر سیاره HD۲۰۹۴۵۸b شناسایی کردند. همان طور که پیش بینی کرده بودیم این کشف مهم اولین دسته بندی از اتمسفر مشتری مانندهای داغ را ارائه کرد. شناسایی سدیم از تصویر کلی ما در مورد این جهان ها حمایت می کرد.
اما همان گونه که انتظار می رفت، اندازه گیری ها به ما نشان داد که مدل نمونه ما اشتباه و خط جذبی سدیم از آنچه پیش بینی می شد، بسیار ضعیف تر بود. ابرهای داغ متشکل از غبار سیلیکات یا غبار آهن مایع می توانست با جلوگیری از مشاهده بخش زیادی از جو، اثر سدیم را کاهش دهد (مثل تکه یی از ابر که جلوی مشاهده زمین را برای مسافران هواپیما می گیرد). دوران اتمسفری، سردتر از دماهایی که انتظار می رفت، اثرات شیمیایی تشعشعات پرتو فرابنفش ستاره مادر، یا مقدار کمی سدیم می توانست عمل جذب را کاهش دهد. اما هنوز اطلاعات کافی برای تعیین توضیحات درست در دست نیست.
کشف اخیر یک مشتری مانند داغ دارای گذر از کنار ستاره قدر هشتم HD۱۸۹۷۳۳ت، فرصتی طلایی برای مطالعه اتمسفر سیاره های فراخورشیدی، با استفاده از مزایای کسوف ثانویه به ما ارائه می کند.
● آینده یی جالب
دریافت «سیلی» از اطلاعات درباره HD۲۰۹۴۵۸b در سال جدید، برای اولین بار دسته بندی جو یک سیاره فراخورشیدی را با جزئیات بسیار، مقدور می سازد. ما با استفاده از سه ابزار تلسکوپ فضایی «اسپیتزر» می توانیم به همان خوبی که دمای سطح سیاره را اندازه می گیریم، به وجود بخار آب، مونوکسیدکربن و متان هم اشاره کنیم. به علاوه تلسکوپ کوچک کانادایی «موست» هم HD۲۰۹۴۵۸b را در طول موج های مرئی و با استفاده از گرفت های ثانویه مکرر رصد کرده است که نور منعکس شده سیاره را تخمین می زند.
این فرآیند پس از تکمیل تجزیه و تحلیل، می تواند به ما نشان دهد که آیا ابری وجود دارد یا نه؟ به علاوه، «براون» و همکارانش در حال بررسی طیف های هابل هستند که چند سال پیش در هنگام گذر ها و برای اندازه گیری میزان بخار آب گرفته شد. «اسپیتزر» با دو ابزارش TrES-۱ را هم رصد می کند. «اسپیتزر» همچنین در ماه های آینده هفت مشتری مانند داغ بدون گذر را نیز برای پیدا کردن برون دادهای مختلف نور در مدارشان رصد می کند.
این سیاره های مشتری مانند باید به طرز جزر و مدگونه یی نسبت به ستاره مادرشان قرار گرفته باشند، به طوری که همیشه یک سمت خود را به ستاره مادرشان نشان می دهند، مثل ماه که از روی زمین تنها یک سمتش قابل مشاهده است. با توجه به اینکه در این سیاره یک بخش همیشه روز و یک بخش همیشه شب است، دو بخش متفاوت آن دو دمای کاملاً متفاوت دارد. بادهای بسیار سریع، که شاید سرعت شان به سرعت صوت نیز برسد، ممکن است گرما را از طرف روز به طرف شب پخش کند.
