سیارات فراخورشیدی چگونه کشف می‌شوند؟

بیست سال پیش ستاره‌شناسان توانستند اولین سیاره‌ی فراخورشیدی را کشف کنند. آن‌ها سر از پا نمی‌شناختند چرا که این یافته، بابی جدید در اکتشافات فضایی و شناخت عالم بود. سیاره‌ای به نام «۵۱ پگاسوس-بی» (۵۱ Pegasi b) که نه در مدار خورشید ما، بلکه در مدار ستاره‌ای نزدیک گردش می‌کند. این سیاره نصف مشتری جرم دارد و هر دور گردش آن در مدار ستاره‌ی مادر فقط چهار روز طول می‌کشد. این درحالیست که نزدیک‌ترین سیاره‌ی منظومه‌ی شمسی به خورشید، یعنی عطارد، دوره‌ی گردش ۸۸ روزه دارد. ۵۱ پگاسوس-بی در عین داشتن جثه‌ی بزرگ، به طرز خیلی عجیبی به ستاره‌اش نزدیک ‌است. ستاره‌شناسان نمی‌توانستند به درستی درک کنند که چطور سیاره‌ای به این بزرگی، این‌قدر به یک ستاره نزدیک شده است. ولی خیلی زود سیارات مشابهی پیدا شد و نام آن‌ها را «مشتری‌های داغ» (Hot Jupiters) گذاشتند. منظور دانشمندان از مشتری‌های داغ، سیارات گازی بزرگ و پرجرمی مثل مشتری است که در فاصله‌ی خیلی نزدیک به ستاره‌ی مادر گردش می‌کنند و بنابراین خیلی داغ هستند. به مرور زمان که سیارات فراخورشیدی بیشتری کشف شدند، دانشمندان به موارد عجیب‌تری هم برخورد کردند؛ از جمله سیاراتی که مدارهای به شدت کشیده و بیضوی دارند. همچنین سیاراتی که انحراف مداری آن‌ها نسبت به صفحه‌ی منظومه‌ی خود زیاد است و آن‌هایی که برخلاف جهت حرکت چرخشی ستاره‌ی مادر گردش می‌کنند.

منظومه‌های عجیب و غریب

ناسا در سال ۲۰۰۹ تلسکوپ فضایی کپلر را پرتاب کرد. هدف این تلسکوپ، جستجوی سیارات فراخورشیدی بود. کپلر چیزی در حدود ۲۵۰۰ سیاره‌ی فراخورشیدی جدید کشف کرد که دستاورد بزرگی به حساب می‌آید. هرچند این تلسکوپ اطلاعات زیادی برای دانشمندان به ارمغان آورد، ولی باعث بوجود آمدن سوالات بیشتری هم شد. کشفیات کپلر نشان داد که بیشتر سیارات فراخورشیدی، اندازه‌ای بین زمین و سیاره‌ی نپتون دارند. به آن‌ها «ابر زمین» (Super Earth) می‌گویند. ما در منظومه‌ی شمسی ابر زمین نداریم و تا به حال فکر می‌کردیم امکان پیدایش آن‌ها وجود ندارد.

هرچند تلسکوپ کپلر سیارات فراخورشیدی را به صورت غیر مستقیم رصد می‌کرد، اکنون بعضی از تلسکوپ‌های بزرگ زمینی در تلاش برای رصد مستقیم آن‌ها هستند. کشفیات این تلسکوپ‌ها بر گیجی و سردرگمی دانشمندان افزوده است. این تلسکوپ‌ها سیاراتی یافته‌‌اند که چند برابر مشتری جرم دارند و در فاصله‌ای به اندازه‌ی دو برابر فاصله‌ی نپتون تا خورشید گردش می‌کنند. تا پیش از این، سیاره‌شناسان فکر می‌کردند امکان تشکیل سیارات بزرگ در این فاصله از یک ستاره وجود ندارد. به طور کلی تا به حال منظومه‌های فراخورشیدی زیادی کشف شده‌اند که شباهتی به منظومه‌ی شمسی ما ندارند. در نتیجه نظریه‌هایی که تاکنون درباره‌ی نحوه‌ی پیدایش منظومه‌های خورشیدی داده‌ایم حسابی به چالش کشیده می‌شوند.

