سیاره‌ای که دانشمندا رو حیرت‌زده کرد: Trappist-1 b چطور شکل گرفت؟

پژوهش‌های نو در مورد سیاره فراخورشیدی Trappist-1 b

اندازه‌گیری‌های اخیر با تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) سوالاتی رو در مورد شناخت فعلی از ماهیت سیاره فراخورشیدی Trappist-1 b به وجود آورده. تا حالا، این‌طور تصور می‌شد که این سیاره یک سیاره سنگی تیره و بی‌جو هست که تو طول یک میلیارد سال تحت تاثیر تابش و شهاب‌سنگ‌ها شکل گرفته. ولی ظاهراً واقعیت یه جور دیگه است. سطح این سیاره هیچ نشونه‌ای از فرسایش نداره؛ که این می‌تونه نشون‌دهنده فعالیت‌های زمین‌شناسی مثل آتشفشان و تکتونیک صفحه‌ای باشه. به‌علاوه، این احتمال هم وجود داره که سیاره یه جو مه آلود از جنس دی‌اکسید کربن داشته باشه.

این نتایج، چالش‌هایی رو در مورد مشخص کردن ویژگی‌های سیارات فراخورشیدی با جوهای نازک نشون می‌ده. Trappist-1 b یکی از هفت سیاره سنگی هست که دور ستاره Trappist-1 می‌چرخه و ۴۰ سال نوری با زمین فاصله داره. این سیستم سیاره‌ای یه ویژگی منحصربه‌فرد داره چون به منجم‌ها این امکان رو می‌ده که هفت سیاره مشابه زمین رو از یه فاصله‌ی نسبتاً نزدیک بررسی کنن؛ که سه تاشون تو منطقه قابل سکونت قرار دارن. این منطقه تو یه سیستم سیاره‌ای، جاییه که یه سیاره می‌تونه آب مایع روی سطحش داشته باشه.

تا امروز، ده برنامه‌ی تحقیقاتی با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) به مدت ۲۹۰ ساعت رو این سیستم متمرکز شدن. مطالعه‌ی حاضر که محققان مؤسسه ماکس پلانک برای اخترشناسی (MPIA) در هایدلبرگ نقش چشمگیری توش داشتن، توسط السا دوکروت از کمیساریای انرژی‌های اتمی (CEA) در پاریس، فرانسه هدایت شده. تو این مطالعه از اندازه‌گیری‌های تابش گرمایی مادون قرمز – که اساساً همون تابش حرارتیه – سیاره Trappist-1 b با استفاده از MIRI (تصویرگر مادون قرمز میانه) در JWST استفاده شده و الان توی نشریه Nature Astronomy چاپ شده. این تحقیق شامل نتایج سال گذشته هم هست که بر اساس اون‌ها، نتیجه‌گیری‌های قبلی انجام شده بود و Trappist-1 b رو به عنوان یه سیاره سنگی تیره و بی‌جو معرفی می‌کرد.

قشر Trappist-1 b ممکنه از نظر زمین‌شناسی فعال باشه. با این حال، ایده‌ی یه سیاره‌ی سنگی که سطحش خیلی فرسوده شده و جو نداره، با اندازه‌گیری‌های فعلی هم‌خوانی نداره. این حرف رو یرون باومن، ستاره‌شناس MPIA که مسئول مشترک برنامه مشاهداتیه، می‌زنه. اون میگه: «بنابراین ما فکر می‌کنیم که این سیاره با یه ماده نسبتاً تغییر نیافته پوشیده شده.» معمولاً سطح یه سیاره تحت تاثیر تابش ستاره‌ی مرکزی و برخورد شهاب‌سنگ‌ها فرسوده می‌شه. با این حال، نتایج نشون می‌ده که سنگ‌های سطحی در بهترین حالت حدود ۱۰۰۰ سال عمر دارن؛ که خیلی کمتر از سن خود سیاره‌ است که چند میلیارد سال تخمین زده می‌شه. این می‌تونه نشون بده که قشر سیاره تحت تغییرات شدیدی قرار داره که می‌تونه به خاطر فعالیت‌های آتشفشانی شدید یا تکتونیک صفحه‌ای باشه. حتی اگه این سناریو هنوز یه فرضیه باشه، ولی احتمال وقوعش وجود داره.

