کتابخانه‌ای جدید برای کشف آب در سیاره‌های فراخورشیدی

تحقیقات علمی در مورد نشانه‌های سنگ‌های بازالتی و آب در سیارات فراخورشیدی

با بررسی فرآیندهای شیمیایی مشاهده‌شده در گوشته داغ زمین، دانشمندان دانشگاه کرنل در حال توسعه یک کتابخانه از نشانه‌های طیفی مبتنی بر بازالت هستند که نه تنها به شناسایی ترکیب سیارات خارج از منظومه شمسی کمک می‌کند، بلکه می‌تواند شواهدی از وجود آب در این سیارات فراخورشیدی ارائه دهد. استبان گازل، استاد مهندسی، گفت: “زمانی که گوشته زمین ذوب می‌شود، بازالت تولید می‌کند.” بازالت، سنگ آتش‌فشانی خاکستری-سیاه است که در سرتاسر منظومه شمسی یافت می‌شود و به گفته او، این سنگ‌ها ثبت‌کننده‌های کلیدی تاریخ زمین‌شناسی هستند. او افزود: “زمانی که گوشته مریخ ذوب شد، بازالت نیز تولید کرد. ماه عمدتاً از بازالت تشکیل شده است.” گازل ادامه داد: “ما در حال آزمایش مواد بازالتی در زمین هستیم تا در نهایت ترکیب سیارات فراخورشیدی را از طریق داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب روشن کنیم.”

گازل و امیلی فیرست، پژوهشگر پیشین پسادکتری در دانشگاه کرنل و اکنون استادیار در کالج مکالیستر در مینه‌سوتا، نویسندگان مقاله‌ای به نام “طیف‌های میانه‌مادون قرمز برای سیارات سنگی بازالتی” هستند که در تاریخ 14 نوامبر در نشریه Nature Astronomy منتشر شده است. گازل گفت: “درک اینکه چگونه مواد معدنی فرآیندهایی را که این سنگ‌ها را ایجاد کرده‌اند ثبت می‌کنند و نشانه‌های طیفی آن‌ها، اولین قدم در توسعه کتابخانه ما است.” او افزود: “ما می‌دانیم که اکثریت سیارات فراخورشیدی بازالت تولید خواهند کرد، زیرا فلزات ستاره میزبان آن‌ها منجر به تشکیل مواد معدنی گوشته (سیلیکات‌های آهن-منیزیم) می‌شود و بنابراین زمانی که ذوب می‌شوند، تعادل فازی (تعادل بین دو حالت ماده) پیش‌بینی می‌کند که لاواهای حاصل بازالتی خواهند بود.” او همچنین گفت: “این پدیده نه تنها در منظومه شمسی ما، بلکه در سرتاسر کهکشان نیز رایج خواهد بود.”

فیرست میزان تابش‌پذیری — میزان انرژی که یک سطح به محیط اطراف خود تابش می‌کند — 15 نمونه بازالتی را برای نشانه‌های طیفی که ممکن است تلسکوپ فضایی در طیف‌سنج مادون قرمز میانه خود شناسایی کند، اندازه‌گیری کرد. زمانی که ذوب‌های بازالتی در یک سیاره فراخورشیدی فوران می‌کنند و سرد می‌شوند، بازالت‌ها به سنگ‌های جامد تبدیل می‌شوند که در زمین به آن‌ها لاوا گفته می‌شود. این سنگ می‌تواند با آب، در صورت وجود، تعامل داشته باشد و مواد معدنی هیدراته جدیدی را تشکیل دهد که در طیف‌های مادون قرمز به راحتی قابل شناسایی هستند. این مواد معدنی تغییر یافته می‌توانند به آمفیبول (یک سیلیکات هیدراته) یا سرپنتین (یک سیلیکات هیدراته دیگر که شبیه پوست مار است) تبدیل شوند. گازل گفت: “با بررسی تفاوت‌های کوچک طیفی بین نمونه‌های بازالتی، دانشمندان به‌طور نظری می‌توانند تعیین کنند که آیا یک سیاره فراخورشیدی زمانی آب سطحی جاری داشته یا آب درون آن وجود داشته است.” او همچنین اشاره کرد که شواهد وجود آب به‌طور آنی نمایان نمی‌شود و برای استفاده از این نوع شناسایی نیاز به کار بیشتری است.

