سیارات فراخورشیدی

سیارات دارای ترانزیت تنها اجرامی هستند که ستاره شناسان خصوصیات فیزیکی آنان را میتوتنند اندازه بگیرند چگالی جرم بر حجم اساسی ترین پارامترهای فیزیکی در بین تمامشان هست, چرا که به ما درباره ی ترکیبات عمده ی سیاره می گویند

● آشکار سازی جهانهای دور

ستاره شناسان تا کنون بیش از ۱۶۰ سیاره بیرون از منظومه ی شمسی ما کشف کرده اند. واقعاً این دنیاها چه شکلی هستند؟

تا سال ۱۹۹۹ ستاره شناسان قاطعانه وجود ۳۰ سیاره ی فراخورشیدی را تصدیق کرده بودند. اما ما واقعاً هیچ چیز درباره ی آنها به جز جرم و مدارشان نمیدانستیم. برای اینکه به حتی آسانترین سوالات درباره ی خصوصیات فیزیکی آنها پاسخ دهیم، می بایست سیاره ای گذرا ( دارای ترانزیت) کشف می کردیم که از مقابل ستاره ی اصلی بگذرد به طوری از روی زمین قابل مشاهده باشد. طبق قوانین احتمالات و تعداد در حال افزایش سیارات بیرونی(فراخورشیدی)، می دانستیم که جسم عبور کننده در هر زمانی کشف خواهد شد. من آن قدر به این یقین داشتم که بعد از تعطیلاتی یک ماهه و دوری از تلفن،E-mail و روزنامه، اولین سوالی که پرسیدم این بود: آیا در این مدت ستاره شناسان سیاره ای ترانزیت دار کشف کرده اند؟!

حالا ما بیش از ۱۶۰ سیاره ی بیرونی پیدا کرده ایم و میل ما برای توصیف آنها شدت یافته است. نزدیک ۳۰ مشتری مانند داغ مثل ۵۱ بتا_فرس شناخته شده اند.

کشفیات اخیر این طبقه بندی را به اجرام داغ هم جرم نپتون و حتی اجرام داغ ابر زمین_جرم گسترش داده است. و برخلاف همدمان منظومه ای آنان، بیشتر این سیارات مداراتی با خروج از مرکز خیلی بالا دارند و به طور شگفت انگیزی به ستاره ی مادر نزدیکند- در فضای کوچکی برای سیارات کوچک مثل زمین.

مطلب متحد کننده ی تمام این کشفیات این است که ساختار سیارات گوناگون و تصادفی است، ظاهراً این احتمالات جرم، اندازه، فاصله از ستاره و خصوصیات دیگر را شامل میشود. تقریباً تمام سیارات بیرونی به طور غیرمستقیم و از طریق روش اثر داپلر کشف شدند، روشی که دو شخص با نامهای آر پاول باتلرR.paul Butler و جفری دابلیو مارسی Geoffrey W.Marcyتوسط آن ستاره ای را برای حرکت ناچیز که از اعوای سیارات ناشی میشود را، بازبینی کنند. تلو تلو خوردن یک ستاره فقط مدار و حداقل جرم سیارات شناخته نشده است

این اندازه گیری ها سوالات زیادی را بی پاسخ میگذارند. آیا این سیارات،گازی و اصولاً شبیه مشتری و زحل هستند یا سنگی و مثل سیارات زمینی هستند یا چیزی بین این دو؟ چگونه دارای خروج از مرکزی به این بالایی هستند اگر در صفحه ای مستدیر شکل گرفته اند،آنطور که در فرضیه ی شکلگیری ستارگان مستلزم است؟ آیا به مکان فعلی خود مهاجرت کرده اند؟ طبیعت و ترکیبات اتمسفر آنان چگونه است؟ آیا مشتریهای داغ اتمسفرهای ضخیم دارند، یا اینکه اتمسفر آنان توسط گرمای ستاره ی مادر آنان بخار شده؟ آیا دارای حلقه یا قمرهایی هستند؟ با این احتمالات جالب ،ستاره شناسان می خواهند از فقط دانستن اینکه این سیارات وجود دارند فراتر روند.

