کشف سیاره جدید با تلسکوپ جیمز وب در سامانه کپلر-۵۱

کشف یک سیستم سیاره‌ای غیرمعمول با سیارات فوق‌پفکی

طبق تحقیقات جدیدی که توسط محققان دانشگاه پن‌استیت و دانشگاه اوساکا انجام شده، یک سیستم سیاره‌ای غیرمعمول با سه سیاره فوق‌پفکی با چگالی بسیار پایین، حداقل یک سیاره دیگر نیز دارد. تیم تحقیقاتی قصد داشت تا سیاره Kepler-51d، سومین سیاره این سیستم، را با تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) مطالعه کند، اما تقریباً فرصت خود را از دست دادند، زیرا این سیاره به طور غیرمنتظره‌ای دو ساعت زودتر از پیش‌بینی مدل‌ها از مقابل ستاره‌اش عبور کرد.

پس از بررسی داده‌های جدید و آرشیوی از تلسکوپ‌های فضایی و زمینی مختلف، محققان دریافتند که بهترین توضیح برای این پدیده، وجود یک سیاره چهارم است که نیروی گرانشی آن بر مدارهای سایر سیارات در این سیستم تأثیر می‌گذارد. کشف این سیاره جدید در مقاله‌ای که در تاریخ ۳ دسامبر در ژورنال نجوم منتشر شده، به تفصیل توضیح داده شده است.

جسیکا لیبی-رابرتس، پژوهشگر پسادکتری در مرکز سیارات فراخورشیدی و جهان‌های قابل سکونت دانشگاه پن‌استیت و یکی از نویسندگان اصلی این مقاله، گفت: “سیارات فوق‌پفکی بسیار غیرمعمول هستند زیرا دارای جرم و چگالی بسیار پایینی هستند. سه سیاره‌ای که قبلاً شناخته شده‌اند و به دور ستاره Kepler-51 می‌چرخند، به اندازه زحل هستند اما تنها چند برابر جرم زمین دارند که منجر به چگالی‌ای شبیه به پشمک می‌شود. ما فکر می‌کنیم که این سیارات هسته‌های کوچکی دارند و جوهای بزرگی از هیدروژن و هلیوم، اما چگونگی شکل‌گیری این سیارات عجیب و اینکه چگونه جوهایشان توسط تابش شدید ستاره جوانشان از بین نرفته، همچنان یک معما باقی مانده است. ما برنامه‌ریزی کرده بودیم تا با استفاده از JWST یکی از این سیارات را مطالعه کنیم تا به این سوالات پاسخ دهیم، اما حالا باید وجود یک سیاره چهارم با جرم کم در این سیستم را توضیح دهیم!”

چگونگی عبور سیارات از مقابل ستاره‌ها

زمانی که یک سیاره از مقابل ستاره‌اش عبور می‌کند، مقداری از نور ستاره را مسدود کرده و باعث کاهش جزئی در روشنایی آن می‌شود. مدت زمان و میزان این کاهش، سرنخ‌هایی درباره اندازه و ویژگی‌های دیگر سیاره ارائه می‌دهد. سیارات هنگامی که یک دور کامل به دور ستاره‌شان می‌چرخند، عبور می‌کنند، اما گاهی اوقات ممکن است چند دقیقه زودتر یا دیرتر از پیش‌بینی‌ها عبور کنند زیرا گرانش سایر سیارات در سیستم بر آن‌ها تأثیر می‌گذارد. این تفاوت‌های جزئی به عنوان تغییرات زمان عبور شناخته می‌شوند و در مدل‌های نجوم‌دانان گنجانده شده‌اند تا بتوانند زمان دقیق عبور سیارات را پیش‌بینی کنند.

