سیاره‌ای که در آن باران شیشه مذاب می‌بارد

این سیاره که HD 189733b نام دارد، یکی از نزدیک‌ترین سیارات فراخورشیدی به زمین است که امکان مطالعه دقیق آن وجود دارد و یکی از کامل‌ترین سیارات شناسایی‌شده در ادبیات نجومی به شمار می‌رود.

ستاره میزبان آن یعنی HD 189733 در صورت فلکی «روباهک» (Vulpecula) در شمال استوای آسمانی قرار دارد. این ستاره در یک شب صاف تابستانی با یک تلسکوپ کوچک از هر حیاط تاریکی در نیم‌کره شمالی به زحمت قابل رویت است، اما خود سیاره این‌طور نیست. از این سیاره هرگز عکس مستقیمی گرفته نشده و احتمالاً با نسل فعلی تلسکوپ‌ها نیز هرگز گرفته نخواهد شد.

تمام آنچه درباره این سیاره می‌دانیم، از طریق تحلیل تغییرات نور ستاره‌اش به هنگام عبور سیاره از مقابل، کنار و پشت آن استنباط شده است. این داده‌ها پس از ۲۰ سال کار مداوم، یکی از خشن‌ترین محیط‌های ثبت‌شده در جهان را توصیف می‌کنند.

این سیاره در ۵ اکتبر ۲۰۰۵ توسط «فرانسوا بوشی» و همکارانش در رصدخانه اوت-پروانس در جنوب فرانسه کشف شد. آن‌ها از روش «طیف‌سنجی دوپلر» برای شناسایی کشش گرانشی کوچک سیاره بر ستاره میزبانش استفاده کردند. جرم و اندازه این سیاره تقریباً در حدود مشتری است، اما در فاصله بسیار نزدیکی — حدود ۴.۶ میلیون کیلومتری ستاره خود — قرار دارد که این مسافت تقریباً یک‌سی‌ام فاصله خورشید تا عطارد است. این پرنده هر ۲.۲ روز زمینی یک‌بار مدار خود را کامل می‌کند و به دلیل این فاصله اندک، دچار قفل گرانشی (Tidal Locking) شده است؛ یعنی همواره یک نیم‌کره آن رو به ستاره قرار دارد و نیم‌کره دیگر در تاریکی مطلق است. دمای سمتی که رو به ستاره است به حدود ۱,۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

اتمسفری بدون آنالوگ در منظومه شمسی

ستاره‌شناسانی که HD 189733b را مطالعه کرده‌اند، جوی را توصیف می‌کنند که هیچ نمونه مشابهی برای آن در منظومه شمسی وجود ندارد. تفاوت دمای میان سمت همیشه روز و سمت همیشه شب این سیاره که توسط تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا در سال ۲۰۰۷ اندازه‌گیری شد، حدود ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد است.

این اختلاف دمای شدید، بادهای جوی سهمگینی را به حرکت درمی‌آورد که سرعت آن‌ها در لایه‌های فوقانی جو در سمت روز به حدود ۷,۰۰۰ کیلومتر بر ساعت می‌رسد. همان‌طور که آژانس فضایی اروپا (ESA) در بیانیه سال ۲۰۱۳ خود اعلام کرد، سرعت این بادها تقریباً هفت برابر سرعت صوت است. برای مقایسه، شدیدترین بادهای سطحی ثبت‌شده روی زمین در طول یک توفان استوایی به حدود ۴۱۰ کیلومتر بر ساعت رسید؛ بادهای این سیاره فراخورشیدی تقریباً ۱۷ برابر سریع‌تر هستند.

جو این سیاره مانند مشتری عمدتاً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است، اما غلظت بالایی از ذرات سیلیکات نیز در آن وجود دارد. سیلیکات‌ها خانواده‌ای از مواد معدنی هستند که بخش عمده‌ای از پوسته زمین از جمله ماسه، کوارتز و سنگ‌های بازالتی کف اقیانوس‌ها را تشکیل می‌دهند. در اتمسفر HD 189733b و در دمای بالای ۱,۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، این ذرات سیلیکاتی از حالت گاز چگالیده شده و به قطرات کوچک شیشه مذاب تبدیل می‌شوند.