ما میخواهیم این داده ها را به جهان واقعی متمایل کنیم، مثل سیارات منظومه ی خودمان. متاسفانه ما فعلاً نمیتوایم از ابزار معمولی مان برای مطالعات اجرام دور استفاده کنیم- طیف سنجی- چون درخشندگی و تشعشعات زیاد ستارگان همجوار تابش ضعیف این سیارات را می پوشاند. برای بدست آوردن طیف یک سیاره ی بیرونی در طول موجهای مرئی، یک تلسکوپ به آینه هایی جندین هزار بار صاف تر و تکنیکهایی یک میلیون بار بهتر از تکنیکهای سد کننده ی نور ستارگان از تلسکوپهای فعلی داشته باشد. خوشبختانه طبیعت با دسته ای از سیاراتش خیلی سخاوتمند است و مجموعه ای فراهم میکند که ما می توانیم قبل از عکسبرداری مستقیم و انجام طیفسنجی می توانیم مطالعات انجام دهیم:

سیارات دارای ترانزیت. در اواخر سال ۱۹۹۹، اخترشناسان اعلام کردند که سیاره ی اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی از مقابل ستاره اش عبور میکند. با داشتن دوره ی تناوب ۳.۵ روزه به دور ستاره ای درخشان(قدر ۷.۶) حرکت میکند.

سیارات دارای ترانزیت تنها اجرامی هستند که ستاره شناسان خصوصیات فیزیکی آنان را میتوتنند اندازه بگیرند. چگالی (جرم بر حجم) اساسی ترین پارامترهای فیزیکی در بین تمامشان هست، چرا که به ما درباره ی ترکیبات عمده ی سیاره می گویند. اخترشناسان می توانند جرم سیاره ی ترانزیت کننده را از انداره گیریهای سرعت شعاعی سیاره تعیین کنند.

مقدار تضعیف نور ستاره به ما اندازه ی سیاره را میدهد. از این روش ما فهمیدیم که ۸ تا از ۹ سیاره ی دارای ترانزیت چگالیهای کمی دارند پس باید اجرام گازی باشند که از ترکیب هلیوم و هیدروژن اند- مثل مشتری و زحل. اما دو تا از سیارات بیرونی چنان عجیب و غریب هستند که جرقه ای برای تحقیقاتی گسترده اند. اولین کشف شده، اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی، قطرهایی ۳۵% بیشتر از قطر مشتری و جرمهایی دو سوم مشتری دارتد.

این اعداد نشان دهنده ی چگالی کم ۰.۳۳ گرم در هر سانتیمتر مکعب است (کم چگالیترین سیاره ی منظومه ی ما زحل است،که چگالی اش ۰.۶۹ g/cm است). اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی، نسبت به وزنش خیلی بزرگ است. غولهای گازی داغ و بزرگ متولد میشوند، اما در پیری سرد و منقبض میشوند. این سیاره هم احتمالاً تقریباً به اندازه و دمای مشتری منقبض و سرد شده. اما منبع گرمایی دیگر(علاوه بر ستاره نزدیکش) که مستمراً به داخل سیاره منتقل میشود محتمل ترین راه برای متورم ماندن سیاره است. منبع این انرژی از کجاست؟ شاید بادها کسر کوچکی از انرژی ستاره را به سیاره منتقل میکنند. عمل همرفتی هم می تواند این انرژی را به مرکز سیاره منتقل کند.