تلسکوپ فضایی کپلر تا به حال هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی کشف کرده است.

فیزیک‌دانی از دانشگاه استنفورد در پالو آلتو کالیفرنیا به نام «بروس مکینتاش» می‌گوید: «از همان روز اول کاملا مشخص بود که مشاهدات با هم جور در نمی‌آیند. هیچ‌وقت نظریه‌ها با رصدها همخوانی نداشتند.» دانشمندان سعی می‌کنند برای سیاراتی که قبلا بوجود آمدن آن‌ها را در چنین مکان‌هایی غیر ممکن می‌دانستیم، نظریه‌پردازی کنند. اکنون آن‌ها به این می‌اندیشند که چطور ممکن است سیاره‌ها در مکان‌های پر هرج و مرجی بوجود آیند که قبلا فکرش را هم نمی‌کردند. مکان‌هایی که سیاره‌های تازه متولد شده در مدارهای بزرگ و کوچک قرار می‌گیرند و توسط کشندهای گرانشی سیاره‌ها و ستاره‌های نزدیک، از مدار خود منحرف می‌شوند. با افزایش تعداد سیارات فراخورشیدی کشف شده، نظریه‌های مختلفی شکل می‌گیرد. اخترفیزیک‌دانی از انستیتوی ستاره‌شناسی مکس‌پلانک در آلمان به نام «توماس هنینگ» می‌گوید: «هر روز می‌توانید یک چیز جدید کشف کنید. شبیه عصر جستجوی طلا شده است.»

تولد سیاره‌ای

اولین نظریه‌پردازی‌ها درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری ستاره‌ها و سیارات به قرن ۱۸ میلادی باز می‌گردد. زمانی که دانشمندان فکر کردند احتمالا ابرهای بزرگ گاز و غبار تحت گرانش خود رمبش می‌کنند. بیشتر ماده‌ی آن ابر بزرگ در مرکز جمع می‌شود و گوی گازی عظیم و پرجرمی را تشکیل می‌دهد که بر اثر همجوشی هسته‌ای در مرکز، تبدیل به یک ستاره می‌شود. گرانش و گشتاور زاویه‌ای باعث می‌شود که گاز و غبار باقی‌مانده به شکل یک قرص تخت در بیاید. غبار نقش اصلی را در تبدیل این قرص به سیاره‌های مختلف دارد. غبار که در حقیقت چیزی جز دانه‌های میکروسکوپی آهن و دیگر مواد جامد نیست، کسر کوچکی از جرم قرص تخت را تشکیل داده است. وقتی این دانه‌ها در قرص گردش می‌کنند گاهی اوقات اتفاقی به هم برخورد می‌کنند و بر اثر نیروهای الکترومغناطیسی به یکدیگر می‌چسبند. طی میلیون‌ها سال این هسته‌های اولیه به سنگ‌های کوچک، صخره‌های بزرگتر و در نهایت خرده‌سیاره‌هایی با کیلومترها قطر تبدیل می‌شوند.

در این مرحله، نوبت به ایفای نقش گرانش می‌رسد. گرانش، خرده‌سیارات را به یکدیگر پیوند می‌دهد. با پیوند خرده‌سیارات، جرم بزرگی بوجود می‌آید که مثل جاروبرقی گاز و غبار و سنگ‌های باقی‌مانده در قرص را جمع می‌کند تا چیزی شبیه به سیاره ساخته شود. اگر همه‌ی این اتفاقات در قسمت‌های درونی قرص که به ستاره نزدیک‌تر هستند رخ دهد، سیارات سنگی با اتمسفر نازک شکل می‌گیرد. دلیلش این است که گاز قرص اولیه یا توسط ستاره بلعیده شده یا بادهای میان‌ستاره‌ای آن را پراکنده کرده است. بنابراین گاز زیادی برای جذب شدن توسط سیاره باقی نمی‌ماند.

همیشه سحابی اولیه‌ای وجود دارد که در مرکز آن ستاره‌ای تشکیل می‌شود. در مدار ستاره، قرص پیش‌سیاره‌ای بوجود می‌آید و سر و کله‌ی سیارات همان‌جا پیدا می‌شود.

