آیا سیاره تراپیست-۱b دارای جو است؟ حقیقت شگفت‌انگیز!

تحقیقات جدید درباره سیاره فراخورشیدی Trappist-1 b

اندازه‌گیری‌های اخیر با تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) سوالاتی را درباره درک کنونی از ماهیت سیاره فراخورشیدی Trappist-1 b به وجود آورده است. تا به حال، فرض بر این بود که این سیاره یک سیاره سنگی تاریک بدون جو است که تحت تأثیر تابش و شهاب‌سنگ‌ها در طول یک میلیارد سال شکل گرفته است. اما به نظر می‌رسد واقعیت کاملاً متفاوت باشد. سطح این سیاره هیچ نشانه‌ای از فرسایش ندارد که می‌تواند نشان‌دهنده فعالیت‌های زمین‌شناسی مانند آتش‌فشانی و تکتونیک صفحه‌ای باشد. به‌علاوه، وجود یک سیاره با جوی مه‌آلود که از دی‌اکسید کربن تشکیل شده نیز ممکن است.

این نتایج چالش‌های تعیین ویژگی‌های سیارات فراخورشیدی با جوهای نازک را نشان می‌دهد. Trappist-1 b یکی از هفت سیاره سنگی است که به دور ستاره Trappist-1 می‌چرخد و در فاصله ۴۰ سال نوری از زمین قرار دارد. این سیستم سیاره‌ای منحصر به فرد است زیرا به ستاره‌شناسان این امکان را می‌دهد که هفت سیاره مشابه زمین را از فاصله‌ای نسبتاً نزدیک مطالعه کنند که سه‌تا از آن‌ها در منطقه قابل سکونت قرار دارد. این منطقه در یک سیستم سیاره‌ای جایی است که یک سیاره می‌تواند آب مایع را بر روی سطح خود داشته باشد.

تا به امروز، ده برنامه تحقیقاتی با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) به مدت ۲۹۰ ساعت بر روی این سیستم متمرکز شده‌اند. مطالعه کنونی که محققان مؤسسه ماکس پلانک برای اخترشناسی (MPIA) در هایدلبرگ به‌طور قابل توجهی در آن مشارکت دارند، به رهبری السا دوکروت از کمیساریای انرژی‌های اتمی (CEA) در پاریس، فرانسه انجام شده است. این مطالعه از اندازه‌گیری‌های تابش حرارتی مادون قرمز — که اساساً تابش حرارتی است — سیاره Trappist-1 b با استفاده از MIRI (تصویرگر مادون قرمز میانه) در JWST استفاده کرده و اکنون در نشریه Nature Astronomy منتشر شده است. این تحقیق شامل نتایج سال گذشته است که بر اساس آن‌ها نتیجه‌گیری‌های قبلی صورت گرفته و Trappist-1 b را به عنوان یک سیاره سنگی تاریک بدون جو توصیف می‌کرد.

قشر Trappist-1 b ممکن است از نظر زمین‌شناسی فعال باشد. با این حال، ایده یک سیاره سنگی با سطحی که به شدت فرسوده شده و بدون جو است، با اندازه‌گیری‌های کنونی سازگار نیست، به گفته اخترشناس MPIA، یرون باومن، که به‌طور مشترک مسئول برنامه مشاهداتی بوده است. او می‌گوید: «بنابراین ما فکر می‌کنیم که این سیاره با ماده‌ای نسبتاً تغییر نکرده پوشیده شده است.» معمولاً سطح یک سیاره تحت تأثیر تابش ستاره مرکزی و برخورد شهاب‌سنگ‌ها فرسوده می‌شود. با این حال، نتایج نشان می‌دهد که سنگ‌های سطحی در بهترین حالت حدود ۱۰۰۰ سال سن دارند که به‌طور قابل توجهی کمتر از سن خود سیاره است که تخمین زده می‌شود چند میلیارد سال قدمت دارد. این می‌تواند نشان‌دهنده این باشد که قشر سیاره تحت تغییرات شدید قرار دارد، که می‌تواند به دلیل آتش‌فشانی شدید یا تکتونیک صفحه‌ای باشد. حتی اگر چنین سناریویی در حال حاضر هنوز فرضی باشد، اما با این حال محتمل است.

