شکار سیارات دوخورشیدی؛ چرا تلسکوپ‌های ناسا چیزی پیدا نمی‌کنند؟!

در میان بیش از ۴۵۰۰ ستاره‌ای که می‌دانیم میزبان سیارات هستند، یک روند به‌طور خاصی گیج‌کننده است: در حالی‌که انتظار می‌رود تقریباً تمام ستاره‌ها با سیاره‌ها متولد شوند و بخش بزرگی از آن‌ها نیز به صورت جفت (دوتایی) به دنیا می‌آیند، اما سیاراتی که همزمان به دور دو ستاره می‌چرخند، به شکلی غافلگیرکننده کمیاب هستند.

اخترشناسان تاکنون بیش از ۶۰۰۰ سیاره فراخورشیدی را تایید کرده‌اند که بیشتر آن‌ها توسط تلسکوپ فضایی کپلر و ماهواره تس (TESS) کشف شده‌اند. با این حال، از میان تمام این جهان‌ها، تنها ۱۴ مورد شناخته شده‌اند که به دور ستاره‌های دوتایی می‌چرخند. بر اساس دانسته‌های دانشمندان از نحوه شکل‌گیری سیارات، باید صدها مورد از آن‌ها وجود داشته باشد. پرسش اینجاست: نسخه‌های واقعیِ جهان‌های دوخورشیدی (مانند سیاره «تاتویین» در جنگ ستارگان) کجا هستند؟

اخترفیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و دانشگاه آمریکایی بیروت، توضیحی برای این کمبود ارائه داده‌اند و «نظریه نسبیت عام انیشتین» را عامل اصلی می‌دانند.

چگونه حرکت مداری ناپایدار می‌شود؟

در اکثر سیستم‌های دوتایی، دو ستاره از نظر جرمی نزدیک به هم هستند (اما نه کاملاً برابر) و در مسیرهای بیضی‌شکل و کشیده به دور یکدیگر می‌چرخند. سیاره‌ای که به دور هر دو ستاره می‌چرخد، کشش گرانشیِ دائماً در حال تغییری را احساس می‌کند که باعث می‌شود مدارش به مرور زمان به آرامی بچرخد. این چرخش تدریجی با نام «پیش‌روی مداری» (Orbital Precession) شناخته می‌شود و شبیه به تلوتلو خوردن یک فرفره در حال چرخش است.

خودِ ستاره‌ها نیز دچار پیش‌روی مداری می‌شوند، اما به دلیلی متفاوت؛ در مورد آن‌ها، نسبیت عام نقش اصلی را بازی می‌کند. با گذشت زمان، نیروهای کشندی (جزر و مدی) بین دو ستاره، آن‌ها را به هم نزدیک‌تر می‌کند. این نزدیک شدن دو نتیجه مهم دارد: سرعت پیش‌روی مداری ستاره‌ها افزایش می‌یابد، در حالی‌که سرعت پیش‌روی سیاره کاهش پیدا می‌کند. وقتی این دو نرخ با هم برابر شوند، یک «تعامل رزونانسی» رخ می‌دهد. در آن لحظه، مدار سیاره به شدت کشیده می‌شود؛ به طوری که در یک نقطه بسیار دور و در نقطه‌ای دیگر به شکلی خطرناک به ستاره‌ها نزدیک می‌شود.

محمد فرحات، پژوهشگر فوق‌دکتری در دانشگاه برکلی و نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید:

دو اتفاق ممکن است رخ دهد: یا سیاره بیش از حد به ستاره‌های دوتایی نزدیک شده و توسط یکی از آن‌ها بلعیده یا متلاشی می‌شود، یا مدارش چنان آشفته می‌شود که در نهایت از سیستم به بیرون پرتاب می‌شود. در هر دو صورت، سیاره از دست می‌رود.