ولی چرا همچین فرایند گرمسازی کلی بر دیگر سیارات دارای ترانزیت شناخته شده تاثیر نمیگذارد. محتمل ترین توضیح گرمسازی کشندی است. با این مجاورت نزدیک، ستاره ی مادر برامدگی کشندی در اتمسفر مشتری داغ ایجاد می کند. با تقلای این تورم طی میلیونها سال، ستاره مشتری داغ را به کسب مداری مداری مستدیر وادار میکند. در بیشتر موارد ستاره تکانی سخت و شدید به محور چرخشی سیاره وارد میکند که آنرا عمودی کرده و به صفحه ای مداری تبدیل میکند.

اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی مداری دایره ای دارد، همانطور که انتظار میرفت، ولی انحراف محوری اش اندازه گرفته نشده است. اگر محور سیاره در اثر رزونانس کج شده باشد، تورم کشندی به وجود آمده توسط ستاره، با حرکت به جنوب و شمال سیاره، در تمام سال ۳.۵ روزه ی سیاره گرمای درونی کافی برای متورم نگاه داشتن سیاره را تولید میکند. به ندرت عواملی مثل تاریخ مهاجرت سیاره، تاریخ تصادم و وجود سیارات اضافی یک مشتری داغ را به این حالت غیرعادی در می آورد، که می تواند توضیح دهد که چرا اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی تنها سیاره ی دارای ترانزیت بیرونی با این چگالی اند است.

اخترشناسان حتی از دومین سیاره ی غول پیکر دارای ترانزیت غیرعادی، بهت زده تر شدند، اچ دی ۱۴۹۰۲۶ بی عجیبترین حیوان در باغ وحش سیارات. این سیاره به طور شگفت انگیزی نسبت به حجمش چگال است(۱.۴ g/cm) که باید ۵۰ تا ۷۰ درصدش از عناصر سنگین تشکیل شده باشند. اچ دی ۱۴۹۰۲۶ بی این قدر با سیاره ی ترانزیت کننده ی تفاوت دارد،که به طور برجسته از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده اند. اخترشناسان هنوز به توافق نرسیده اند که چگونه اج دی ۱۴۹۰۲۶ بی میتواند با چنین مواد سنگینی شکل گرفته باشند- قابل قیاس با تمام موادی که در سیارات منظومه ی شمسی ما ترکیب شده اند. این یک نمونه ی مخالف با فرضیات متداول است که تمام سیارات بیرونی پرجرم غولهای گازی مانند مشتری و زحل هستند.

● کاهش نور ستاره

فراتر از اندازه گیری چگالی اختر شناسان می توانند اتمسفرهای سیارات مشتری داغ دارای ترانزیت را شناسایی کنند. وقتی یک سیاره از جلوی ستاره ی مادرش عبور میکند، مقدار کمی از نور ستاره با اتمسفر بالایی برخورد می کند. گازهای اتمسفری،کمی از این نور را در طول موجهای خاصی جذب می کنند که خطوط جذبی خیلی ضعیفی روی طیف ستاره ایجاد میکند.با مقایسه ی طیفهای گرفته شده در خارج وطی ترانزیت ستاره شناسان میتوانند مواد شیمیایی در اتمسفر سیاره را شناسایی کنند.

با پیش بینی های بی پروا در شناسایی اتمسفر یک سیاره ی بیرونی ، من در سال ۱۹۹۹ مقاله ای در هاروارد-اسمیتسونیان(Harvard-Smithsonian) مرکز دانشگاه اخترفیزیک دیمیتار ساسلوف نوشتم. ما پیش بینی کردیم که سدیم ترکیبی بسیار قوی است، اگر ترکیب عمده ی جذب شده در طول موجهای مرئی نباشد. ما اساس پیش بینی را اساساً دمای سیاره قرار دادیم.

