کشف جزئیات جدید در ۱۵ سیاره فراخورشیدی نپتون‌مانند

مطالعه کردن سیاره‌های فراخورشیدی که یک نام علمی-تخیلی برای همه سیاره‌های فراتر از منظومه شمسی ما به شمار می‌رود، یک حوزه کاملا جدید است.

به نقل از ساینس دیلی، پژوهشگران حوزه سیاره‌های فراخورشیدی از جمله پژوهشگران آزمایشگاه «اگزولب» (ExoLab) در «دانشگاه کانزاس» (University of Kansas)، از داده‌های تلسکوپ‌های فضایی مانند «تلسکوپ فضایی هابل» و «تلسکوپ فضایی جیمز وب» استفاده می‌کنند. هر زمان که عناوین خبری، یافته‌هایی را در مورد سیاره‌های «زمین‌مانند» یا سیاره‌هایی با پتانسیل حمایت از بشریت ارائه می‌دهند، در مورد سیاره‌های فراخورشیدی در کهکشان راه شیری صحبت می‌کنند.

«جاناتان براند» (Jonathan Brande) دانشجوی مقطع دکتری در آزمایشگاه اگزولب، به تازگی یافته‌هایی را منتشر کرده است که جزئیات جدید جوی را در مجموعه‌ای از ۱۵ سیاره فراخورشیدی مشابه نپتون نشان می‌دهند. اگرچه هیچ کام از این سیاره‌ها نمی‌توانند از بشریت حمایت کنند، اما درک بهتر رفتار آن‌ها ممکن است به دانشمندان کمک کند تا بفهمند چرا یک نپتون کوچک وجود ندارد؛ در حالی که به نظر می‌رسد بیشتر منظومه‌های خورشیدی دارای سیاره‌ای از این سطح هستند.

براند ادامه داد: طی چند سال گذشته در دانشگاه کانزاس، تمرکز من بر مطالعه کردن اتمسفر سیاره‌های فراخورشیدی از طریق روشی به نام «طیف‌سنجی عبوری» (Transmission Spectroscopy) بوده است. هنگامی که یک سیاره در حال عبور کردن است، بین خط دید ما و ستاره‌ای که به دور آن می‌چرخد، حرکت می‌کند. نور ستاره از جو سیاره عبور می‌کند و توسط گاز‌های گوناگون جذب می‌شود. ما با طیف‌سنجی ستاره، یک رنگین‌کمان را می‌بینیم و روشنایی رنگ‌های تشکیل‌دهنده آن را اندازه‌گیری می‌کنیم. نواحی گوناگون روشنایی یا تیرگی در طیف، گاز‌های جذب‌کننده نور را در جو سیاره نشان می‌دهند.

براند با استفاده از این روش، چندین سال پیش یک مقاله را در مورد سیاره فراخورشیدی «TOI-۶۷۴ b» منتشر کرد. او در این مقاله، مشاهداتی را ارائه داد که نشان‌دهنده وجود بخار آب در جو سیاره بودند. این مقاله، بخشی از یک برنامه گسترده‌تر به سرپرستی براند و «ایان کراسفیلد» (Ian Crossfield) دانشیار فیزیک و ستاره‌شناسی دانشگاه کانزاس برای بررسی کردن جو سیاره‌های فراخورشیدی به اندازه نپتون بود.

براند گفت: با توجه به این که برخی از سیاره‌های فراخورشیدی بزرگتر از زمین و کوچک‌تر از نپتون، رایج‌ترین سیاره‌ها در کهکشان هستند، ما می‌خواهیم رفتار این سیاره‌ها را درک کنیم.

پژوهش جدید براند، مشاهدات مقاله پیشین را خلاصه می‌کند و داده‌های بیشتری را برای پاسخ دادن به این پرسش ارائه می‌دهد که چرا جو برخی از سیاره‌ها ابری به نظر می‌رسد، اما جو برخی دیگر صاف است. براند گفت: هدف این است که توضیحات فیزیکی را درباره ظاهر متمایز این سیاره‌ها کشف کنیم.

براند و همکارانش، توجه ویژه‌ای را به مناطقی از سیاره‌های فراخورشیدی داشتند که تمایل دارند ابر‌ها یا مه‌ها را بر فراز جو خود تشکیل دهند. براند گفت: هنگامی که این ذرات معلق در جو وجود داشته باشند، مه می‌تواند مانع از فیلتر شدن نور در جو شود.

براند گفت: اگر درست بالای سطح یک سیاره، ابری وجود داشته باشد که صد‌ها کیلومتر هوای صاف بالای آن باشد، نور ستاره‌ها می‌تواند به راحتی از هوای صاف عبور کند و تنها توسط گاز‌های خاص موجود در آن قسمت از جو جذب شود. با وجود این، اگر ابر در ارتفاع بسیار بالایی قرار بگیرد، ابر‌ها عموما در سراسر طیف الکترومغناطیسی مات هستند. اگرچه مه‌ها دارای ویژگی‌های طیفی هستند، اما وقتی ما با تلسکوپ فضایی هابل روی یک محدوده نسبتا باریک تمرکز می‌کنیم، می‌بینیم که طیف‌های جوی عمدتا صاف را نیز تولید می‌کنند.

