اتمسفر بیگانه؟ تلسکوپ جیمز وب رازهای شگفت‌انگیز سیاره Trappist-1 b را فاش می‌کند!

پژوهشگران با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب به مطالعه سیاره Trappist-1 b پرداخته‌اند و شواهدی یافته‌اند که نشان می‌دهد این سیاره ممکن است سطحی متغیر و احتمالاً دارای اتمسفر داشته باشد، برخلاف باورهای پیشین که آن را جرمی تاریک و سنگی بدون اتمسفر تصور می‌کردند.

مشاهدات اولیه وجود هیچ جوی را نشان نمی‌داد، اما تحلیل‌های بیشتر احتمال وجود جوی ضخیم از دی‌اکسید کربن را مطرح کرده است که می‌تواند تحت تأثیر غبار هیدروکربنی مشابه آنچه در قمر تایتان زحل دیده می‌شود، باشد. مطالعات گسترده‌تری برای تأیید این یافته‌ها برنامه‌ریزی شده است.

مشاهدات پیشگامانه سیستم Trappist-1

Trappist-1 b یکی از هفت سیاره سنگی است که به دور ستاره Trappist-1، در فاصله ۴۰ سال نوری از زمین، می‌چرخد. این منظومه سیاره‌ای به دلیل ارائه فرصتی نادر برای مطالعه چندین سیاره شبیه به زمین از نزدیک، برای اخترشناسان بسیار متمایز است. سه مورد از این سیاره‌ها در “منطقه قابل سکونت” قرار دارند، جایی که ممکن است شرایط وجود آب مایع در سطح آن‌ها فراهم باشد. تاکنون ده برنامه تحقیقاتی از تلسکوپ جیمز وب (JWST) استفاده کرده‌اند تا این منظومه را در مجموع به مدت ۲۹۰ ساعت رصد کنند.

جدیدترین مطالعه که توسط پژوهشگرانی از مؤسسه اخترشناسی ماکس پلانک (MPIA) در هایدلبرگ انجام شده، به سرپرستی السا دوکرو از کمیساریای انرژی‌های اتمی (CEA) در پاریس، فرانسه بوده است. این تیم با استفاده از تصویربردار میانی فروسرخ (MIRI) تلسکوپ وب، تابش فروسرخ گرمایی یا همان امضای حرارتی سیاره Trappist-1 b را اندازه‌گیری کردند. این یافته‌ها بر تحقیقات سال گذشته بنا شده‌اند که این سیاره را به‌عنوان جرمی تاریک و سنگی با هیچ‌گونه جو قابل تشخیصی توصیف کرده بود.

پوسته‌ای پویا و تکامل‌یابنده

یروئن باومن، اخترشناس MPIA که مسئولیت مشترک برنامه رصد را بر عهده داشت، می‌گوید:

با این حال، ایده یک سیاره سنگی با سطحی به‌شدت فرسوده و بدون جو، با اندازه‌گیری‌های فعلی همخوانی ندارد. بنابراین، فکر می‌کنیم که این سیاره پوشیده از مواد نسبتاً تغییرنیافته است.

معمولاً سطح سیاره‌ها تحت تأثیر تابش ستاره مرکزی و برخورد شهاب‌سنگ‌ها فرسوده می‌شود. با این حال، نتایج نشان می‌دهند که سنگ‌های سطح سیاره حداکثر حدود ۱۰۰۰ سال عمر دارند، که به‌طور قابل‌توجهی کمتر از عمر خود سیاره است که به چندین میلیارد سال تخمین زده می‌شود.

این موضوع می‌تواند نشان‌دهنده تغییرات شدید در پوسته سیاره باشد که ممکن است با فعالیت‌های آتشفشانی شدید یا تکتونیک (ساختارهای زمین‌شناسانه) صفحه‌ای توضیح داده شود. حتی اگر چنین سناریویی هنوز در حد فرضیه باشد، باز هم محتمل است. اندازه این سیاره به حدی بزرگ هست که بتواند گرمای باقی‌مانده از زمان شکل‌گیری خود را درون خود حفظ کرده باشد، همان‌طور که در زمین دیده می‌شود. همچنین اثرات جزر و مدی ناشی از ستاره مرکزی و سیاره‌های دیگر می‌توانند باعث تغییر شکل Trappist-1 b شوند، به‌طوری که اصطکاک داخلی ناشی از این تغییر شکل گرما تولید کند، مشابه چیزی که در قمر آیو مشتری مشاهده می‌شود. علاوه بر این، گرمایش القایی ناشی از میدان مغناطیسی ستاره‌ی مادر نیز قابل تصور است.