تمام گوی گاز باید ْ۱۰۰۰ تا ۱۵۰۰ْ کلوین باشد در فاصله ی مشتری داغ با ستاره ی مادر. در این دماها، بخار آب، مونوکسید کربن، فلزات قلیایی و احتمالاً متان باید گازهای اصلی جذب شده جذب شده از نور ستاره باشند. اما فقط سدیم فلزات قلیایی و پتاسیم،نور را قویاً در طول موجهای مرئی جذب می کنند. فقط دو سال بعد David Charbonneau (مرکز اخترفیزیک هاروارداسمیت سونیان) و Timothy Brown ( مرکز ملی تحقیقات اتمسفری) و همکارانشان شناسایی اولین اتمسفر یک سیارهی بیرونی را اعلام کردند. بعد از ساختن مدلهای کامپیوتری از اتمسفرهای مشتریهای داغ در طول چند سال ، من از یک رصد واقعی،خیلی هیجان زده شدم.

با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل، گروه کاربنا و براون در اتمسفر سیاره ی اچ دی ۲۰۹۴۵۸ بی سدیم را شناسایی کردند، همانطور که ما پیش بینی کرده بودیم. این کشف مهم در تاریخ به ما اولین دسته بندی از اتمسفر مشتریهای داغ را داد.شناسایی سدیم تصویر اساسی ما از این جهانها را حمایت میکرد. اما همانگونه که انتظار می رفت، اندازه گیری به ما نشان داد که مدل نمونه ی ما اشتباه بوده. خط جذبی سدیم از آنچه پیش بینی میشد خیلی ضعیفتر بود. ابرهای داغ متشکل از غبار سیلیکات یا غبار آهن مایع میتوانست با جلوگیری مشاهده ی از قسمت عظیمی از جو نشان سدیم را کاهش دهد(مثل تکه ای از ابر که از دید یک هواپیما جلوی مشاهده ی زمین را میگیرد. دوران اتمسفری ،سردتر از دماهایی که انتظار میرفت، اثرات شیمیایی از تشعشعات پرتو فرابنفش ستاره ی مادر، یا مقدار کمی سدیم می توانست عمل جذب را کاهش دهد. اما هنوز اطلاعات کافی برای تعیین توضیحات درست در دست نیست.

● سیاره ی ترانزیت کننده ی hd۲۰۹۴۵۸b

ستاره ی مادر تورم کشندی ای بر روی سیاره ایجاد کرد. اگر چرخش محوری سیاره با صفحه ی مداری اش نسبت دارد، تورم کشندی در مدار ۳.۵ روزه اش به شمال و جنوب سیاره حرکت خواهد کرد. این اثر درون سیاره را داغ می کند که سیاره را به اندازه ای بزرگ و شگفت آور نسبت به جرم و مکانش متورم می کند.

● ( اگزوسفر)exosphere:

اخترشناسان هیدروژن اتمی را در پوشش دنباله دار- مانند بزرگی که hd ۲۰۹۴۵۸b را احاطه کرده ، شناسایی کرده اند.

با استفاده از تلسکوپ فضایی اسپیتزر، اخترشناسان مستقیماً تشعشعات گرمایی از hd۲۰۹۴۵۸b را شناسایی کرده اند. آنها ستاره را هنگامی که سیاره در حال ترانزیت یا در پشت ستاره است رصد کرده اند، که تشعشعات فروسرخ را هم از ستاره و هم سیاره دریافت کرده اند. آنها همچنین ستاره را در حالی که سیاره پشت ستاره پنهان شده ( گرفت ثانویه) رصد می کنند بنابراین فقط تشعشعات فروسرخی

ستاره را می بینند. ببعد با حذف کردن آن از جسم جلویی( سیاره)، اخترشناسان اندازه ی دقیقی از تشعشعات فروسرخی سیاره بدست می آورند. که حاصل آن اطلاعاتی درباره ی دما، اجزا و ترکیبات اصلی و هواسنجی سیاره است.

وقتی یک سیاره از مقابل ستاره اش ترانزیت می کند،درصد کمی از نور ستاره در اتمسفر فوقانی گرفته می شود. جذب نور متنوع شیمیایی اتمسفر در طول موجهایی به خصوص، نقش عمده ای در ترکیبات جذب شونده در طیفسنجی ستاره دارد. اخترشناسان برای شناسایی سدیم در اتمسفر hd۲۰۹۴۵۸b از تلسکوپ فضایی هابل استفاده کردند.

