کانون نجوم راز آسمان

... من نیز گاهی به آسمان نگاه کرده ام


 

نویسنده : کانون نجوم راز آسمان ; ساعت ۱:۳٤ ‎ب.ظ روز ۱۳۸۸/٦/٧

لازم به ذکر است این نویسنده(  Sara Seager) اختر فیزیکدان عضو دانشگاه کارنیج (Carnegie) واشنگتن و متخصص مطالعه بر روی سیارات فراخورشیدی است

 

 

 

ستاره شناسان تا کنون بیش از 160 سیاره بیرون از منظومه خورشیدی کشف کرده اند.واقعاً این دنیاها چه شکلی هستند؟

 تاسال 1999 ،ستاره شناسان قاطعانه  وجود30   سیاره فراخورشیدی را تصدیق کرده بودند. اما ما واقعاً هیچ چیز درباره ی آنهابه جز جرم و مدارشان نمی دانستیم . برای اینکه حتی به آسانترین سوالات درباره خصوصیات فیزیکی آنها پاسخ دهیم، می بایست سیاره ای دارای گذر (Transit) کشف می کردیم که از مقابل ستاره ی اصلی بگذرد به طوری از روی زمین قابل مشاهده باشد. طبق قوانین احتمالات و تعداد در حال افزایش سیارات بیرونی (فرا خورشیدی )، می دانستیم که جسم عبور کننده بالاخره در هر زمانی کشف خواهد شد. من(نویسنده مقاله) آن قدر به این یقین داشتم که بعد از تعطیلاتی یک ماهه ودوری از تلفن،ایمیل و روزنامه،اولین سوالی که پرسیدم این بود: آیا در این مدت ستاره شناسان سیاره ای دارای ترانزیت کشف کرده اند؟!

 

بقیه در ادامه مطلب


حالا ما بیش  از 160  سیاره ی  بیرونی پیدا کرده ایم و میل ما برای توصیف آنها شدت یافته است.نزدیک30مشتری مانندداغ مثل51فرس b شناخته شده اند.

کشفیات اخیر این طبقه بندی را به اجرام داغ هم جرم نپتون و حتی اجرام داغ باجرم فوق زمین  گسترش داده است.

برخلاف همدمان منظومه ای آنان، بیشتر این سیارات مداراتی با خروج از مرکز خیلی بالا دارند و به طور شگفت انگیزی به ستاره ی مادر نزدیکند- در فضای کوچکی برای سیارات کوچک مثل زمین. مطلب مورد اشتراک تمام این کشفیات این است که ساختار این سیارات  گوناگون وتصادفی است، ظاهراً این احتمالات ، جرم، اندازه، فاصله از ستاره و خصوصیات دیگر را شامل می شود. تقریباً تمام سیارات بیرونی به طور غیرمستقیم و از طریق روش اثر داپلر کشف شدند، روشی که دو شخص با نامهای آرپاول باتلرR.paul Butler)جفری دابلیو مارسی(Geoffrey W.Marcy) از طریق آن ،ستاره ای را برای بررسی حرکت جزیی تحریک شده توسط سیاره اش، مورد مطالعه قرار دادند. نوسان یک ستاره تنها به مدار و حداقل جرم سیارات شناخته نشده آن باز می گردد. این اندازه گیری ها سوالات زیادی را بی پاسخ می گذارند. آیا این سیارات،گازی واصولاً شبیه برجیس و کیوان هستند یا سنگی و مثل سیارات زمینی یا چیزی بین این دو هستند ؟ اگر در صفحه ای مستدیر،آنگونه که درفرضیه شکل گیری ستارگان لازم است ،شکل گرفته اند ،چگونه دارای خروج از مرکزی به این بالایی هستند ؟ آیا به مکان فعلی خود مهاجرت کرده اند؟ طبیعت و ترکیبات اتمسفر آنان چگونه است؟ آیا مشتری مانندهای داغ،اتمسفرهای ضخیم دارند،یا اینکه اتمسفر آنان توسط گرمای ستاره ی مادر شان بخارشده؟آیا دارای حلقه یاقمرهایی هستند؟بااین احتمالات جالب،ستاره شناسان می خواهند فقط از دانستن اینکه این سیارات وجود دارند فراتر روند. ما می خواهیم این داده ها را مثل  سیارات منظومه ی خودمان، به جهان واقعی تعمیم دهیم. متاسفانه ما فعلاً نمی توانیم از ابزار معمولی مان برای مطالعات اجرام دوراستفاده کنیم-همچون طیف سنجی-چون درخشندگی و تشعشعات زیاد ستارگان همجوار تابش ضعیف این سیارات را می پوشاند. برای بدست آوردن طیف یک سیاره ی بیرونی در طول موجهای مرئی، یک تلسکوپ با آینه هایی جندین هزار بار صاف تر و تکنیکهایی یک میلیون بار بهتر از تکنیکهای سد کننده ی نور ستارگان نسبت به تلسکوپهای فعلی نیاز است. خوشبختانه طبیعت با دسته ای از سیاراتش خیلی سخاوتمند است و مجموعه ای از سیارات دارای ترانزیت فراهم می کند که ما می توانیم قبل از عکسبرداری مستقیم و انجام طیف سنجی ، مطالعاتی انجام دهیم.