تلسکوپ فضایی جیمز وب و جستجوی سیارات فراخورشیدی

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) که حدود ۱ میلیون مایل از زمین فاصله دارد، برای تمرکز بر روی یک سیستم نوری که سال‌ها با ما فاصله دارد، به ده‌ها تا صدها ساعت زمان نیاز دارد و سپس زمان بیشتری برای تحلیل داده‌ها صرف می‌کند. گروه تحقیقاتی در جستجوی یک سیاره فراخورشیدی سنگی برای شبیه‌سازی فرضیات خود و بررسی ۱۵ امضای مختلف، از داده‌های سیاره فراخورشیدی LHS 3844b استفاده کردند که در حال چرخش به دور یک کوتوله قرمز است و کمی بیشتر از ۴۸ سال نوری با ما فاصله دارد.

ایشان میشرا، که در آزمایشگاه نیکول لوئیس، استاد همکار نجوم کار می‌کند، کد کامپیوتری برای مدل‌سازی داده‌های طیفی First نوشت تا شبیه‌سازی کند که سطوح مختلف سیارات فراخورشیدی چگونه ممکن است برای JWST به نظر برسند. لوئیس گفت که ابزارهای مدل‌سازی ابتدا برای کاربردهای دیگر استفاده شده بودند. او افزود: “ابزارهای کدنویسی ایشان در ابتدا برای مطالعه قمرهای یخی در منظومه شمسی به کار می‌رفتند. اکنون ما در تلاش هستیم تا آنچه را که از منظومه شمسی آموخته‌ایم، به سیارات فراخورشیدی ترجمه کنیم.”

First گفت: “هدف ما ارزیابی سیاره LHS 3844b به‌طور خاص نبود، بلکه در نظر گرفتن دامنه‌ای معقول از سیارات سنگی بازالتی بود که می‌توانند در سال‌های آینده توسط JWST و سایر رصدخانه‌ها مشاهده شوند.”

در زمینه سیارات فراخورشیدی، محققان گفتند که کاوش سطوح سنگی عمدتاً محدود به نقاط داده‌ای منفرد بوده است – یافتن شواهد از تنها یک نوع ماده شیمیایی – در ادبیات علمی، اما این روند در حال تغییر به سمت اجزای متعدد است زیرا ناظران از JWST استفاده می‌کنند. با تلاش برای استخراج امضاهای مرتبط با مینرالوژی و ترکیب شیمیایی کلی – به عنوان مثال، مقدار سیلیکون، آلومینیوم و منیزیم در یک سنگ – زمین‌شناسان می‌توانند اطلاعات بیشتری درباره شرایطی که سنگ در آن شکل گرفته است، به دست آورند.

First گفت: “در زمین، اگر شما سنگ‌های بازالتی را که از ریدهای میانه اقیانوس در عمق بستر اقیانوس فوران می‌کنند، با آن‌هایی که در جزایر اقیانوسی مانند هاوایی فوران می‌کنند مقایسه کنید، متوجه تفاوت‌هایی در شیمی کلی خواهید شد. اما حتی سنگ‌های با شیمی کلی مشابه می‌توانند مواد معدنی متفاوتی داشته باشند، بنابراین این دو ویژگی مهم برای بررسی هستند.”

علاوه بر First، گازل، لوئیس و میشرا، نویسندگان همکار شامل جاناتان لتای ‘۲۳ از دانشگاه نورث‌ایسترن و فیزیک‌دان لئونارد هانسسن، دکتری ‘۸۵ هستند که به تازگی از مؤسسه ملی استانداردها و فناوری بازنشسته شده است. لوئیس یک همکار هیئت علمی در مؤسسه کارل ساگان دانشگاه کرنل است. این تحقیق با حمایت بنیاد ملی علوم، مؤسسه ملی استانداردها و فناوری و بنیاد هایزینگ-سیمونز/فلوشیپ ۵۱ پگاسی انجام شده است.