یک ترانزیت پدید آورنده ی کاهش نور ستاره ی مادر است. میزان کاهش نور به موقعیت سیاره نسبت به موقعیت ستاره بستگی دارد، که به اخترشناسان اجازه ی سنجش اندازه ی سیاره را می دهد.

با استفاده از روش تفریق (کاهش نور یکی از دو جسم) گروهی از اخترشناسان اروپایی هم هیدروژن اتمی را پوششی وسیع و دنباله دار مانند شناسایی کرده اند که ستاره ای مشابه را دربرگفته است. جریان فرابنفش ستاره باید مقداری هیدروژن ( سبکترین گاز) را در بالاترین قسمت اتمسفر داغ کرده باشد، بطوریکه آنرا قادر به فرار و تشکیل اگزوسفری عظیم کرده است. که اگر سیاره مقدار قابل توجهی از جرمش را از طریق این مکانیسم از دست بدهد، ناواضح باقی می ماند. رصدهای انجام شده حضور کربن و اکسیژن را در این اگزوسفر نشان می دهد.

اتمسفر بالایی خودش لایه ای نازک است که سیاره را احاطه کرده، و اندازه گیری ها را به حدی زیاد مشکل ساخته است. اثرات طیفی اتمسفر تنها حدود ۱.۱۰۰۰ ( یک ده هزارم) اثرات ستاره است. با وجود تمام تلاشها از روی زمین، تنها فضا محیطی پابرجا فراهم ساخته، جایی که در آن چنین اندازه گیری های دقیقی انجام می گیرند. در اواسط سال ۲۰۰۴ با از بین رفتن ابزار شناسایی اتمسفر تلسکوپ فضایی هابل ( عکاس طیف نگار تلسکوپ) اخترشناسان به ابزاری جدید برای این کار احتیاج پیدا کردند.

در مارس ۲۰۰۵ تیم من از تلسکوپ فضایی اسپیتزر برای شناسایی فوتونهای فروسرخ استفاده کردند ( تابش حرارت) که مستقیماً از خودhd۲۰۹۴۵۸b ساتع می شد. در همان زمان گروهی مستقل به سرپرستی Charbonneau از اسپیتزر برای شناسایی تابش حرارت از سیاره ی ترانزیت کننده ی TrES-۱ استفاده کردند.

این کشفیات ممکن بود زیرا سیباره ای که از مقابل ستاره اش می گذرد، به پشت آن هم میرود. هر دو تیم از این گرفت ثانویه برای بدست آوردن تابش سیاره به صورت غیر مستقیم استفاده کردند. ما رصدهایی از سیاره و ستاره بیرون از ترانزیت یا در هنگام گرفت ثانویه انجام دادیم و بعد نور ستاره را حذف کردیم.

آنچه باقی مانده بود باید تنها، سیاره می بود. گرچه این روش گرفت ثانویه با تکنیک ترانزیت مشابه است، اما دو فایده دارد. اول، سطح کلی سیاره تابش فروسرخی ساطع می کند برخالف لایه ی اتمسفری نازک که بر ستاره در طی ترانزیت انطباق داشت. دوم، در طول موج فروسرخ، یک مشتری-مانند داغ تنها حدود ۱۰۰۰ بار از یک ستاره ی خورشید-مانند ضعیفتر است، و بنابراین طیف سیاره حدود ۱۰۰۰ ضعیفتر است. قیاس هزار به یک ،عاملی بهتر از تکنیک ترانزیت است که برای مطالعه ی اتمسفر سیارات فراخورشیدی بکار می رود.