در اواخر سال 1999، اخترشناسان اعلام کردند که سیاره ی اچ دی 209458 بی از مقابل ستاره اش عبور می کند. با داشتن دوره ی تناوب 3.5 روزه به دور ستاره ای  درخشان(قدر 7.6)،Rosetta stone برای نشان دادن مشخصه های سیارات فرا منظومه ای  تبدیل شده است. و تعداد در حال افزایش سیارات دارای گذر این شکل را کامل می کند.

 

چه چیز مخفی مانده است؟

 

سیارات دارای ترانزیت تنها اجرامی هستند که ستاره شناسان خصوصیات فیزیکی آنان را می توانند اندازه بگیرند. چگالی(جرم بر حجم) اساسی ترین پارامتر فیزیکی در بین تمامشان هست، چرا که به ما درباره ی ترکیبات عمده ی سیاره می گوید. اخترشناسان می توانند جرم سیاره ی ترانزیت کننده را از انداره گیریهای  سرعت شعاعی سیاره تعیین کنند و مقدار تضعیف نور ستاره به ما اندازه ی سیاره را می دهد.

 

 

از این روش ما فهمیدیم که 8 تا از 9 سیاره ی دارای ترانزیت چگالیهای کمی دارند پس باید اجرام گازی باشند که از ترکیب هلیوم و هیدروژن اند( مثل مشتری و زحل).اما دو تا از سیارات بیرونی چنان عجیب و غریب هستند که جرقه ای برای تحقیقاتی گسترده اند. اولین کشف شده ها، اچ دی 209458 بی، قطرهایی 35% بیشتر از قطر مشتری و جرمهایی دو سوم مشتری دارتد. این اعداد نشان دهنده ی چگالی کم 0.33 گرم در هر سانتیمتر مکعب است (کم چگالیترین سیاره ی منظومه ی ما سیاره کیوان است،که چگالی اش 0.69 g/cm3  است).اچ دی 209458 بی، نسبت به وزنش خیلی بزرگ است.

