دانشمندان سیاره‌ی عجیبی یافتند که سالش تنها ۱۶ ساعت است

امیر نیک‌رو

۹ آذر ۱۴۰۰ | ۱۲:۳۹ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۶ دقیقه

طرحی گرافیکی از یک سیاره‌ی فراخورشیدی مشتری-مانند در نزدیکی خورشید

ستاره‌شناسان یک سیاره‌ی فراخورشیدی عجیب کشف کرده‌اند که نه‌تنها بسیار نزدیک به ستاره‌ی منظومه‌ی خود قرار گرفته بلکه بسیار سریع دور آن می‌چرخد و طول سال آن تنها ۱۶ ساعت است.

تیر یا عطارد قهرمان سرعت در منظومه‌ی شمسی ماست. این سیاره هر ۸۸ روز یک بار به دور خورشید می‌گردد و سرعت متوسط آن در این حرکت ۴۷ کیلومتر بر ثانیه است. میانگین فاصله‌ی آن از خورشید ۵۸ میلیون کیلومتر است و آن‌قدر سریع است که نام آن را «مرکوری» (Mercury) یا «خدای بال‌پا» گذاشته‌اند.

اگر به جای عطارد، مشتری به خورشید نزدیک‌تر و حتی از آن داغ‌تر بود چه روی می‌داد؟ این دقیقا همان چیزی است که دانشمندان موفق به شناسایی آن شده‌اند. در یک منظومه‌ی ستاره‌ای دوردست در فاصله‌ی ۸۵۵ سال نوری، سیاره‌ای وجود دارد که عطارد در مقابل آن یک جرم کند و دور نسبت به ستاره‌ی مرکزی محسوب می‌شود.

ویژگی‌های سیاره

این سیاره تنها در ۱۶ ساعت به دور ستاره‌ی خود می‌چرخد و بنابراین یکی از کوتاه‌ترین مدارهای اندازه‌گیری شده را تشکیل می‌دهد. علاوه بر این، در این فاصله و با چنین سرعتی، با دمای بسیار بالای سطح سیاره، یکی از عجیب‌ترین سیاره‌های فراخورشیدی لقب می‌گیرد که تاکنون پیدا شده است.

نام این سیاره TOI-2109 b است و اخترشناسان آن را در طبقه‌بندی «مشتری فوق داغ» (Ultrahot Jupiter) قرار می‌دهند. مشتری‌های داغ غول‌های گازی هستند که فوق‌العاده نزدیک به ستاره‌های خود می‌چرخند و دمای سطحی بسیار بالایی دارند. مشتری‌های فوق داغ حتی از این هم شرایط شدیدتری دارند.

دمای سطح این نوع سیارات بیشتر از ۲۲۰۰ کلوین (۱۹۲۷ درجه‌ی سانتی‌گراد) است. اخترشناسان تخمین می‌زنند که دمای روز در TOI-2109 b به بیش از ۳۵۰۰ کلوین (۳۲۲۷ درجه‌ی سانتی‌گراد) می‌رسد که به اندازه‌ی برخی از ستاره‌های کوچک داغ است.

این کشف در مقاله‌ی جدیدی که با عنوان «تی‌او‌آی-۲۰۱۹: یک غول گازی فوق داغ در مداری ۱۶ ساعته» در «استرونومیکال ژورنال» (Astronomical Journal) منتشر شده، مطرح شده و «یان ونگ» (Ian Wong) از مرکز فضایی گادرد ناسا، این مطالعه را در دوره‌ی پسادکترای خود در MIT هدایت کرده است.

«ماهواره نقشه‌بردار فراخورشیدی گذران» (Transiting Exoplanet Survey Satellite) یا فضاپیمای «تس» (TESS) ناسا در می ۲۰۲۰ سیاره را کشف کرد و با آغاز رصد از ۱۳ می، تقریبا یک ماه به تماشای آن ادامه داد. در طول سال بعد، چندین رصدخانه‌ی زمینی هم مشاهدات بعدی را در طول موج‌های گوناگون انجام دادند. همه‌ی این مشاهدات تأیید کردند که TOI-2109b یک سیاره‌ی کمیاب و غیرمعمول است.

«اوی شپورر» (Avi Shporer) دیگر نویسنده‌ی این مطالعه از مؤسسه‌ی اخترفیزیک و تحقیقات فضایی کاولی MIT گفت: «همه چیز با سیاره بودن آن مطابقت داشت و ما دریافتیم که با جرم بسیار جالب و نسبتا کمیابی روبه‌رو هستیم.»