این فرایند با نام «برافزایش هسته» (Core Accretion) شناخته می‌شود و در قسمت‌های بیرونی قرص که میزان سرما برای یخ‌زدن آب کافیست سریع‌تر صورت می‌گیرد. یخ موجود در پس این «مرز ‌یخ» (Snowline) به کمک غبار می‌آید و باعث می‌شود اجرام پیش‌سیاره‌ای خیلی سریع‌تر قوام پیدا کنند و سفت شوند. مرز یخ یا مرز برفی به فاصله‌ای از ستاره در یک منظومه‌ی درحال تشکیل گفته می‌شود که پس از آن، ترکیب‌های فرار مثل آب، آمونیا، متان، کربن دی‌اکسید و کربن مونوکسید می‌توانند متراکم و به دانه‌های جامد یخی تبدیل شوند. آن‌ها خیلی زود هسته‌ای به جرم ۵ تا ۱۰ برابر زمین می‌سازند و بنابراین قرص گاز خود را از دست نمی‌دهد. این هسته می‌تواند گاز زیادی را به خود جذب کند تا اتمسفری بسیار ضخیم بسازد و در نتیجه غول‌های گازی مثل مشتری بوجود می‌آیند. در حقیقت یکی از اهداف فضاپیمای «جونو» ناسا که چند هفته‌ی پیش به مشتری رسید این بود که بفهمد آیا مشتری هسته‌ی سنگی پرجرم دارد یا خیر.

این سناریو به طور طبیعی منظومه‌ای سیاره‌ای درست شبیه به منظومه‌ی ما می‌سازد. سیارات سنگی کوچک با اتمسفر نازک نزدیک به ستاره قرار می‌گیرند‌. یک غول‌گازی بزرگ شبیه به مشتری دقیقا پشت مرز یخ و دیگر غول‌های گازی پشت سر آن تشکیل می‌شوند. با افزایش فاصله از خورشید، اندازه‌ی غول‌های گازی هم کوچکتر می‌شود چرا که این سیارات در مدار خود آهسته حرکت می‌کنند و زمان بیشتری طول می‌کشد که مواد موجود در فضا را جذب کنند. در ضمن در این سناریو، همه‌ی سیاره‌ها همان‌جایی که شکل گرفته بودند، در مدارهایی تقریبا دایره‌ای و حدود یک صفحه باقی می‌مانند.

به سیارات گازی خیلی بزرگ که در فاصله‌ی خیلی نزدیک به ستاره‌ی مادر قرار دارند، «مشتری‌های داغ» گفته می‌شود.

مشکلات در نظریه

ولی کشف مشتری‌های داغ، یعنی سیاره‌های بسیار بزرگی که در مدار بسیار نزدیک به ستاره گردش می‌کنند و یک سال آن‌ها فقط چند روز طول می‌کشد، نشاندهنده‌ی چیزی اشتباه در این نظریه است. حضور در فاصله‌ی خیلی نزدیک به ستاره‌ی مادر باعث می‌شود که به هنگام پیدایش، مواد کمی برای جاروب کردن و تبدیل شدن به غول گازی وجود داشته باشد. غیر ممکن به نظر می‌رسد که یک غول گازی بتواند در چنین فاصله‌ی نزدیکی از ستاره‌ی مادر شکل بگیرد. نتیجه‌گیری غیر قابل اجتناب این است که سیاره باید جایی دورتر شکل گرفته و بعدا نزدیک ستاره آمده باشد. به آن مهاجرت سیاره‌ای می‌گویند.

نظریه‌پردازان برای توضیح مهاجرت سیاره‌ای دو نظریه داده‌اند. اولی نیازمند این است که بعد از شکل‌ گرفتن غول گازی همچنان مواد خیلی زیادی در قرص باقی بماند. گرانش سیاره نظم مواد این قرص را بر هم می‌زند و در آن مکان‌هایی با چگالی بیشتر ایجاد می‌کند. این مناطق به سیاره کشش‌ گرانشی وارد می‌کنند و باعث می‌شوند که کم‌ کم به سوی ستاره کشیده شود.