از روی طیف های اسپیتزر، گروه ما دمای hd۲۰۹۴۵۸b وTrES۱ را به ترتیب حدود ۱۱۳۰ و ۱۰۶۰ اندازه گرفته اند. اینها محدوده ی قابل انتظار دما هستند و دوباره تصور اساسی که اتمسفرمشتری-مانندهای داغ از بیرون و از طریق ستاره هایشان گرما کسب می کنند، تایید می کند. هم اکنون ما چیز بیشتری نمیتوانیم بگوییم بدلیل مقدار محدود اطلاعات : یک طول موج دسته بندی شده برای hd۲۰۹۴۵۸b و دو تا برای TrES۱. با این وجود رصدهای TrES۱ مناسب ساده ترین مدلا نیستند، و اخترشناسان مشتاقانه منتظر رصدهای آتی برای کسب اطلاعات بیشتر هستند.

کشف اخیر یک مشتری-مانند داغ دارای ترانزیت در کنار یتاره ی قدر هشتم HD ۱۸۹۷۳۳ به ما فرصتی طلایی برای مطالعه ی اتمسفر سیاره های فراخورشیدی، با استفاده از مزایای کسوف ثانویه اهدا میکند.

● آینده ای جالب

سیلی از اطلاعات درباره ی HD۲۰۹۴۵۸b در سال جدید دسته بندی اتمسفر یک سیاره ی فراخورشیدی را برای اولین بار با جزییات، مقدر می سازد. با استفاده از سه ابزار اسپیتزر، ما می توانیم به همان خوبی که دمای سطح سیاره را اندازه میگیریم، به وجود بخار آب، مونوکسید کربن و متان هم اشاره کنیم. به علاوه تلسکوپ کوچک کانادایی موست most

( Aicrovariability and Ascillations of Stars) هم HD ۲۰۹۴۵۸b را در طول موجهای مرئی و با استفاده از گرفتهای ثانویه مکرر رصد کرده که نور منعکس شده ی سیاره را تخمین بزند.

پس از تکمیل تجزیه و تحلیل، این می تواند به ما نشان دهد که آیا ابری وجوذ دارد یا نه. بعلاوه، براون و همکارانش در حال بررسی طیفهای هابل هستند که 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 کند.همچنین در ماههای آتی اسپیتزر هفت مشتری-مانند داغ بدون ترانزیت را برای پیدا کردن نیز بروندادهای مختلف نور در مدارشان رصد می کنند. این سیارات مشتری-مانند باید به طرز جزر و مد گونه ای به ستاره ی مادرشان قرار گرفته باشند، بطوریکه همیشه یک سمت خود را به ستاره ی مادرشان نشان می دهند، مثل ماه که از روی زمین تنها یک سمتش قابل مشاهده است.

با قسمتهای ابدی شب و روز، سیاره دو دمای کاملاً متغیر را تجربه می کند. بادهای خیلی سریع، که شاید سرعتشان به سرعت صوت نیز برسد، ممکن است گرما را از طرف روز به طرف شب پخش کند. اندازه گیری هر اختلاف مداری میتواند به اخترشناسان کمک کند که دریابند انرژی جذب شده ی ستاره ای در سیاره جریان دارد. در چند سال آینده، تحقیقات درباره ی سیارات ترانزیت دار که در روی زمین انجام می گیرد، سیارات فراخورشیدی بسیاری آشکار 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 تلسکوپ فروسرخ ۲.۵ متری اش، سیارات ترانزیت دار را در هنگام کسوف 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، کوروت در سپتامبر ۲۰۰۶ به بالای جوزمین پرتاب می شود، همچنین فضاپیمای کپلر ناسا، که برای پرتاب در سال ۲۰۰۸ برنامه ریزی شده، به دنبال سیارات ترانزیت دار کوچک می گردند. فقط تلسکوپهای فضایی این دقت را برای شناسایی چنین اجسامی دارند. کپلر اجسام هم اندازه ی زمین را پیدا می کند،مثل بسیاری از سیارات هم اندازه ی مشتری، نپتون و ابرزمین ها در فواصل مختلف از ستاره ی مادرشان.

ترجمه : آرش فراست

http://www.persianastronomy.blogfa.com/