غولهای گازی داغ و بزرگ متولد می شوند، اما در پیری سرد و منقبض می شوند. این سیاره هم احتمالاً قریب به اندازه و دمای برجیس منقبض و سرد شده است،اما منبع گرمایی دیگر(علاوه بر ستاره نزدیکش) که مستمراً به داخل سیاره منتقل می شود محتمل ترین راه برای متورم ماندن سیاره است. منبع این انرژی از کجاست؟ شاید بادهای ستاره ای کسر کوچکی از انرژی ستاره را به سیاره منتقل می کنند. عمل همرفتی هم می تواند این انرژی را به مرکز سیاره منتقل کند. ولی چرا چنین فرایندگرمسازی کلی بردیگرسیارات دارای ترانزیت شناخته شده تاثیر نمی گذارد . محتمل ترین توضیح گرم سازی کشندی است. با این مجاورت نزدیک، ستاره ی مادر برآمدگی کشندی در اتمسفر مشتری مانند داغ ایجاد می کند. با استمرار این تورم طی میلیونها سال، ستاره ، مشتری مانند داغ را به کسب مداری مستدیر وادار می کند. در بیشتر موارد ستاره تکانی سخت و شدید به محور چرخشی  سیاره وارد می کند که آنرا عمودی کرده و به صفحه ای مداری تبدیل می کند. اچ دی 209458 بی مداری دایره ای دارد، همانطور که انتظار می رفت، ولی انحراف محوری اش اندازه گرفته نشده است. اگر محور سیاره در اثر تشدیدکج شده باشد، تورم کشندی توسط ستاره ای که می خواهد جنوب و شمال سیاره را در تمام 3.5 روز سال آن در هم ریزد، بالا می رود، و باندازه کافی گرمای درونی برای متورم نگاه داشتن سیاره را تولید می کند. به ندرت عواملی مثل تاریخ جابجایی سیاره، زمان تصادم و وجود سیارات اضافی یک مشتری مانند داغ را به این حالت غیرعادی در می آورد، که می تواند توضیح دهد که چرا اچ دی 209458 بی تنها سیاره ی دارای ترانزیت بیرونی با این چگالی است. اخترشناسان حتی از دومین سیاره ی غول پیکر دارای ترانزیت غیرعادی، بهت زده تر شدند،اچ دی 149026 بی- عجیبترین حیوان در باغ وحش سیارات است. این سیاره به طور شگفت انگیزی نسبت به حجمش چگال است(1.4 g/cm3) که باید 50 تا 70 درصدش از عناصر سنگین تشکیل شده باشند.اچ دی 149026 بی این قدر با سیاره ی ترانزیت کننده تفاوت دارد،که به طور برجسته از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده اند. اخترشناسان هنوز به توافق نرسیده اند که چگونه اج دی 149026 بی می تواند با چنین مواد سنگینی شکل گرفته باشد(قابل قیاس با تمام موادی که در سیارات منظومه ی شمسی ما ترکیب شده اند). این یک نمونه  مخالف با فرضیات متداول است که تمام سیارات بیرونی پرجرم  غولهای گازی مانند مشتری و زحل هستند.

 

کاهش نور ستاره

فراتر ازاندازه گیری چگالی  اختر شناسان می توانند اتمسفرهای سیارات مشتری گون داغ دارای ترانزیت راشناسایی کنند.وقتی یک سیاره ازجلوی ستاره مادرش عبورمی کند، مقدار کمی ازنور ستاره بااتمسفر بالایی برخورد می کند.گازهای اتمسفری،کمی ازاین نور را در طول موجهای خاصی جذب می کنند که خطوط جذبی خیلی ضعیفی روی طیف ستاره ایجاد می کند.با  مقایسه ی طیفهای گرفته  شده قبل و در طول ترانزیت، ستاره شناسان می توانند مواد شیمیایی در اتمسفر سیاره  را  شناسایی کنند.با پیش بینی های جسورانه در شناسایی اتمسفر یک سیاره ی بیرونی،من (نویسنده مقاله)در سال1999مقاله ای درهاروارد-اسمیت سونیان(Harvard-Smithsonian) مرکز دانشگاه اخترفیزیک دیمیتار ساسلوف) نوشتم. ما پیش بینی کردیم که سدیم  ترکیبی بسیار قوی است، اگر ترکیب عمده ی جذب شده در طول موجهای مرئی نباشد. ما اساس پیش بینی را اساساً دمای سیاره قرار دادیم.