این سیاره اون‌قدر بزرگ هست که ممکنه بتونه گرمای باقیمونده از زمان شکل‌گیریش رو حفظ کنه – مثل چیزی که رو زمین می‌بینیم. تاثیر جزر و مدی ستاره مرکزی و سیارات دیگه هم ممکنه Trappist-1 b رو دچار تغییر شکل کنه؛ طوری که اصطکاک داخلی حاصل از این تغییر شکل، گرما تولید کنه – مشابه چیزی که روی ماه Io مشتری دیده می‌شه. علاوه‌بر این، گرم‌شدن القایی توسط میدان مغناطیسی ستاره‌ی نزدیک هم قابل تصوره.

آیا ممکنه Trappist-1 b جو داشته باشه؟ توماس هنینگ، مدیر بازنشسته‌ی MPIA، که یکی از طراحان اصلی ابزار MIRI بوده، میگه: «داده‌ها یه راه‌حل کاملاً متفاوت رو هم ممکن می‌کنن.» او اضافه می‌کنه: «برخلاف ایده‌های قبلی، شرایطی وجود داره که توش سیاره می‌تونه یه جو ضخیم و پر از دی‌اکسید کربن (CO2) داشته باشه.» تو این سناریو، مه ناشی از ترکیبات هیدروکربنی – یعنی دود – تو جو بالا نقش کلیدی داره. دو برنامه مشاهداتی‌ای که تو مطالعه‌ی فعلی تکمیل‌کننده‌ی همدیگه بودن، طوری طراحی شدن که در طول موج‌های مختلف تو محدوده‌ی مادون قرمز گرمایی (۱۲.۸ و ۱۵ میکرومتر) درخشندگی Trappist-1 b رو اندازه‌گیری کنن. اولین مشاهده به جذب تابش مادون قرمز سیاره توسط لایه‌ای از CO2 حساس بود. با این حال، هیچ کاهشی اندازه‌گیری نشد؛ که باعث شد محققان به این نتیجه برسن که سیاره جو نداره. تیم تحقیقاتی محاسبات مدل‌سازی انجام داد که نشون می‌ده مه می‌تونه لایه‌بندی دما رو تو یه جو غنی از CO2 معکوس کنه.

تحلیل جو سیاره‌ای Trappist-1 b

به‌طور کلی، لایه‌های پایین‌تر و نزدیک به سطح زمین گرم‌تر از لایه‌های بالایی هستن، چون فشار توشون بیشتره. وقتی که مه نور ستاره رو جذب می‌کنه و گرم می‌شه، به جای این‌که لایه‌های بالایی جو رو گرم کنه، به خاطر اثر گلخانه‌ای، این لایه‌ها رو گرم می‌کنه. در نتیجه، دی‌اکسید کربن تو اونجا خودش شروع می‌کنه به انتشار تابش مادون قرمز. ما یه پدیده‌ی مشابه رو تو ماه تایتان سیاره زحل می‌بینیم. لایه مه تو اونجا احتمالاً تحت تاثیر تابش فرابنفش (UV) خورشید از گازهای غنی از کربن تو جو شکل می‌گیره. یه فرآیند مشابه ممکنه تو Trappist-1 b هم به خاطر تابش فرابنفش قابل توجه ستاره‌ش رخ بده. این موضوع پیچیده‌ است. حتی اگه داده‌ها با این سناریو هم‌خوانی داشته باشن، ستاره‌شناسان هنوز اونو نسبت به گزینه‌های دیگه کمتر محتمل می‌دونن.

از یه طرف، تولید ترکیبات هیدروکربنی که باعث ایجاد مه از یه جو غنی از CO2 می‌شن، سخت‌تره، هرچند غیرممکن نیست. اما جو تایتان اساساً از متان تشکیل شده. از طرف دیگه، مشکل اینه که ستاره‌های کوتوله قرمز فعال – ازجمله Trappist-1 – تابش و بادهایی تولید می‌کنن که می‌تونن به‌راحتی جو سیارات نزدیک رو تو طول میلیاردها سال از بین ببرن. Trappist-1 b یه نمونه‌ی زنده از چالش‌های امروزی تو شناسایی و تعیین جو سیارات سنگی هست، حتی برای تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST). جو این سیارات نسبت به سیارات گازی، نازک‌تره و فقط نشانه‌های قابل اندازه‌گیری ضعیفی تولید می‌کنه. دو مشاهداتی که برای بررسی Trappist-1 b انجام شد و مقادیر درخشندگی رو تو دو طول موج ارائه دادن، حدود ۴۸ ساعت طول کشید؛ که برای تعیین قطعی وجود جو کافی نبود.