این سیاره به اندازه‌ای بزرگ است که ممکن است درون آن حرارت باقی‌مانده از تشکیل خود را حفظ کرده باشد — مشابه آنچه در زمین مشاهده می‌شود. تأثیر جزر و مدی ستاره مرکزی و دیگر سیارات نیز ممکن است Trappist-1 b را دچار تغییر شکل کند به طوری که اصطکاک داخلی حاصل، حرارت تولید کند — مشابه آنچه که در ماه Io مشتری مشاهده می‌شود. علاوه بر این، گرمایش القایی توسط میدان مغناطیسی ستاره نزدیک نیز قابل تصور است.

آیا ممکن است Trappist-1 b در نهایت جوی داشته باشد؟ «داده‌ها همچنین امکان یک راه حل کاملاً متفاوت را فراهم می‌کنند»، می‌گوید توماس هنینگ، مدیر بازنشسته MPIA. او یکی از معماران اصلی ابزار MIRI بوده است. او اضافه می‌کند: «برخلاف ایده‌های قبلی، شرایطی وجود دارد که در آن سیاره می‌تواند جوی ضخیم و غنی از دی‌اکسید کربن (CO2) داشته باشد.» در این سناریو، مه ناشی از ترکیبات هیدروکربنی، یعنی دود، در جو بالایی نقش کلیدی دارد. دو برنامه مشاهداتی که در مطالعه کنونی یکدیگر را تکمیل می‌کنند، به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در طول موج‌های مختلف در محدوده مادون قرمز حرارتی (۱۲.۸ و ۱۵ میکرومتر) درخشندگی Trappist-1 b را اندازه‌گیری کنند. اولین مشاهده به جذب تابش مادون قرمز سیاره توسط لایه‌ای از CO2 حساس بود. با این حال، هیچ کاهشی اندازه‌گیری نشد، که محققان را به این نتیجه رساند که این سیاره جوی ندارد. تیم تحقیقاتی محاسبات مدل انجام داد که نشان می‌دهد مه می‌تواند لایه‌بندی دما را در جوی غنی از CO2 معکوس کند.

تحلیل جو سیاره‌ای Trappist-1 b

به طور کلی، لایه‌های پایین‌تر و نزدیک به سطح زمین گرم‌تر از لایه‌های بالاتر هستند، زیرا فشار در آن‌ها بیشتر است. وقتی که مه نور ستاره را جذب کرده و گرم می‌شود، به جای اینکه لایه‌های بالایی جو را گرم کند، به دلیل اثر گلخانه‌ای، این لایه‌ها را گرم می‌کند. در نتیجه، دی‌اکسید کربن در آنجا خود به انتشار تابش مادون قرمز می‌پردازد. ما شاهد پدیده‌ای مشابه در ماه تایتان سیاره زحل هستیم. لایه مه در آنجا احتمالاً تحت تأثیر تابش فرابنفش (UV) خورشید از گازهای غنی از کربن در جو شکل می‌گیرد. یک فرآیند مشابه ممکن است در Trappist-1 b نیز به دلیل تابش فرابنفش قابل توجه ستاره‌اش رخ دهد. این موضوع پیچیده است. حتی اگر داده‌ها با این سناریو مطابقت داشته باشند، ستاره‌شناسان هنوز آن را نسبت به سایر گزینه‌ها کمتر محتمل می‌دانند.

از یک طرف، تولید ترکیبات هیدروکربنی که باعث ایجاد مه از جوی غنی از CO2 می‌شوند، دشوارتر است، هرچند غیرممکن نیست. اما جو تایتان عمدتاً از متان تشکیل شده است. از سوی دیگر، مشکل این است که ستاره‌های کوتوله قرمز فعال، از جمله Trappist-1، تابش و بادهایی تولید می‌کنند که می‌توانند به راحتی جو سیارات نزدیک را در طول میلیاردها سال فرسایش دهند. Trappist-1 b نمونه‌ای زنده از چالش‌های فعلی در شناسایی و تعیین جو سیارات سنگی است، حتی برای تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST). جو این سیارات نسبت به سیارات گازی نازک‌تر است و تنها نشانه‌های قابل اندازه‌گیری ضعیفی تولید می‌کند. دو مشاهدات برای مطالعه Trappist-1 b که مقادیر درخشندگی را در دو طول موج ارائه دادند، تقریباً ۴۸ ساعت به طول انجامید که برای تعیین قطعی وجود جو کافی نبود.