یک گوی گازی بایددمایی برابر ْ1000 تا1500ْ کلوین در فاصله مشتری مانند داغ با ستاره ی مادر داشته باشد. در این دماها، بخار آب، مونوکسید کربن، فلزات قلیایی و احتمالاً متان باید گازهای اصلی جذب کننده نور ستاره باشند. اما فقط  سدیم فلزات قلیایی و پتاسیم،نور را قویاً در طول موجهای مرئی جذب می کنند.فقط دو سال بعد دیویدچاربوناوDavid Charbonneau)  )  از مرکز اخترفیزیک هاروارداسمیت سونیان و تیموثی براون( Timothy Brown)از مرکز ملی تحقیقات اتمسفری و همکارانشان شناسایی اولین اتمسفر یک سیاره بیرونی را اعلام کردند. بعد از ساختن مدلهای کامپیوتری از اتمسفرهای مشتری مانندهای داغ در طول چند سال ، من از یک رصد جدی،خیلی هیجان زده شدم. با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل، گروه کاربناو و براون در اتمسفر سیاره ی اچ دی 209458 بی سدیم را همانطور که ما پیش بینی کرده بودیم ،شناسایی کردند. این کشف مهم در تاریخ به ما اولین دسته بندی از اتمسفر مشتری مانندهای داغ را داد.شناسایی سدیم تصویر اساسی ما از این جهانها را حمایت می کرد. اما همانگونه که انتظار می رفت، اندازه گیری به ما نشان داد که مدل نمونه  ما اشتباه و خط جذبی سدیم از آنچه پیش بینی می شد خیلی ضعیفتر بود. ابرهای داغ متشکل از غبار سیلیکات یا غبار آهن مایع می توانست با جلوگیری  از مشاهده قسمت عظیمی از جو ، نشان سدیم را کاهش دهد(مثل تکه ای از ابر که از دید یک هواپیما جلوی مشاهده  زمین را می گیرد. دوران اتمسفری سردتر از دماهایی که انتظار می رفت ،اثرات شیمیایی از تشعشعات  پرتو فرابنفش ستاره مادر، یا مقدار کمی سدیم می توانست عمل جذب راکاهش دهد، اما هنوز اطلاعات کافی برای تعیین توضیحات درست در دست نیست.

کشف اخیر یک مشتری مانند داغ دارای ترانزیت در کنار  ستاره ی قدر هشتم HD 189733  به ما فرصتی طلایی برای مطالعه ی اتمسفر سیاره های فراخورشیدی، با استفاده از مزایای کسوف ثانویه، اهدا می کند.

آینده ای جالب

 

سیلی از اطلاعات درباره ی HD209458b در سال جدید دسته بندی اتمسفر یک سیاره  فراخورشیدی را برای اولین بار با جزییات، مقدور می سازد. با استفاده از سه ابزار تلسکوپ فضایی اسپیتزر، ما می توانیم به همان خوبی که دمای سطح سیاره را اندازه می گیریم، به وجود بخار آب، مونوکسید کربن و متان هم  اشاره کنیم. به علاوه تلسکوپ کوچک کانادایی موست  most ( Microvariability and Oscillations of STars) هم HD 209458b را در طول موجهای مرئی و با استفاده از گرفتهای ثانویه مکرر ،رصد کرده که نورمنعکس شده سیاره راتخمین می زند. پس از تکمیل تجزیه و تحلیل، این می تواند به ما نشان دهد که آیا ابری وجوذ دارد یا نه؟  بعلاوه، براون و همکارانش در حال بررسی طیفهای هابل هستند که چند سال پیش در هنگام ترانزیتهایی و برای اندازه گیری میزان بخار آب گرفته شد. اسپیتزر با دو تا از ابزارهایش TrES-1 را هم رصد می کند.همچنین در ماههای آتی اسپیتزر هفت مشتری مانند داغ بدون ترانزیت را نیز برای پیدا کردن بروندادهای مختلف نور در مدارشان رصد می کنند. این سیارات مشتری مانند باید به طرز جزر و مد گونه ای نسبت به ستاره ی مادرشان قرار گرفته باشند، بطوریکه همیشه یک سمت خود را به ستاره  مادرشان نشان می دهند، مثل ماه  که از روی زمین تنها یک سمتش قابل مشاهده است.باقسمتهای ابدی شب و روز،سیاره دو دمای کاملاً متغیر راتجربه می کند . بادهای خیلی سریع، که شاید سرعتشان به سرعت صوت نیز برسد، ممکن است گرما را از طرف روز به طرف شب پخش کند. اندازه گیری هر اختلاف مداری می تواند به اخترشناسان کمک کند که دریابند انرژی جذب شده ی ستاره ای،در سیاره جریان دارد. در چند سال آینده، تحقیقات درباره سیارات ترانزیت دار که در روی زمین انجام می گیرد، سیارات فراخورشیدی بسیاری آشکار خواهند شد. بویینگ 747 اصلاح شده ی ناسا به نام سوفیا (Stratospheric Ovservatory for Infrared Astronomy) از جایگاهش و از فراز بیشترقسمتهای جو زمین، و با استفاده از تلسکوپ فروسرخ 2.5 متری اش، سیارات ترانزیت دار را در هنگام کسوف اولیه و ثانویه مورد مطالعه قرار می دهد. سوفیا ماموریت علمی اش در دو سال آینده آغاز می شود. فضاپیمای ساخت فرانسه و سازمان فضایی اروپا، کوروت) Corot)در سپتامبر 2006 به بالای جوزمین پرتاب می شود، همچنین فضاپیمای کپلر ناسا، که برای پرتاب در سال 2008 برنامه ریزی شده، به دنبال سیارات ترانزیت دار کوچک می گردند. فقط تلسکوپهای فضایی این دقت را برای شناسایی چنین اجسامی دارند. کپلر اجسام هم اندازه ی زمین را پیدا می کند،مثل بسیاری از سیارات هم اندازه ی مشتری، نپتون و ابر زمین ها در فواصل مختلف از ستاره ی مادرشان.