به گفته براند، وقتی این ذرات معلق در بالای جو وجود داشته باشند، هیچ مسیر آشکاری برای عبور کردن نور وجود ندارد. براند ادامه داد: با تلسکوپ فضایی هابل، تنها گازی که ما به آن حساس هستیم، بخار آب است. اگر بخار آب را در جو یک سیاره ببینیم، این یک نشانه خوب مبنی بر این است که هیچ ابری نمی‌تواند مانع جذب آن شود. برعکس، اگر بخار آب مشاهده نشود و فقط یک طیف جوی صاف را ببینیم، با توجه به این که سیاره باید یک جو وسیع داشته باشد، احتمال وجود ابر یا مه در ارتفاعات بالاتر به جا می‌ماند.

براند در این پژوهش، سرپرستی یک گروه بین‌المللی از ستاره‌شناسان را بر عهده دارد؛ از جمله کراسفیلد از دانشگاه کانزاس، گروهی از پژوهشگران «موسسه ماکس پلانک» (Max Planck Institute) آلمان به رهبری «لورا کریدبرگ» (Laura Kreidberg) و گروهی از پژوهشگران «دانشگاه تگزاس، آستین» (UT Austin) به رهبری «کارولین مورلی» (Caroline Morley).

براند و همکارانش با تمرکز بر تعیین کردن پارامتر‌های فیزیکی جو سیاره‌های کوچک نپتون‌مانند، به یک تحلیل متفاوت از تلاش‌های پیشین پرداختند. در مقابل، تحلیل‌های پیشین اغلب شامل استفاده کردن از یک مدل جوی برای مشاهدات بود. براند گفت: پژوهشگران معمولا یک مدل جوی را با محتوای آب از پیش محاسبه‌شده در نظر می‌گیرند، آن را مقیاس‌بندی می‌کنند و سپس، آن را برای مطابقت با سیاره‌های مشاهده‌شده در نمونه خود تغییر می‌دهند. این روش نشان می‌دهد که آیا طیف جوی مورد نظر صاف یا ابری است، اما هیچ اطلاعاتی را در مورد مقدار بخار آب یا محل ابر‌ها در جو ارائه نمی‌کند.

در عوض، براند از روشی به نام «بازیابی جوی» استفاده کرد.

وی افزود: این روش شامل مدل‌سازی جو در پارامتر‌های گوناگون سیاره مانند کمیت بخار آب و مکان ابر و تکرار از طریق صد‌ها و هزاران شبیه‌سازی برای یافتن بهترین پیکربندی است. بازیابی‌های ما بهترین طیف مدل را برای هر سیاره نشان می‌دهند که از روی آن محاسبه کردیم که سیاره چقدر ابری یا صاف است.

یافته‌های براند، اطلاعاتی را در مورد رفتار این جو‌های سیاره‌ای ارائه داده‌اند و علاقه زیادی را بر انگیخته‌اند. علاوه بر این، براند بخشی از یک برنامه رصدی بین‌المللی به رهبری کراسفیلد است که به تازگی یافته‌هایی را پیرامون وجود بخار آب در سیاره «GJ ۹۸۲۷d» اعلام کرد. این سیاره که به گرمی سیاره زهره است، در فاصله ۹۷ سال نوری از زمین در صورت فلکی «ماهی» (Pisces) قرار دارد.

مشاهدات به دست آمده با تلسکوپ فضایی هابل نشان می‌دهند که این سیاره ممکن است تنها یک نمونه از سیاره‌های غنی از آب در کهکشان راه شیری باشد. این مشاهدات توسط گروهی به رهبری «پیر الکسیس روی» (Pierre-Alexis Roy) از «موسسه پژوهش سیاره‌های فراخورشیدی تروتیر» (Trottier Institute for Research on Exoplanets) در «دانشگاه مونترال» (UdeM) اعلام شدند.

براند گفت: ما در حال جستجوی بخار آب در جو سیاره‌های زیرنپتونی بودیم. مقاله پیر الکسیس، جدیدترین مقاله از تلاش اصلی است، زیرا تشخیص دادن بخار آب تقریبا به اندازه ۱۰ یا ۱۱ گذر از سیاره طول کشید. ما در طول فرآیند انجام دادن هر دو مقاله با آن‌ها در ارتباط نزدیک بودیم تا اطمینان حاصل شود که از نتایج به‌روزشده استفاده می‌کنیم و یافته‌های آن‌ها را به طور دقیق انعکاس می‌دهیم.

این پژوهش در «The Astrophysical Journal Letters» به چاپ رسید.

منبع: ایسنا