شواهدی در تایید این نظریه وجود دارد. سیارات همسایه معمولا در یک رابطه‌ی گرانشی با ثبات به نام «رزونانس مداری» قرار دارند و دوره‌ی گردش مداری آن‌ها در نوعی هماهنگی با نسبت‌هایی از اعداد صحیح است. برای مثال به ازای هر سه باری که نپتون در مدار خورشید گردش می‌کند، پلوتو دو بار می‌گردد. به نظر نمی‌رسد که این اتفاق شانسی رخ داده باشد. آن‌ها احتمالا کم کم به این شکل در آمده‌ و به نوعی پایداری رسیده‌اند. نظریه‌پردازان می‌گویند که مشتری ابتدا نزدیک‌تر از فاصله‌ی کنونی‌اش به خورشید شکل گرفت، سپس داخل‌تر آمد و تقریبا به حوالی مدار زمین رسید. بعدا دوباره به عقب رفت و در مکان کنونی‌اش قرار گرفت.

بعضی از دانشمندان، این سناریوها را به شکل غیرضروری پیچیده می‌دانند. ستاره‌شناسی از دانشگاه کالیفرنیا در سانتاکروز به نام «گرگ لافلین» می‌گوید که سیارات بیشتر تمایل دارند در مکانی که بوجود می‌آیند باقی بمانند. او می‌گوید که اگر قرص پیش‌سیاره‌ای در نزدیکی ستاره بیشتر از آن‌چه تصور می‌شود متراکم باشد، سیارات بزرگ می‌توانند نزدیک به ستاره متولد شوند. البته همچنان سیارات تا حدودی از سر جای خود حرکت می‌کنند و بنابراین می‌توان رزونانس‌ مداری را توجیه کرد.

ولی بعضی از دیگر دانشمندان می‌گویند که مواد کافی برای شکل‌گیری سیاره‌هایی مثل «۵۱ پگاسوس-بی» که خیلی نزدیک به ستاره‌ی خود هستند وجود ندارد. فیزیک‌دانی از انستیتوی تکنولوژی ماساچوست در کمبریج به نام «جوشوا وین» می‌گوید: «آن‌ها نمی‌توانستند در این مکان بوجود آیند.» و به نظر می‌رسد قسمت اعظمی از سیارات فراخورشیدی که در مدارهای بیضوی با انحراف زیاد و حتی وارونه قرار دارند، دچار نوعی مهاجرت سیاره‌ای شده‌اند.

نظریه‌پردازان می‌گویند که شاید این سیارات عجیب به جای مهاجرت ساده، درگیر نوعی هرج و مرج گرانشی شده باشند. یک قرص پر جرم می‌تواند سیارات زیادی را در کنار یکدیگر بوجود آورد. جایی که تنش‌های گرانشی می‌تواند آن‌ها را به درون ستاره، در مدارهای عجیب و غریب یا کاملا خارج از منظومه بیندازد. یکی دیگر از دیگر اجرامی که می‌تواند هرج و مرج گرانشی ایجاد کند، ستاره‌ای همدم است. بیشتر اوقات این ستاره‌ها آن‌قدر دور هستند که نمی‌توانند تاثیر بگذارند ولی گاهی اوقات ممکن است نزدیک شوند و همه چیز را بر هم بزنند. اگر ستاره‌ی مادر عضوی از یک خوشه‌ی ستاره‌ای متراکم باشد، ستاره‌‌های همسایه ممکن است نزدیک شوند و همه‌جا را به آشوب بکشند.

در آگوست ۲۰۱۶، ستاره‌شناسان کشف یک سیاره‌ی شبیه به زمین در مدار پروکسیما قنطورس، نزدیک‌ترین ستاره به خورشید را تایید کردند.

نظریه‌های نوین

کشف شگفت‌انگیز تلسکوپ کپلر مبنی بر اینکه ابرزمین‌ها در مدار ۶۰ درصد از سیارات شبیه به خورشید گردش می‌کنند باعث شده که نیاز به ارائه‌ی نظریه‌های جدید بوجود آید. تصور می‌شود که بیشتر ابرزمین‌ها از سنگ، فلز و گاز تشکیل شده‌اند، نزدیک‌تر از زمین به دور ستاره‌ی خود می‌گردند و معمولا هر ستاره دارای چند تا از آن‌هاست. مثلا منظومه‌ی «کپلر ۸۰» دارای چهار ابرزمین است که گردش آن‌ها به دور ستاره‌ی مادر ۹ روز یا کمتر طول می‌کشد. نظریه‌ی سنتی این است که درون هسته‌ی مرز یخ، فرایند برافزایش آن‌قدر آهسته صورت می‌گیرد که امکان ندارد چنان جرم بزرگی بوجود آید. اینکه ابرزمین‌ها به ندرت در مدارهای رزونانسی یافت می‌شوند، نشان می‌دهد که آن‌ها مهاجرت نکرده‌اند بلکه همان‌جایی که هستند شکل گرفته‌اند.