 

 

 

از اندازه گیری های تراکم سیارات سنگینتر و بزرگتر، ما قادر خواهیم بود بر روی تکامل و ساختار عمده ی آنها مطالعه کنیم.در دهه ی بعدی تلسکوپ فضایی فروسرخ جیمز وب(JWST) ناسا که برای پرتاب در سال 2014 برنامه ریزی شده، سیاره ای فراخورشیدی و ترانزیت کننده را به روش اسپیتزر و هابل مطالعه خواهد کرد.

سیارات فراخورشیدی مشتری مانند دور از سیارات مادرشان خیلی جالبند، از این رو ما می خواهیم آنها را با غولهای گازی منظومه ی خود مقایسه کنیم. JWST همچنین قادر به شناسایی تشعشعات گرمایی از نپتون مانند ها و حتی زمین مانند های داغ می باشد . مشخصاً کارهای زیادی باید انجام شود قبل از اینکه اخترشناسان قادر به حذف نور ستاره و تصاویر مستقیم از سیارات هم سن منظومه ی شمسی در طی 15 سال آینده یا بیشتر بشوند. برای هزاران سال مردم از خود می پرسیده اند که آیا در این جهان تنها هستند؟

در سال 450 قبل از میلاد، فیلسوف یونانی اپیکوروس(Epicurus)درباره جهانهای لایتناهی شبیه و متفاوت با دنیای ما اندیشید. از زمان پرتاب تلسکوپ جوینده ی سیارات فرازمینی ناسا و تلسکوپ داروین سازمان فضایی اروپا( NASA's Terrestrial Planet Finder and the European Space Agency's Darwin ) حداقل یک دهه می گذرد، که این تلسکوپها موفق به کشف و مطالعه ی مستقیم روی دنیاهای زمین مانند شده اند، ولی کشفیات اخیر نشان داده که چطور سیارات خارجی می توانند از نظر جنس و مواد از اجرام شبیه خود در منظومه ی شمسی تفاوت داشته باشند. حتی شاید سیارات غیرعادی بیشتری که شامل دنیاهای آبی که نیمی از آن آب مایع اند و سیارات کربنی،که نیمی ترکیب شده با کربن و دارای پوسته ای از الماس هستند،آشکار شوند. ما دریافته ایم که طبیعت ،از نظریه پردازان ماهر ما در ساختن منظومه های خورشیدی خلاق تر است. سالیان آینده به ما نشان خواهند داد که سیارات فراخورشیدی تا چه حد می توانند عجیب باشند. 

منبع : سی پی اچ