استفاده از کسوف و اکتشافات

این مشاهدات از یه انحراف جزئی صفحه‌ی سیاره نسبت به خط دید ما به Trappist-1 استفاده کردن. این وضعیت باعث می‌شه که هفت سیاره تو هر مدار، قبل از ستاره عبور کنن و اون رو کمی تیره‌تر کنن. در نتیجه، این بهمون کمک می‌کنه در مورد طبیعت و جو سیارات اطلاعات بیشتری به دست بیاریم. به اصطلاح طیف‌سنجی عبوری به عنوان یه روش قابل اعتماد شناخته می‌شه. این روش شامل اندازه‌گیری تیره‌شدن یه ستاره به خاطر عبور سیاره‌ش هست که به طول موج بستگی داره. علاوه‌بر کسوف ناشی از جسم سیاره‌ای غیرشفاف که ستاره‌شناسان با اون اندازه‌ی سیاره رو تعیین می‌کنن، گازهای جوی نور ستاره رو تو طول موج‌های خاصی جذب می‌کنن. به این ترتیب، اونا می‌تونن نتیجه‌گیری کنن که آیا سیاره جو داره و اگه داره، این جو شامل چه موادی هست.

متاسفانه، این روش یه سری معایب هم داره، به‌خصوص برای سیستم‌های سیاره‌ای مثل Trappist-1. ستاره‌های کوتوله قرمز سرد معمولاً لکه‌های ستاره‌ای بزرگ و فوران‌های قوی دارن که روی اندازه‌گیری‌ها تاثیر زیادی می‌ذاره. ستاره‌شناسان، با مشاهده‌ی سمت سیاره‌ای که توسط ستاره تو نور مادون قرمز گرمایی گرم می‌شه، این مشکل رو دور می‌زنن؛ همون‌طور که تو مطالعه‌ی فعلی با Trappist-1 b انجام شده. سمت روشن روز به‌خصوص قبل و بعد از ناپدیدشدن سیاره پشت ستاره، راحت‌تر دیده می‌شه. تابش مادون قرمز که سیاره منتشر می‌کنه، اطلاعاتی در مورد سطح و جو اون ارائه می‌ده. با این حال، این جور مشاهدات زمان‌بر‌تر از طیف‌سنجی عبوری هستن. با توجه به پتانسیل این اندازه‌گیری‌های به‌اصطلاح کسوف ثانویه، ناسا اخیراً یه برنامه مشاهداتی گسترده رو برای بررسی جو سیارات سنگی تو اطراف ستاره‌های کم‌جرم و نزدیک تایید کرده. این برنامه فوق‌العاده، جهان‌های سنگی نام داره و شامل ۵۰۰ ساعت مشاهده با JWST هست.

اطمینان درباره Trappist-1 b

تیم تحقیقاتی انتظار داره که با استفاده از یه نوع مشاهده‌ی دیگه، به یه تایید قطعی برسه. این روش، مدار کامل سیاره دور ستاره رو ثبت می‌کنه و شامل تمام مراحل روشنایی از سمت تاریک شب، هنگام عبور از جلوی ستاره تا سمت روشن روز، درست قبل و بعد از پوشیده شدن توسط ستاره می‌شه. این رویکرد به تیم اجازه می‌ده که منحنی فازی ایجاد کنه که تغییرات درخشندگی سیاره رو تو طول مدارش نشون بده. در نتیجه، ستاره‌شناسان می‌تونن توزیع دمای سطح سیاره رو حدس بزنن. تیم قبلاً این اندازه‌گیری رو با Trappist-1 b انجام داده. با تحلیل این‌که گرما چه‌طور تو سیاره توزیع شده، اونا می‌تونن به وجود جو برسن؛ چون جو به انتقال گرما از سمت روز به سمت شب کمک می‌کنه. اگه دما تو مرز بین دو سمت، یهویی تغییر کنه، این نشون‌دهنده‌ی نبود جو هست.

“`