پژوهشگران در حال کار روی این مسئله هستند. یکی از راه‌ها این است که سرعت فرایند برافزایش را از طریق پروسه‌ای به نام «برافزایش سنگ‌ریزه» (Pebble Accretion) افزایش دهید. گاز درون یک قرص متراکم، نیروی پسای زیادی به اجرامی که به اندازه‌ی سنگ‌ریزه هستند وارد می‌کند. این باعث کاهش سرعت آن‌ها می‌شود و در نتیجه به سوی ستاره‌ی مادر سقوط می‌کنند. اگر آن‌ها در سر راه به یک خرده‌سیاره برخورد کنند، سرعت کم باعث می‌شود که خیلی راحت‌تر به دام بیفتند و در نتیجه سرعت برافزایش زیاد می‌‌شود. ولی برافزایش سریع‌تر و قرص پر از گاز مشکلات خاص خودش را دارد. ابرزمین‌ها وقتی از اندازه‌ای بزرگتر شدند، اتمسفر غلیظی دور خود جمع می‌کنند.

ستاره‌شناسی از دانشگاه برکلی به نام «یوجین چیانگ» می‌گوید تا زمانی که قرص از نظر مواد جامد غنی و از نظر گازی فقیر است، نیازی به بالا رفتن سرعت برافزایش نیست. او می‌گوید یک قرص داخلی که ۱۰ برابر از آن‌چه منظومه‌ی شمسی را بوجود آورد چگال‌تر است، می‌تواند به راحتی یک یا تعداد بیشتری ابرزمین بوجود آورد. ابرزمین‌های چیانگ به دلیل اینکه در روزهای مرگ قرص و زمانی که گازها پراکنده شده‌اند تشکیل می‌شوند، گاز زیادی جمع نمی‌کنند.

آرایه‌ی تلسکوپی «آلما» (ALMA) در شمال شیلی قرار دارد و مجموعه‌ی تلسکوپ‌های آن در حال ساخته شدن است. کشفیات این رصدخانه از ایده‌ای که در بالا مطرح شد پشتیبانی می‌کند. آلما می‌تواند تابش‌های رادیویی از غبار و سنگ‌ریزه‌های موجود در قرص‌های پیش‌سیاره‌ای را دریافت کند. اندک قرص‌هایی که تا به حال مطالعه کرده به نظر کاملا پرجرم می‌آیند. ولی کار تمام نشده چرا که ساخت خود آلما تمام نشده و بنابراین فقط می‌تواند قسمت‌های خارجی قرص‌ها را ببیند نه آن قسمت‌هایی که ابرزمین‌ها قرار گرفته‌اند. چیانگ می‌گوید: «رمز کار در نزدیک شدن است. کاری که آلما می‌تواند وقتی که همه‌ی ۶۶ آنتن آن به کار افتادند انجام دهد.»

چیانگ توضیح دیگری هم درباره‌ی یکی دیگر از کشفیات کپلر دارد. «پفک‌های بزرگ!» (Superpuffs) گروهی نادر و مشکل‌ساز از سیاره‌ها که جرم کمتری از ابرزمین‌ها دارند ولی کاملا بزرگ به نظر می‌رسند. آن‌ها اتمسفر خیلی بزرگی دارند که ۲۰ درصد جرمشان را تشکیل می‌دهد. به نظر می‌رسد که چنین سیاره‌هایی در قرص‌های پر از گاز بوجود می‌آیند. ولی در قرص درونی، گاز گرم با گرانش ضعیف سیاره مقابله می‌کند. بنابراین گاز سرد و متراکم قرص بیرونی احتمالا مهد تولد آن‌هاست. چیانگ از مهاجرت برای توضیح مدار نزدیک آن‌ها استفاده می‌کند. نظریه‌ای که ابرپفک‌های قفل شده در مدارهای رزونانسی آن را پشتیبانی می‌کند.