محققان اعلام کردند که هیچ دلیلی برای باور به نادرستی مدل سه‌سیاره‌ای سیستم Kepler-51 نداشتند و با موفقیت از این مدل برای پیش‌بینی زمان عبور Kepler-51b در مه ۲۰۲۳ استفاده کردند و با تلسکوپ رصدخانه آپاچی پوینت (APO) برای مشاهده آن در زمان مقرر پیگیری کردند. لیبی-رابرتس افزود: “ما همچنین سعی کردیم تا با استفاده از تلسکوپ آزمایشگاه دیوی پن‌استیت، عبور Kepler-51d را در سال ۲۰۲۲ مشاهده کنیم، اما برخی از ابرهای بد زمان‌بندی شده، درست زمانی که پیش‌بینی شده بود عبور آغاز شود، دید ما را مسدود کردند. ممکن است در آن زمان متوجه چیزی می‌شدیم، اما دلیلی برای شک به اینکه Kepler-51d طبق انتظار عبور نخواهد کرد، نداشتیم.”

مدل سه‌سیاره‌ای تیم پیش‌بینی کرده بود که Kepler-51d در حدود ساعت ۲ بامداد به وقت EDT در ژوئن ۲۰۲۳ عبور خواهد کرد و محققان برای مشاهده این رویداد با هر دو تلسکوپ JWST و APO آماده شدند. لیبی-رابرتس گفت: “خوشبختانه ما چند ساعت زودتر برای تنظیم یک خط پایه شروع به مشاهده کردیم، زیرا ساعت ۲ بامداد رسید، سپس ساعت ۳، و ما هنوز تغییر در روشنایی ستاره را با APO مشاهده نکرده بودیم.”

او ادامه داد: “پس از اینکه به‌طور دقیق مدل‌های خود را دوباره اجرا کردیم و داده‌ها را بررسی کردیم، متوجه کاهش جزئی در روشنایی ستاره شدیم که بلافاصله پس از شروع مشاهده با APO رخ داد و در واقع آغاز عبور بود – دو ساعت زودتر از آنچه که مدل‌های ما پیش‌بینی کرده بودند، که به‌طور قابل توجهی فراتر از ۱۵ دقیقه عدم قطعیت مدل‌های ما بود!”

زمانی که محققان داده‌های جدید APO و JWST را تحلیل کردند، تأیید کردند که عبور Kepler-51d را ثبت کرده‌اند، هرچند که به‌طور قابل توجهی زودتر از آنچه که انتظار می‌رفت، رخ داده است.

کشف سیاره جدید در سیستم کپلر-۵۱

کنتو ماسودا، استاد همکار علوم زمین و فضا در دانشگاه اوساکا و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، گفت: “ما واقعاً از ظهور زودهنگام کپلر-۵۱دی متعجب شدیم و هیچ مقدار تنظیم دقیق مدل سه سیاره‌ای نمی‌توانست چنین اختلاف بزرگی را توضیح دهد.” او افزود: “تنها با اضافه کردن یک سیاره چهارم، این تفاوت توضیح داده شد. این اولین سیاره‌ای است که با استفاده از تغییرات زمان عبور توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) کشف شده است.”

برای کمک به توضیح آنچه در سیستم کپلر-۵۱ در حال وقوع است، تیم تحقیقاتی به داده‌های قبلی عبور از تلسکوپ فضایی کپلر ناسا و ماهواره بررسی سیارات فراخورشیدی (TESS) مراجعه کرد. آن‌ها همچنین مشاهدات جدیدی از سیارات داخلی این سیستم انجام دادند، از جمله با تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ رصدخانه پالمار مؤسسه فناوری کالیفرنیا، و داده‌های آرشیوی از چندین تلسکوپ زمینی به دست آوردند.

از آنجایی که سیاره جدید، کپلر-۵۱ای، هنوز در حال عبور مشاهده نشده است – شاید به این دلیل که ممکن است در خط دید بین ستاره‌اش و زمین قرار نگیرد – محققان تأکید کردند که جمع‌آوری هر چه بیشتر داده‌ها برای حمایت از مدل‌های جدیدشان بسیار مهم است. ماسودا گفت: “ما جستجوی نیروهای خام را انجام دادیم و ترکیب‌های مختلفی از ویژگی‌های سیاره‌ای را آزمایش کردیم تا مدل چهار سیاره‌ای را پیدا کنیم که تمام داده‌های عبوری جمع‌آوری شده در ۱۴ سال گذشته را توضیح دهد.”