در حالی که رکورددار قبلی یک دوره گردش ۱۸ ساعته دارد، دوره‌ی مداری ۱۶ ساعته‌ی TOI-2109 b کوتاه‌ترین دوره‌ی اندازه‌گیری شده برای یک غول گازی محسوب می‌شود. جرم این سیاره تقریبا پنج برابر مشتری است و به دور ستاره‌ای از نوع F با جرمی حدود ۱٫۵ برابر خورشید ما می‌چرخد. تصور اینکه این چیدمان برای هر ناظری در آن منظومه چگونه خواهد بود، دشوار است.

طرجی گرافیکی از یک سیاره‌ی فراخورشیدی به ابعاد مشتری و سیاره‌ی بسیار بزرگ آن

طرجی گرافیکی از یک سیاره‌ی فراخورشیدی به ابعاد مشتری و ستاره‌ی بسیار بزرگ آن
Credit: ESO

فاصله‌ی بسیار کم باعث شده تا سیاره بسیار داغ باشد و احتمالا مانند دیگر سیارات فراخورشیدی از طبقه‌بندی مشتری داغ و فوق داغ، در قفل گرانشی ستاره‌ی میزبان گرفتار شده است. دمای بسیار بالای روز در این سیاره می‌تواند مولکول‌ها را به اتم‌های تشکیل‌دهنده تجزیه کند. مدل‌سازی نظری نشان می‌دهد که این اتفاق می‌تواند برای هیدروژن مولکولی بیفتد. اگر سمت شب به‌طور قابل‌توجهی خنک‌تر باشد، هیدروژن می‌تواند دوباره به صورت مولکول تشکیل شود.

یک ماه رصدهای تس کمک کرد تا چرخش سیاره به دور ستاره تأیید شود. آن‌ها گرفت ثانویه (زمانی که سیاره از پشت ستاره‌ی خود می‌گذرد) را در طول موج‌های گوناگون بررسی کردند و دریافتند که دمای روز احتمالا از ۳۵۰۰ کلوین فراتر می‌رود. اما هنوز مطمئن نیستند که در شب چه روی می‌دهد زیرا تس به اندازه‌ی کافی حساس نیست.

اگر تجزیه و ترکیب دوباره‌ی هیدروژن مولکولی درست باشد، می‌تواند به برهم‌کنش مؤثر دما در جو سیاره کمک کند و این یعنی دما در سمت شب خیلی زیاد نیست. شپورر در عینا حال خاطرنشان کرد: «روشنایی سمت شب سیاره کمتر از حساسیت داده‌های تس است و باعث ایجاد پرسش‌هایی درباره‌ی این بخش می‌شود.»

کشیده شدن در دام ستاره

پژوهشگران همچنین دریافتند که TOI-210 b با سرعت ۱۰ تا ۷۵۰ میلی‌ثانیه در سال به‌آرامی به سمت ستاره کشیده می‌شود. ستاره‌شناسان مشتری‌های داغ دیگری را هم یافته‌اند که واپاشی مداری آن‌ها را به سمت ستاره‌هایشان می‌کشاند اما هیچ یک به‌سرعت کشف اخیر نیستند.

طبیعت شدید TOI-210 b به تأیید وضعیت مشتری‌های داغ و فوق داغ به‌عنوان یکی از شدیدترین انواع سیارات فراخورشیدی کمک می‌کند. تلسکوپ‌های قوی‌تر طبیعت سیاره را آشکار می‌کنند و تیم پژوهشی امیدوار است که هابل و تلسکوپ فضایی جیمز وب که به‌زودی پرتاب می‌شود، در کنار هم بتوانند آن را دقیق‌تر مطالعه کنند. تماشای اتفاقاتی که با نزدیک و نزدیک‌تر شدن سیاره به ستاره روی می‌دهد به‌ویژه برای ستاره‌شناسان جالب خواهد بود.

طرحی گرافیکی از یک سیاره‌ی فراخورشیدی از طبقه‌ی مشتری فوق داغ
Credit: NASA/JPL-Caltech

ونگ گفت: «مشتری‌های فوق داغ مانند TOI-210 b خشن‌ترین زیرگروه سیارات فراخورشیدی را تشکیل می‌دهند. ما به‌تازگی شروع به درک برخی فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد کرده‌ایم که در اتمسفر آن‌ها روی می‌دهد و در منظومه‌ی شمسی ما مشابهی ندارند.

مشاهدات آینده از TOI-210 b هم ممکن است در گام اول سرنخ‌هایی از چگونگی پیدایش چنین سامانه‌های ستاره‌ای گیج‌کننده‌ای را نشان دهند. شپرور گفت: «از آغاز علم سیارات فراخورشیدی، مشتری‌های داغ به‌عنوان گوی‌های عجیب و غریب دیده می‌شدند. اینکه چگونه سیاره‌ای به جرم و بزرگی مشتری، به مداری می‌رسد که تنها چند روز طول می‌کشد؟ ما چنین چیزی در منظومه‌ی شمسی نداریم و این یافته، فرصتی را برای مطالعه و کمک به توضیح وجود آن‌ها فراهم می‌کند.»