اندازه گیری هر گونه اختلاف مداری موجود می تواند به اخترشناسان کمک کند که دریابند انرژی جذب شده ستاره یی در سیاره جریان دارد. در چند سال آینده، در نتیجه پژوهش درباره سیاره های دارای گذر که در روی زمین انجام می گیرد، سیارات فراخورشیدی بسیاری آشکار خواهند شد. «بویینگ ۷۴۷» اصلاح شده ناسا به نام «سوفیا» از جایگاهش و از فراز بیشتر قسمت های جو زمین و با استفاده از تلسکوپ فروسرخ ۵/۲ متری اش، سیاره های دارای گذر را در هنگام کسوف اولیه و ثانویه بررسی می کند.
ماموریت علمی «سوفیا» در دو سال آینده آغاز می شود. «کوروت» (Corot) فضاپیمای ساخت فرانسه و سازمان فضایی اروپا، در سپتامبر ۲۰۰۶ به بالای جو زمین پرتاب شد، همچنین فضاپیمای «کپلر» ناسا که برای پرتاب در سال ۲۰۰۸ برنامه ریزی شده است، به دنبال سیاره های دارای گذر کوچک می گردند. فقط تلسکوپ های فضایی این دقت را برای شناسایی چنین اجسام دوری دارند. «کپلر» اجسام هم اندازه زمین را مثل بسیاری از سیاره های هم اندازه مشتری، نپتون و ابرزمین ها را که در فواصل مختلف از ستاره مادرشان قرار دارند، پیدا می کند.
ما می توانیم با استفاده از اندازه گیری تراکم سیاره های سنگین تر و بزرگ تر، تکامل و ساختار اصلی آنها را بررسی کنیم. در دهه بعدی تلسکوپ فضایی فروسرخ جیمز وب(JWST) ناسا که برای پرتاب در سال ۲۰۱۴ برنامه ریزی شده است، سیاره های فراخورشیدی و دارای گذر را به روش «اسپیتزر» و هابل بررسی خواهد کرد.
سیاره های فراخورشیدی مشتری مانند دور از ستاره مادرشان بسیار جالبند، از این رو ما می خواهیم آنها را با غول های گازی منظومه خود مقایسه کنیم. JWST همچنین قادر به شناسایی تشعشعات گرمایی از نپتون مانندها و حتی زمین مانندهای داغ است. پیش از اینکه اخترشناسان قادر به حذف نور ستاره و تصاویر مستقیم از سیارات هم سن منظومه شمسی طی ۱۵ سال آینده یا بیشتر بشوند، مشخصاً کارهای زیادی باید انجام شود. هزاران سال مردم از خود می پرسیده اند که آیا در این جهان تنها هستیم؟
در سال ۴۵۰ قبل از میلاد فیلسوف یونانی «اپیکوروس» (Epicurus) درباره جهان های لایتناهی شبیه و متفاوت با دنیای ما اندیشید. از زمان پرتاب تلسکوپ جوینده سیاره های فرازمینی ناسا و تلسکوپ داروین سازمان فضایی اروپا، حداقل یک دهه می گذرد و این تلسکوپ ها موفق به کشف و بررسی مستقیم روی سیاره های زمین مانند شده اند.
ولی کشف های تازه نشان داده که چطور سیار ه های خارجی می توانند از نظر جنس و مواد از اجرام شبیه خود در منظومه شمسی تفاوت داشته باشند. حتی شاید سیاره های غیرعادی دیگری که شامل دنیاهای آبی که نیمی از آن آب مایع است و سیاره های کربنی نیمه ترکیب شده با کربن دارای لایه های الماس آشکار شوند. ما دریافته ایم که طبیعت از نظریه پردازان ماهر ما در ساختن منظومه های خورشیدی، خلاق تر است. سالیان آینده به ما نشان خواهند داد که سیاره های فراخورشیدی تا چه حد می توانند عجیب باشند.

Sky&Telescope,Feb.۲۰۰۶
سارا سیگر Sara Seager اخترفیزیکدان عضو دانشگاه کارنیج واشنگتن و متخصص مطالعه روی سیارات فراخورشیدی است.
ترجمه؛ آرش فراست

منبع : روزنامه اعتماد