کشف کوچک‌ترین سیارک‌ها در کمربند اصلی توسط اخترشناسان

کشف سیارک‌های کوچک در کمربند سیارکی

سیارکی که باعث انقراض دایناسورها شد، تخمین زده می‌شود که حدود ۱۰ کیلومتر عرض داشته باشد. این اندازه تقریباً به عرض بروکلین است. پیش‌بینی می‌شود که چنین برخوردی به ندرت با زمین رخ دهد، تقریباً هر ۱۰۰ میلیون تا ۵۰۰ میلیون سال یک‌بار. در مقابل، سیارک‌های بسیار کوچکتر به اندازه یک اتوبوس می‌توانند به طور مکرر به زمین برخورد کنند، هر چند سال یک‌بار. این سیارک‌های “ده متری” که فقط چند ده متر عرض دارند، بیشتر احتمال دارد که از کمربند اصلی سیارکی فرار کرده و به عنوان اشیاء نزدیک به زمین مهاجرت کنند. اگر این سیارک‌های کوچک اما قدرتمند به زمین برخورد کنند، می‌توانند امواج شوک را در مناطق وسیعی ایجاد کنند، مانند برخورد سال ۱۹۰۸ در تونگوسکا، سیبری، و سیارکی که در سال ۲۰۱۳ در آسمان چلیابینسک، اورال، شکسته شد. توانایی مشاهده سیارک‌های ده متری در کمربند اصلی سیارکی می‌تواند دریچه‌ای به منبع شهاب‌سنگ‌ها فراهم کند.

اکنون، ستاره‌شناسان MIT راهی برای شناسایی کوچکترین سیارک‌های ده متری در کمربند اصلی سیارکی پیدا کرده‌اند — میدانی از خرده‌سنگ‌ها بین مریخ و مشتری که میلیون‌ها سیارک در آن گردش می‌کنند. تا به حال، کوچکترین سیارک‌هایی که دانشمندان توانسته بودند در آنجا شناسایی کنند، حدود یک کیلومتر قطر داشتند. با روش جدید این تیم، دانشمندان اکنون می‌توانند سیارک‌هایی به اندازه ۱۰ متر را در کمربند اصلی شناسایی کنند.

در مقاله‌ای که در نشریه Nature منتشر شده، د ویت و همکارانش گزارش می‌دهند که با استفاده از این روش، بیش از ۱۰۰ سیارک جدید ده متری در کمربند اصلی سیارکی شناسایی کرده‌اند. این سنگ‌های فضایی از اندازه یک اتوبوس تا چندین استادیوم عرض دارند و کوچکترین سیارک‌هایی هستند که تا به امروز در کمربند اصلی شناسایی شده‌اند. محققان تصور می‌کنند که این روش می‌تواند برای شناسایی و ردیابی سیارک‌هایی که احتمال نزدیک شدن به زمین را دارند، مورد استفاده قرار گیرد.

آرتیم بورداکوف، نویسنده اصلی این مطالعه و دانشمند پژوهشی در دپارتمان علوم زمین، جو و سیارات MIT، می‌گوید: “ما توانسته‌ایم اشیاء نزدیک به زمین را تا اندازه ۱۰ متر شناسایی کنیم زمانی که واقعاً نزدیک به زمین هستند. اکنون ما راهی برای شناسایی این سیارک‌های کوچک زمانی که بسیار دورتر هستند داریم، بنابراین می‌توانیم ردیابی مداری دقیق‌تری انجام دهیم که برای دفاع سیاره‌ای کلیدی است.”

توجه به سیارات فراخورشیدی

همکاران این مطالعه شامل پروفسورهای علوم سیاره‌ای MIT، ژولین د ویت و ریچارد بینزل، به همراه همکارانی از چندین مؤسسه دیگر هستند. د ویت و تیمش عمدتاً بر روی جستجوها و مطالعات سیارات فراخورشیدی — جهان‌هایی خارج از منظومه شمسی که ممکن است قابل سکونت باشند — تمرکز دارند. این محققان بخشی از گروهی هستند که در سال ۲۰۱۶ یک سیستم سیاره‌ای در اطراف TRAPPIST-1، ستاره‌ای که حدود ۴۰ سال نوری از زمین فاصله دارد، کشف کردند. با استفاده از تلسکوپ کوچک سیارات گذرنده و سیارک‌ها (TRAPPIST) در شیلی، تیم تأیید کرد که این ستاره سیارات سنگی به اندازه زمین دارد که چندین مورد از آن‌ها در منطقه قابل سکونت قرار دارند.

از آن زمان، دانشمندان تلسکوپ‌های متعددی را با تمرکز بر طول موج‌های مختلف به سمت سیستم TRAPPIST-1 هدف‌گذاری کرده‌اند تا سیارات را بیشتر توصیف کرده و نشانه‌هایی از حیات را جستجو کنند. در این جستجوها، ستاره‌شناسان مجبور شده‌اند “نویز” موجود در تصاویر تلسکوپ، مانند هرگونه گاز، گرد و غبار و اشیاء سیاره‌ای بین زمین و ستاره، را بررسی کنند تا بتوانند سیارات TRAPPIST-1 را به وضوح شناسایی کنند. اغلب، نویزی که آن‌ها کنار می‌گذارند شامل سیارک‌های در حال عبور است.