او ادامه داد: “ما دریافتیم که بهترین توضیح برای سیگنال این است که کپلر-۵۱ای دارای جرمی مشابه با سه سیاره دیگر باشد و مداری نسبتاً دایره‌ای به مدت حدود ۲۶۴ روز داشته باشد – چیزی که بر اساس دیگر سیستم‌های سیاره‌ای انتظار داریم. دیگر راه‌حل‌های ممکن که پیدا کردیم شامل یک سیاره بزرگ‌تر در مداری وسیع‌تر است، هرچند فکر می‌کنیم این موارد کمتر محتمل هستند.”

محاسبه یک سیاره چهارم و تنظیم مدل‌ها همچنین موجب تغییر در جرم‌های مورد انتظار دیگر سیارات در این سیستم می‌شود. به گفته محققان، این موضوع بر دیگر ویژگی‌های استنباط شده درباره این سیارات تأثیر می‌گذارد و اطلاعاتی درباره چگونگی شکل‌گیری آن‌ها ارائه می‌دهد. اگرچه سه سیاره داخلی کمی سنگین‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد هستند، اما هنوز به عنوان سوپرپاف‌ها طبقه‌بندی می‌شوند. با این حال، مشخص نیست که آیا کپلر-۵۱ای نیز یک سیاره سوپرپاف است یا خیر، زیرا محققان هنوز عبور کپلر-۵۱ای را مشاهده نکرده‌اند و بنابراین نمی‌توانند شعاع یا چگالی آن را محاسبه کنند.

لیبی-رابرتس گفت: “سیارات سوپرپاف نسبتاً نادر هستند و وقتی هم که وجود دارند، معمولاً تنها سیاره در یک سیستم سیاره‌ای هستند. اگر توضیح دادن چگونگی شکل‌گیری سه سوپرپاف در یک سیستم چالش‌برانگیز نبود، حالا باید وجود یک سیاره چهارم را توضیح دهیم، چه سوپرپاف باشد و چه نباشد. و نمی‌توانیم وجود سیارات اضافی در سیستم را هم رد کنیم.”

از آنجایی که محققان بر این باورند که کپلر-۵۱ای مداری به مدت ۲۶۴ روز دارد، آن‌ها گفتند که نیاز به زمان مشاهدات بیشتری برای به دست آوردن تصویر بهتری از تأثیرات گرانش آن – یا گرانش سیارات اضافی – بر سه سیاره داخلی در این سیستم است. لیبی-رابرتس گفت: “کپلر-۵۱ای مداری کمی بزرگ‌تر از زهره دارد و درست در داخل منطقه قابل سکونت ستاره قرار دارد، بنابراین اگر وقت بگذاریم، ممکن است موارد بیشتری در آن فاصله وجود داشته باشد.”

او ادامه داد: “ادامه بررسی تغییرات زمان عبور ممکن است به ما کمک کند سیاراتی را کشف کنیم که دورتر از ستاره‌هایشان هستند و ممکن است در جستجوی سیاراتی که می‌توانند از حیات پشتیبانی کنند، به ما کمک کند.”

محققان در حال حاضر در حال تحلیل بقیه داده‌های JWST هستند که می‌تواند اطلاعاتی درباره جو کپلر-۵۱دی ارائه دهد. بررسی ترکیب و دیگر ویژگی‌های سه سیاره داخلی همچنین می‌تواند درک ما را از چگونگی شکل‌گیری سیارات سوپرپاف با چگالی فوق‌العاده پایین بهبود بخشد، به گفته محققان.

علاوه بر لیبی-رابرتس و ماسودا که تیم کپلر-۵۱دی را رهبری کردند، تیم تحقیقاتی بین‌المللی شامل جان لیوینگستون از رصدخانه ملی نجوم ژاپن است که بیشتر پیگیری‌های زمینی را هماهنگ کرده است؛ بسیاری از ناظران زمینی؛ تیم کپلر-۵۱ب؛ و تیم پالمار. ناسا این تحقیق را از طریق کمک‌های مالی JWST و تلسکوپ فضایی هابل پشتیبانی کرد. محاسبات این تحقیق در مؤسسه علوم محاسباتی و داده‌های دانشگاه پن استیت انجام شد.