این قطرات به صورت عمودی سقوط نمی‌کنند، بلکه توسط بادهای ۷,۰۰۰ کیلومتر بر ساعتی به صورت افقی شلاق می‌زنند؛ سرعتی که در آن برخورد یک قطره کوچک به هر سطحی، انرژی معادل یک گلوله توپ جنگی کوچک را حمل می‌کند. بنابراین، سمت روز این سیاره بازندگی مداوم و افقی شیشه مذاب را با سرعت تندبادها و در دمایی تجربه می‌کند که آلومینیوم را ذوب خواهد کرد. این باران، آب‌وهوای دائمی آنجاست و هیچ وقفه‌ای در آن نیست.

اخترشناسان چگونه فهمیدند این سیاره آبی‌رنگ است؟

رنگ واقعی یک سیاره فراخورشیدی در فاصله ۶۳ سال نوری را نمی‌توان به روش‌های سنتی مشاهده کرد. این سیاره بسیار کم‌نورتر و بیش از حد به ستاره‌اش نزدیک است که بتوان از آن عکس گرفت. تیمی که رنگ واقعی HD 189733b را تعیین کرد، به سرپرستی «تام ایوانز» از دانشگاه آکسفورد، از تکنیکی به نام «طیف‌سنجی خسوف ثانویه» (Secondary Eclipse Spectroscopy) استفاده کرد.

تلسکوپ فضایی هابل سیستم HD 189733 را به طور مداوم در طول چند چرخه مداری کامل سیاره زیر نظر گرفت. در هر مدار، سیاره از دید تلسکوپ به پشت ستاره می‌رود. در لحظات قبل و بعد از ناپدید شدن سیاره در پشت ستاره، تلسکوپ نور هر دو جرم (ستاره و سیاره) را دریافت می‌کند. اما در لحظاتی که سیاره پنهان است، تلسکوپ تنها نور ستاره را ثبت می‌کند. با تفریق اندازه‌گیری دوم از اندازه‌گیری اول، تیم تحقیق توانست نوری را که صرفاً توسط خود سیاره منعکس می‌شد، جداسازی کند.

کاهش درخشش سیستم در زمان ناپدید شدن سیاره، به طور مشخص در بخش آبی طیف نور (بین ۲۹۰ تا ۴۵۰ نانومتر) قابل اندازه‌گیری بود، در حالی که میزان افت نور در بخش قرمز و مادون قرمز نزدیک بسیار کمتر بود. تفسیر منتشرشده این بود که این سیاره نور آبی را تقریباً سه تا چهار برابر بیشتر از نور قرمز منعکس می‌کند که این ویژگی آن را در محدوده دید انسانی به رنگ آبی کبالتی تیره درمی‌آورد.

اگر یک ناظر انسانی بتواند در فضا و در فاصله‌ای ایمن از این سیستم مستقر شود، این سیاره برای او به صورت یک نقطه نورانی آبی تیره جلوه می‌کند؛ رنگی که تقریباً متمایز از منظره زمین برای فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی نیست. با این حال، مکانیزمی که این رنگ آبی را تولید می‌کند، کاملاً متفاوت است.

ماهیت واقعی این رنگ آبی چیست؟

زمین به دو دلیل از فضا آبی دیده می‌شود: نخست انعکاس نور از اقیانوس‌ها که حدود ۷۱ درصد از سطح سیاره را پوشانده‌اند و دوم، پدیده پراکندگی رایلی (Rayleigh Scattering) در اتمسفر. نور با طول موج کوتاه (مانند آبی) نسبت به نور با طول موج بلند (مانند قرمز) با کارایی بیشتری توسط مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن موجود در هوا پراکنده می‌شود و به همین دلیل آسمان زمین آبی است.

سیاره HD 189733b هیچ اقیانوسی و احتمالاً هیچ نوع آب مایعی ندارد؛ چرا که دما برای بقای آب به صورت مایع در هر بخشی از جو بسیار بالاست. این رنگ آبی صرفاً ناشی از همان ذرات سیلیکات است. قطرات شیشه مذاب معلق و در حال چگالش در اتمسفر، نور آبی را به طور ترجیحی پراکنده می‌کنند؛ دقیقاً همان کاری که مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن در جو زمین انجام می‌دهند. این مکانیسم نوع دیگری از پراکندگی شبیه به رایلی است که روی ذراتی مذاب و در حال حرکت با سرعت تندباد رخ می‌دهد، اما نتیجه نوری آن مشابه زمین است.