اتمسفر فرضی Trappist-1 b

توماس هنینگ، مدیر بازنشسته MPIA و یکی از طراحان اصلی ابزار MIRI، می‌گوید:

داده‌ها همچنین امکان یک سناریوی کاملاً متفاوت را فراهم می‌کنند. برخلاف تصورات قبلی، شرایطی وجود دارد که در آن سیاره می‌تواند دارای اتمسفری ضخیم و غنی از دی‌اکسید کربن (CO2) باشد. نقش کلیدی در این سناریو توسط غبار ناشی از ترکیبات هیدروکربنی، یعنی دوده، در لایه بالایی اتمسفر ایفا می‌شود.

دو برنامه مشاهده‌ای که در مطالعه فعلی یکدیگر را تکمیل می‌کنند، برای اندازه‌گیری میزان روشنایی Trappist-1 b در طول موج‌های مختلف در محدوده فروسرخ حرارتی (12.8 و 15 میکرومتر) طراحی شده‌اند. اولین مشاهده نسبت به جذب تابش فروسرخ سیاره توسط لایه‌ای از CO2 حساس بود. با این حال، هیچ کاهش نوری اندازه‌گیری نشد، که باعث شد پژوهشگران نتیجه بگیرند که سیاره فاقد اتمسفر است.

تیم تحقیقاتی محاسباتی انجام دادند که نشان داد غبار می‌تواند ساختار دمایی اتمسفر غنی از CO2 را معکوس کند. به‌طور معمول، لایه‌های پایینی نزدیک به سطح گرم‌تر از لایه‌های بالایی هستند، زیرا فشار بالاتری دارند. اما با جذب نور ستاره توسط غبار و گرم شدن آن، لایه‌های بالایی اتمسفر گرم‌تر می‌شوند که توسط اثر گلخانه‌ای تقویت می‌شود. در نتیجه، دی‌اکسید کربن در این لایه‌ها خود تابش فروسرخ منتشر می‌کند.

مشابه این فرآیند در قمر تایتان زحل رخ می‌دهد. لایه غبار در آنجا احتمالاً تحت تأثیر تابش فرابنفش (UV) خورشید از گازهای غنی از کربن در اتمسفر تشکیل می‌شود. فرآیند مشابهی ممکن است در Trappist-1 b اتفاق بیفتد، زیرا ستاره آن مقدار زیادی تابش UV منتشر می‌کند.

چالش‌های شناسایی اتمسفر

حتی اگر داده‌ها با این سناریو مطابقت داشته باشند، ستاره‌شناسان همچنان این احتمال را کمتر می‌دانند. از یک طرف، تولید ترکیبات هیدروکربنی که غبار ایجاد می‌کنند از یک اتمسفر غنی از CO2 دشوارتر است، اگرچه غیرممکن نیست. با این حال، اتمسفر تایتان عمدتاً از متان تشکیل شده است. از طرف دیگر، مشکل این است که ستارگان کوتوله قرمز فعال، مانند Trappist-1، تابش و بادهای شدیدی تولید می‌کنند که می‌توانند به‌راحتی اتمسفرهای سیارات نزدیک را طی میلیاردها سال فرسایش دهند.

Trappist-1 b نمونه‌ای زنده از دشواری فعلی در شناسایی و تعیین ویژگی‌های اتمسفرهای سیارات سنگی است، حتی برای تلسکوپ جیمز وب (JWST). این اتمسفرها در مقایسه با سیارات گازی نازک‌تر هستند و تنها امضاهای ضعیفی تولید می‌کنند که قابل اندازه‌گیری باشد. دو مشاهده انجام‌شده برای مطالعه Trappist-1 b که مقادیر روشنایی را در دو طول موج ارائه کردند، تقریباً ۴۸ ساعت طول کشید، که برای تعیین قطعی وجود اتمسفر کافی نبود.