کشف سیارک‌های جدید با استفاده از داده‌های تلسکوپ جیمز وب

به گفته دِ ویت، “برای اکثر ستاره‌شناسان، سیارک‌ها به نوعی به عنوان آفت‌های آسمان دیده می‌شوند، به این معنا که آن‌ها فقط از میدان دید شما عبور می‌کنند و بر داده‌های شما تأثیر می‌گذارند.” دِ ویت و بوردانوف به این فکر افتادند که آیا می‌توانند از همان داده‌هایی که برای جستجوی سیارات فراخورشیدی استفاده می‌شود، برای شناسایی سیارک‌ها در منظومه شمسی خود بهره ببرند. برای این کار، آن‌ها به تکنیک پردازش تصویر به نام “جابجایی و انباشتن” نگاه کردند که برای اولین بار در دهه 1990 توسعه یافته بود. این روش شامل جابجایی چندین تصویر از یک میدان دید مشابه و انباشتن آن‌ها است تا ببینند آیا یک شیء ضعیف می‌تواند بر سر و صدای پس‌زمینه غلبه کند یا خیر.

استفاده از این روش برای جستجوی سیارک‌های ناشناخته در تصاویری که در ابتدا بر روی ستاره‌های دور تمرکز دارند، نیازمند منابع محاسباتی قابل توجهی است، زیرا شامل آزمایش تعداد زیادی سناریو برای مکان احتمالی سیارک می‌شود. سپس محققان باید هزاران تصویر را برای هر سناریو جابجا کنند تا ببینند آیا سیارک واقعاً در جایی که پیش‌بینی شده بود وجود دارد یا خیر. چند سال پیش، بوردانوف، دِ ویت و دانشجوی فارغ‌التحصیل MIT، سامانتا هاسلر، متوجه شدند که می‌توانند این کار را با استفاده از واحدهای پردازش گرافیکی پیشرفته (GPU) انجام دهند که قادر به پردازش حجم عظیمی از داده‌های تصویری با سرعت بالا هستند.

آن‌ها در ابتدا رویکرد خود را بر روی داده‌های حاصل از نظرسنجی SPECULOOS (جستجوی سیارات قابل سکونت که در حال عبور از ستاره‌های فوق‌العاده سرد هستند) آزمایش کردند؛ سیستمی از تلسکوپ‌های زمینی که تصاویر زیادی از یک ستاره در طول زمان می‌گیرند. این تلاش، به همراه یک کاربرد دوم با استفاده از داده‌های یک تلسکوپ در قطب جنوب، نشان داد که محققان واقعاً می‌توانند تعداد زیادی سیارک جدید در کمربند اصلی شناسایی کنند.

فضای ناشناخته

برای مطالعه جدید، محققان به دنبال سیارک‌های بیشتری با اندازه‌های کوچکتر بودند و از داده‌های قدرتمندترین رصدخانه جهان، یعنی تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) استفاده کردند که به طور خاص به نور مادون قرمز حساس‌تر است تا نور مرئی. به طور طبیعی، سیارک‌هایی که در کمربند اصلی سیارک‌ها در حال چرخش هستند، در طول موج‌های مادون قرمز بسیار روشن‌تر از طول موج‌های مرئی هستند و بنابراین شناسایی آن‌ها با قابلیت‌های مادون قرمز JWST بسیار آسان‌تر است.

این تیم رویکرد خود را بر روی تصاویر JWST از TRAPPIST-1 اعمال کرد. داده‌ها شامل بیش از 10,000 تصویر از این ستاره بودند که در ابتدا برای جستجوی نشانه‌هایی از جو‌ها در اطراف سیارات داخلی این سیستم به دست آمده بود. پس از پردازش تصاویر، محققان توانستند هشت سیارک شناخته‌شده در کمربند اصلی را شناسایی کنند. سپس به جستجوی بیشتر پرداختند و 138 سیارک جدید در اطراف کمربند اصلی کشف کردند که همگی دارای قطر چند ده متر بودند – کوچک‌ترین سیارک‌های کمربند اصلی که تاکنون شناسایی شده‌اند. آن‌ها مشکوک هستند که چند سیارک در حال تبدیل شدن به اشیاء نزدیک به زمین هستند، در حالی که یکی احتمالاً یک تروجان است – سیارکی که در حال تعقیب مشتری است.

دِ ویت می‌گوید: “ما فکر می‌کردیم فقط چند شیء جدید شناسایی خواهیم کرد، اما تعداد بسیار بیشتری از آنچه انتظار داشتیم، به ویژه اشیاء کوچک، شناسایی کردیم.” او ادامه می‌دهد: “این نشانه‌ای است که ما در حال بررسی یک رژیم جمعیتی جدید هستیم، جایی که اشیاء کوچک‌تری از طریق زنجیره‌ای از برخوردها که بسیار کارآمد در شکستن سیارک‌ها به اندازه‌های زیر 100 متر هستند، شکل می‌گیرند.”

بوردانوف می‌گوید: “این یک فضای کاملاً جدید و ناشناخته است که ما به آن وارد می‌شویم، به لطف فناوری‌های مدرن. این یک مثال خوب از آنچه می‌توانیم به عنوان یک حوزه انجام دهیم، زمانی که به داده‌ها به شکل متفاوتی نگاه می‌کنیم. گاهی اوقات، نتیجه بزرگی به همراه دارد و این یکی از آن‌هاست.”

این کار به طور جزئی با حمایت بنیاد هایسینگ-سیمونز، بنیاد علم چک و برنامه کمک‌های سخت‌افزاری NVIDIA انجام شده است.