تاکنون بیشتر مطالعاتی که درباره‌ی سیارات فراخورشیدی انجام شده روی قسمت‌های داخلی منظومه‌های سیاره‌ای متمرکز بوده است. منظور از قسمت‌های داخلی، فاصله‌ای به اندازه‌ی مدار مشتری تا ستاره‌ی مادر است. دلیلش این است که روش‌های شناسایی کنونی ما توانسته‌اند سیاراتی که در فاصله‌ی بیشتر هستند را شناسایی کنند. دو روش اصلی یعنی اندازه‌گیری تلو تلو خوردن ستاره‌ها بر اثر کشند گرانشی سیاره‌ای که در مدار آن‌ می‌گردد و اندازه‌گیری کاهش دوره‌ای نور ستاره در زمانی که یک سیاره از جلوی آن عبور می‌کند، هر دو به درد سیاره‌های بزرگی می‌خورند که در فاصله‌ی خیلی نزدیک از ستاره‌ی مادر گردش می‌کنند. عکس‌برداری از ستاره‌ها هم خیلی سخت است چرا که آن‌ها در معرض نور خیلی زیاد ستاره‌ی مادر که گاهی اوقات یک میلیارد بار بیشتر است قرار دارند.

بیشتر سیارات فراخورشیدی کشف شده، اندازه‌ای بین زمین و نپتون دارند و به آن‌ها «ابرزمین» می‌گویند.

امید به آینده

ولی با افزایش توان قوی‌ترین تلسکوپ‌های دنیا، ستاره‌شناسان توانسته‌اند به طور مستقیم تعدادی از سیاره‌ها را ببینند. همچنین اخیرا دو ابزار جدید که به طور تخصصی برای عکاسی از فراخورشیدی‌ها طراحی شده‌اند به گروه جستجو پیوسته‌اند. ابزار اروپایی SPHERE و ابزار آمریکایی GPI به تلسکوپ‌های بزرگی در شیلی نصب شده‌اند. این دو ابزار ماسک‌های خیلی کارآمدی به نام «کرونوگراف» دارند که آن‌ها را جلوی نور ستارگان قرار می‌دهند و نور آن‌ها را سد می‌کنند. بنابراین سیاراتی که نسبت به ستاره‌شان دورتر هستند می‌توانند با این روش به طور مستقیم تصویربرداری شوند.

یکی از اولین و شگفت‌آورترین منظومه‌هایی که بوسیله‌ی عکاسی مستقیم پیدا شد، منظومه‌ای پیرامون ستاره‌ی HR 8799 بود. جایی که چهار سیاره در فاصله‌ای به اندازه‌ی فاصله‌ی زحل تا دو برابر فاصله‌ی نپتون قرار گرفته‌اند. نکته‌ی جالب این است که هر چهارتا کاملا عظیم هستند و جرم آن‌ها بیش از پنج برابر جرم مشتری است. طبق نظریه، سیاره‌هایی که در این فواصل قرار دارند چنان آهسته گردش می‌کنند که سرعت رشد آن‌ها خیلی کم است و جرم نهایی آن‌ها پیش از محو شدن قرص به کمتر از جرم مشتری می‌رسد. اکنون مدارهای دایره‌ای سیارات نشان می‌دهد که آن‌ها از مکانی نزدیک‌تر به ستاره‌ها به آن‌جا نرفته‌اند.

این غول‌های گازی از بزرگترین چالش برای نظریه‌ی استاندارد پشتیبانی می‌کنند. اینکه بعضی از سیارات نه بر اثر هسته‌ی برافزایشی، بلکه توسط فرایندی به نام ناپایداری گرانشی بوجود می‌آیند. این فرایند نیازمند یک قرص پیش‌سیاره‌ای پر از گاز است که تحت گرانش خودش کپه‌هایی تشکیل می‌دهد. این حباب‌های گازی در طول زمان بدون نیاز به تشکیل هسته‌ی جامد به غول‌های گازی تبدیل می‌شوند. مدل‌ها نشان می‌دهند که این مکانیسم فقط در بعضی از شرایط مشخص کار می‌کند. گاز باید سرد باشد، نباید خیلی سریع به دور خودش بچرخد و گاز منقبض شونده باید بتواند خیلی بهینه گرما را بیرون بدهد. آیا این توضیح می‌تواند توجیه‌کننده‌ی پیدایش سیارات سیاره‌ی HR 8799 باشد؟ فقط دوتای بیرونی به اندازه‌ی کافی دور و سرد هستند.