خود مشتری هم ممکن است در گذشته‌های دور، قبل از بازگشت به مسیر مداری که اکنون دنبال می‌کند، به ۱٫۵ واحد نجومی خورشید مهاجرت کرده باشد. چیزی که به «فرضیه‌ی گردش بزرگ» (Grand Tack Hypothesis) شناخته می‌شود.

مشتری و زحل هم احتمالا اندکی پس از شکل‌گیری به نزدیکی خورشید مهاجرت کرده‌اند. اما پس از آنکه مشتری به مکان فعلی مریخ رسیده، این دو زوج غول گازی دوباره دور شده‌اند و به مکان فعلی رسیده‌اند. به این فرآیند، گردش بزرگ گفته می‌شود.
Credit: NASA/GSFC

اهمیت کشف سیارات فراخورشیدی از نوع مشتری فوق داغ

یافتن سیارات فراخورشیدی با شرایط شدید و غیرمعمول به ما چیزهای زیادی درباره‌ی گستره‌ی انواع سیارات در این محدوده می‌آموزد. از سویی اگرچه به دلیل بزرگ و نزدیک بدون به ستاره، سیاره‌های زیادی از طبقه‌ی مشتری‌های داغ و فوق داغ کشف می‌شود اما در حقیقت این نوع سیارات واقعا کمیاب هستند.

به گفته‌ی پژوهشگران، تنها حدود ۰٫۵ درصد از ستارگان خورشید-مانند میزبان این سیاره‌های افراطی هستند. با وجود اینکه تعداد آن‌ها کم است، اما سهم بزرگی در درک کلی ما از سیارات فراخورشیدی دارند. ابعاد عظیم آن‌ها در مقایسه با ستاره‌های میزبان و دمای بالای آن‌ها، طیف وسیعی از مطالعات دقیق را امکان‌پذیر می‌کند که بسیار فراتر از اندازه‌گیری‌های ابتدایی جرم و شعاع سیاره است.»

آن‌ها در مقاله‌ی خود نوشتند: «در طول دو دهه‌ی گذشته، گستره‌ی وسیعی از تکنیک‌های رصدی با جزئیات روزافزون برای بررسی ویژگی‌های جوی سیارات فراخورشیدی از نوع مشتری داغ استفاده شده است. اکنون مطالعه‌ی ویژگی‌هایی مانند توزیع دما، ترکیب شیمیایی، ابرهای متراکم، مه‌های فتوشیمیایی و سازوکار انتقال حرارت بسیار آسان‌تر از قبل است.»

ستاره‌شناسان در حال یادگیری این موضوع هستند که مشتری‌های فوق داغ با برخی از ویژگی‌های فیزیکی و دینامیکی متمایز مشخص می‌شوند که آن‌ها را از بقیه‌ی جمعیت غول‌های گازی داغ متمایز می‌کند.

حالا هیچ مطالعه‌ای درباره‌ی سیارات فراخورشیدی بدون رصدهای «تلسکوپ فضایی جیمز وب» (JWST) کامل نمی‌شود. JWST این قدرت را خواهد داشت که جو سیارات فراخورشیدی را با دقت بیشتری نسبت به هر ابزار دیگری که در حال حاضر در اختیار منجمان است، بررسی کند.

بخشی از جست‌وجو و مطالعه‌ی سیارات فراخورشیدی درباره‌ی یافتن سیارات مشابه زمین در کمربند حیات منظومه‌های سیاره‌ای است. اما مشتری‌های فوق داغ مانند TOI-2109b هم می‌توانند درباره‌ی سیارات در شدیدترین حالتشان و درباره‌ی فعل‌وانفعالات سیاره-ستاره‌ای که نمی‌توانیم در منظومه‌ی شمسی خود مطالعه کنیم، چیزهای زیادی به ما بیاموزند و جیمز وب در این زمینه هم کمک قابل‌توجهی به دانش ما خواهد کرد.

در حالی که پیشرفت‌های آینده در قابلیت‌های تلسکوپ‌ها، امکان کاوش‌های نسبتا عمیق سیارات فراخورشیدی کوچکتر و سردتر را فراهم می‌کند، مشتری‌های فوق داغ همچنان مطلوب‌ترین گزینه‌ها برای تعیین ویژگی‌ها و ماهیت سیارات در شدیدترین حالت خود خواهند بود.