سیاره HD 189733b به واسطه این شباهت رنگی، نوعی «تقلید کیهانی» به شمار می‌رود. سیاره‌ای که از فاصله ۶۳ سال نوری شبیه به زمین به نظر می‌رسد، اما در بررسی دقیق‌تر، هیچ وجه اشتراکی با زمین به جز طول موج نوری که منعکس می‌کند، ندارد.

چرا مطالعه این جهنم شیشه‌ای اهمیت دارد؟

این جرم به کلاسی از سیارات فراخورشیدی به نام «مشتری‌های داغ» (Hot Jupiters) تعلق دارد؛ غول‌های گازی با جرم و ترکیبی مشابه مشتری که در مسافتی بسیار نزدیک‌تر از فاصله عطارد تا خورشید، به دور ستاره‌های خود می‌چرخند. اولین مشتری داغ در سال ۱۹۹۵ کشف شد و از آن زمان تاکنون صدها نمونه از آن‌ها در کاتالوگ سیارات فراخورشیدی ناسا تایید شده است. بر اساس داده‌های فعلی، این سیارات به طرز شگفت‌انگیزی در کهکشان رایج هستند، اما به طور کامل در منظومه شمسی ما غایبند.

دلایل شکل‌گیری مشتری‌های داغ و فرآیندهایی که آن‌ها را به چنین مدارهای نزدیکی می‌کشانند، همچنان موضوع تحقیقات فعال علمی است. HD 189733b به دلیل نزدیکی نسبی به زمین و درخشش ستاره میزبانش، به یکی از پرمطالعه‌ترین مشتری‌های داغ در ادبیات نجومی تبدیل شده است. تایید رنگ آبی آن در سال ۲۰۱۳، اولین باری بود که رنگ نور مرئی یک سیاره فراخورشیدی به طور مستقیم اندازه‌گیری شد. همان برنامه رصدی و پیگیری‌های بعدی با تلسکوپ فضایی جیمز وب، وجود بخار آب، دی‌اکسید کربن، متان و غبار اتمسفری را در لایه‌های فوقانی آن شناسایی کرده است.

جزئیات زمین‌شناختی این سیاره — اینکه آیا قطرات شیشه مذاب به لایه‌های عمیق‌تر می‌رسند یا دوباره تبخیر شده و به گاز تبدیل می‌شوند، و اینکه آیا سیاره دارای یک هسته جامد منسجم است یا فضای داخلی آن یک سیال پیوسته تا فشار نهایی تولید هیدروژن فلزی است — همچنان به عنوان پرسش‌هایی بی‌پاسخ باقی مانده‌اند.

مفهوم واقعی فاصله ۶۳ سال نوری

نوری که تلسکوپ فضایی هابل در سال ۲۰۱۳ از این سیاره ثبت کرد، سفر خود را در حدود سال ۱۹۵۰ میلادی آغاز کرده بود. نوری که هابل یا جیمز وب امروز از HD 189733b دریافت می‌کنند، حرکت خود را در اوایل دهه ۱۹۶۰ آغاز کرده است. بنابراین، اخترشناسانی که این سیاره را مطالعه می‌کنند، در واقع در حال تماشای گذشته آن هستند.

اگر یک تمدن هوشمند در اطراف سیستم HD 189733 در این لحظه با تلسکوپی مشابه هابل در حال رصد زمین باشد، تصاویری از زمین را در سال ۱۹۶۲ میلادی دریافت می‌کند. آن‌ها نوری را می‌بینند که زمین در جریان بحران موشکی کوبا، مراحل اولیه برنامه فضایی مرکوری و یک سال پیش از ترور جان اف کندی منعکس می‌کرد.

زمین نیز از فاصله ۶۳ سال نوری یک نقطه آبی عمیق دیده می‌شود؛ تفاوت در اینجاست که سیاره ما در بررسی نزدیک‌تر، اقیانوس دارد.