قبلا رصدهای رادیو تلسکوپی از قرص‌های پیش‌سیاره‌ای، از ناپایداری گرانشی پشتیبانی کرده بود. تلسکوپ‌ها که به گاز سرد حساس بودند، حباب‌های نامتقارن نامنظم را در قرص‌های برافزایشی رصد کردند. ولی عکس‌های اخیر آلما تصویر پدیده‌ی دیگری را نشان می‌دهد. آلما به طول موج‌های کوتاه‌تری که از دانه‌های غبار در صفحه‌ی میانی قرص ساطع می‌شود حساس است. امسال عکس‌های آن از ستاره‌ی HL Tauri و TW Hydrae قرص‌هایی متقارن و صاف را نشان داد که در آن‌ها شکاف‌های تاریک دایره‌ای فراسوی مدارهای شبیه به نپتون قرار دارد. این شگفتی بزرگی بود چرا که قرص شلوغ و در هم نبود. بلکه ساختاری زیبا و منظم داشت. این مدرک بزرگی بر ضد کسانی بود که از ناپایداری گرانشی حمایت می‌کردند.

آیا سیارات در شکاف‌های قرص پیش‌سیاره‌ای تشکیل می‌شوند؟

خیلی زود است بگوییم که GPI و SPHERE در لایه‌های بیرونی قرص می‌توانند چه چیزهایی پیدا کنند. ولی مناطق بین این لایه‌های بیرونی و قسمت‌های داخلی که تحت سلطه‌ی مشتری‌های داغ و ابرزمین‌هاست، همچنان ناشناخته باقی مانده است. این مناطق آن‌قدر به ستاره نزدیک هستند که نمی‌توان مستقیم از سیاره‌ها عکس‌برداری کرد و آن‌قدر دور هستند که با روش غیر مستقیم نمی‌توان سیاره‌ها را شناسایی کرد. در نتیجه برای نظریه‌پردازان خیلی مشکل است که بفهمند منظومه‌های فراخورشیدی دقیقا چه شکلی هستند.

لازم نیست ستاره‌شناسان برای دریافت داده‌های بهتر زیاد صبر کنند. سال آینده ناسا تلسکوپ فضایی TESS را پرتاب می‌کند و در همین سال انتظار می‌رود آژانس فضایی اروپا تلسکوپ CHEOPS را پرتاب کند. برخلاف کپلر که تعداد خیلی زیادی ستاره را با جزییات کم زیر نظر گرفته بود تا کاتالوگ سیارات فراخورشیدی را زیاد کند، TESS و CHEOPS بر ستاره‌های نزدیک و پرنور شبیه به خورشید تمرکز می‌کنند. این به پژوهشگران امکان می‌دهد قسمت‌های ناشناخته در وسط قرص پیش‌ستاره‌ای را جستجو کنند. از آن‌جا که ستاره‌های هدف نزدیک هستند، تلسکوپ‌های زمینی باید بتوانند جرم سیاره‌های آن‌ها را اندازه‌گیری کنند و بنابراین می‌توانند با اندازه‌گیری چگالی سیارات، تعیین کنند کدامیک سنگی و کدامیک گازی هستند.

قرار است در سال ۲۰۱۸ تلسکوپ فضایی جیمز وب پرتاب شود. این تلسکوپ می‌تواند نوری که از اتمسفر سیاره‌‌های فراخورشیدی گذر می‌کند را آنالیز کند و بفهمد که اتمسفر آن‌ها از چه تشکیل شده است. برای مثال یافتن عناصر سنگین‌تر در اتمسفر ابرزمین‌ها نشان می‌دهد که قرص پر از این عناصر برای تشکیل سریع هسته‌های سیاره‌ای نیاز است. طی یک دهه‌ی آینده، رصدخانه‌های فضایی مثل WFIRST ناسا و PLATO آژانس فضایی اروپا به همراه با نسل جدید تلسکوپ‌های غول‌پیکر زمینی که قطر آینه‌ی آن‌ها به ۳۰ متر یا بیشتر می‌رسد، به گروه جستجوی سیارات فراخورشیدی ملحق می‌شوند.

منبع: ScienceMag