استفاده از کسوف و اکتشافات

این مشاهدات از انحراف جزئی صفحه سیاره نسبت به خط دید ما به Trappist-1 بهره‌برداری کردند. این وضعیت باعث می‌شود که هفت سیاره در هر مدار، قبل از ستاره عبور کرده و آن را کمی تیره کنند. در نتیجه، این امر به ما کمک می‌کند تا درباره طبیعت و جو سیارات اطلاعات بیشتری کسب کنیم. به اصطلاح طیف‌سنجی عبوری به عنوان یک روش قابل اعتماد شناخته شده است. این روش شامل اندازه‌گیری تیره شدن یک ستاره به دلیل عبور سیاره‌اش است که بستگی به طول موج دارد. علاوه بر کسوف ناشی از جسم سیاره‌ای غیرشفاف که ستاره‌شناسان از آن اندازه سیاره را تعیین می‌کنند، گازهای جوی نور ستاره را در طول موج‌های خاصی جذب می‌کنند. به این ترتیب، آن‌ها می‌توانند نتیجه‌گیری کنند که آیا سیاره‌ای جو دارد و این جو شامل چه موادی است.

متأسفانه، این روش دارای معایبی است، به ویژه برای سیستم‌های سیاره‌ای مانند Trappist-1. ستاره‌های کوتوله قرمز سرد معمولاً دارای لکه‌های ستاره‌ای بزرگ و فوران‌های قوی هستند که به طور قابل توجهی بر اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارند. ستاره‌شناسان عمدتاً با مشاهده سمت سیاره‌ای که توسط ستاره در نور مادون قرمز حرارتی گرم می‌شود، این مشکل را دور می‌زنند، همانطور که در مطالعه فعلی با Trappist-1 b انجام شده است. سمت روشن روز به ویژه قبل و بعد از ناپدید شدن سیاره در پشت ستاره به راحتی قابل مشاهده است. تابش مادون قرمز که سیاره منتشر می‌کند، اطلاعاتی درباره سطح و جو آن ارائه می‌دهد. با این حال، چنین مشاهداتی زمان‌برتر از طیف‌سنجی عبوری هستند. با توجه به پتانسیل این اندازه‌گیری‌های به اصطلاح کسوف ثانویه، ناسا به تازگی یک برنامه مشاهداتی گسترده برای مطالعه جو سیارات سنگی در اطراف ستاره‌های کم‌جرم و نزدیک تأیید کرده است. این برنامه فوق‌العاده، جهان‌های سنگی، شامل ۵۰۰ ساعت مشاهده با JWST است.

اطمینان درباره Trappist-1 b

تیم تحقیقاتی انتظار دارد با استفاده از یک نوع مشاهدات دیگر، تأیید قطعی را به دست آورد. این روش، مدار کامل سیاره را در اطراف ستاره ضبط می‌کند و شامل تمام مراحل روشنایی از سمت تاریک شب هنگام عبور از جلوی ستاره تا سمت روشن روز درست قبل و بعد از پوشش توسط ستاره است. این رویکرد به تیم اجازه می‌دهد تا منحنی فازی ایجاد کند که تغییرات درخشندگی سیاره را در طول مدار آن نشان می‌دهد. در نتیجه، ستاره‌شناسان می‌توانند توزیع دمای سطح سیاره را استنباط کنند. تیم قبلاً این اندازه‌گیری را با Trappist-1 b انجام داده است. با تحلیل چگونگی توزیع گرما در سیاره، آن‌ها می‌توانند وجود جو را نتیجه‌گیری کنند؛ زیرا جو به انتقال گرما از سمت روز به سمت شب کمک می‌کند. اگر دما در مرز بین دو سمت به طور ناگهانی تغییر کند، این نشان‌دهنده عدم وجود جو است.