خورشید گرفتگی‌ها و اختفاها برای مطالعه اتمسفر

مشاهدات از تمایل اندکی که صفحه مداری سیارات نسبت به خط دید ما به Trappist-1 دارد بهره‌برداری می‌کنند. این جهت‌گیری باعث می‌شود که هفت سیاره در هر مدار از مقابل ستاره عبور کرده و آن را اندکی تاریک کنند. این پدیده امکان یادگیری درباره ویژگی‌ها و اتمسفر سیارات را به روش‌های مختلف فراهم می‌کند.

روش موسوم به طیف‌سنجی گذری به‌عنوان روشی قابل اعتماد اثبات شده است. این روش شامل اندازه‌گیری کاهش روشنایی یک ستاره توسط سیاره آن در طول موج‌های مختلف است. علاوه بر گرفتگی ناشی از بدن مات سیاره، که اندازه آن را تعیین می‌کند، گازهای اتمسفری در طول موج‌های خاصی نور ستاره را جذب می‌کنند. از این طریق، می‌توان دریافت که آیا سیاره‌ای اتمسفر دارد و این اتمسفر از چه عناصری تشکیل شده است. متأسفانه، این روش دارای معایبی است، به‌ویژه برای منظومه‌هایی مانند Trappist-1. ستارگان کوتوله سرخ خنک معمولاً دارای لکه‌های بزرگ ستاره‌ای و فوران‌های قوی هستند که اندازه‌گیری‌ها را به‌طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار می‌دهند.

امیدواری به اندازه‌گیری‌ها در خورشید گرفتگی ثانویه

ستاره‌شناسان با مشاهده طرف روز روشن سیاره‌های فراخورشیدی که توسط ستاره گرم می‌شود، در نور فروسرخ حرارتی تا حد زیادی این مشکل را دور می‌زنند. این روش، همان‌طور که در مطالعه فعلی با Trappist-1 b انجام شده است، به‌ویژه زمانی مفید است که طرف روز روشن درست قبل یا بعد از ناپدید شدن سیاره پشت ستاره دیده شود. تابش فروسرخی که سیاره منتشر می‌کند حاوی اطلاعاتی درباره سطح و اتمسفر آن است. با این حال، چنین مشاهداتی نسبت به طیف‌سنجی گذری به زمان بیشتری نیاز دارند.

با توجه به پتانسیل این اندازه‌گیری‌های موسوم به خورشید گرفتگی ثانویه، ناسا اخیراً یک برنامه مشاهده گسترده را برای مطالعه اتمسفر سیارات سنگی در اطراف ستارگان کم‌جرم و نزدیک تأیید کرده است. این برنامه ویژه، با نام جهان‌های سنگی، شامل ۵۰۰ ساعت مشاهده با تلسکوپ جیمز وب (JWST) است.

مشاهدات آینده برای اطمینان بیشتر

تیم تحقیقاتی انتظار دارد که با استفاده از یک روش مشاهده‌ای دیگر بتواند تأیید قطعی به دست آورد. این روش مدار کامل سیاره به دور ستاره، از جمله تمام فازهای روشنایی آن از طرف شب تاریک هنگام عبور از مقابل ستاره تا طرف روز روشن درست قبل و بعد از پوشیده شدن توسط ستاره را ثبت می‌کند. این رویکرد به تیم اجازه می‌دهد که یک منحنی فاز، که نشان‌دهنده تغییرات روشنایی سیاره در طول مدار آن است، ایجاد کنند. در نتیجه، ستاره‌شناسان می‌توانند توزیع دمای سطح سیاره را استنباط کنند.

تیم قبلاً این اندازه‌گیری را برای Trappist-1 b انجام داده است. با تحلیل چگونگی توزیع گرما روی سیاره، آن‌ها می‌توانند به وجود اتمسفر پی ببرند. دلیل این امر این است که اتمسفر به انتقال گرما از طرف روز به طرف شب کمک می‌کند. اگر دما در انتقال بین دو طرف به‌طور ناگهانی تغییر کند، این نشان‌دهنده عدم وجود اتمسفر است.

این یافته‌ها در ژورنال Nature Astronomy منتشر شده‌اند

منبع Scitechdaily