چرا یافتن سیارات بازمانده دشوار است؟

فرحات تأکید می‌کند که این فرآیند به معنای آن نیست که ستاره‌های دوتایی اصلاً سیاره ندارند. در واقع، فقط سیاراتی که در فواصل بسیار دور در حال چرخش هستند، موفق به بقا می‌شوند. متأسفانه، احتمال عبور این جهان‌های دوردست از مقابل ستاره‌هایشان (از زاویه دید ما) بسیار کمتر است و همین امر شناسایی آن‌ها را با روش‌های فعلی تلسکوپ‌های کپلر و تس بسیار دشوار می‌کند.

جیاد توما، استاد فیزیک دانشگاه آمریکایی بیروت و نویسنده همکار این مقاله، می‌گوید:

مطمئناً سیاراتی در آنجا وجود دارند؛ فقط شناسایی آن‌ها با ابزارهای فعلی سخت است.

«کویر» سیارات دوتایی

تلسکوپ‌های کپلر و تس با اندازه‌گیری افت جزئی نور ستاره هنگام عبور سیاره از مقابل آن، سیارات فراخورشیدی را پیدا می‌کنند. کپلر حدود ۳۰۰۰ سیستم دوتاییِ گرفتی (که ستاره‌ها از مقابل هم رد می‌شوند) را شناسایی کرد. از آنجایی‌‌که ۱۰ درصد از ستاره‌های خورشیدمانند میزبان سیارات بزرگ هستند، اخترشناسان انتظار داشتند حدود ۳۰۰ سیستم دوتایی دارای سیاره پیدا کنند. اما در واقعیت، محققان تنها ۴۷ کاندیدا پیدا کردند که فقط ۱۴ مورد آن‌ها تایید شده است.

نکته عجیب اینجاست که هیچ‌کدام از این ۱۴ سیاره در اطراف دوتایی‌های «تنگاتنگ» (سیستم‌هایی که ستاره‌هایشان در کمتر از هفت روز به دور هم می‌چرخند) یافت نشده‌اند. فرحات می‌گوید:

ما با یک کویر مطلق از سیارات در اطراف دوتایی‌هایی با دوره مداری هفت روز یا کمتر روبرو هستیم؛ یعنی دقیقاً در همان سیستم‌هایی که بیشترین انتظار را داشتیم سیاره پیدا کنیم.

مناطق ناپایداری و شکست در سیاره‌سازی

به گفته فرحات، سیستم‌های دوتایی توسط مناطقی از ناپایداری مداری احاطه شده‌اند که سیارات ساد‌ه‌تر در آنجا دوام نمی‌آورند. در داخل این مناطق، تعاملات پیچیده گرانشی یا سیاره را به بیرون پرتاب می‌کند یا آن را به داخل می‌کشد تا نابود شود. جالب اینجاست که ۱۲ مورد از ۱۴ سیاره شناخته شده، دقیقاً در لبه‌ی بیرونیِ این منطقه ناپایدار می‌چرخند. این نشان می‌دهد که آن‌ها احتمالاً در فاصله‌ای دورتر شکل گرفته و بعداً به سمت داخل مهاجرت کرده‌اند؛ چراکه ساختن یک سیاره در مرز ناپایداری، مانند «چسباندن دانه‌های برف به هم در میان یک طوفان سهمگین» است.

نسبیت عام، پاک‌کنندهِ فضای داخلی

فرحات و توما با استفاده از محاسبات ریاضی دقیق و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان دادند که نسبیت عام به طرز چشمگیری بقای بلندمدت سیارات دوتایی را تغییر می‌دهد. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که اثرات نسبیتی باعث فروپاشی حدود ۸۰ درصد از سیارات در اطراف دوتایی‌های نزدیک می‌شود و ۷۵ درصد از این سیاراتِ آشفته، کاملاً نابود می‌شوند.

انیشتین در سال ۱۹۱۵ با معرفی نسبیت عام، گرانش را به عنوان خمیدگی فضا-زمان توصیف کرد. مثال معروف آن سیاره عطارد است؛ این سیاره که نزدیک‌ترین مدار به خورشید را دارد، دچار پیش‌روی مداری اضافه‌ای می‌شد که قوانین نیوتن نمی‌توانستند آن را توضیح دهند. نظریه انیشتین این اختلاف را به درستی توجیه کرد و اولین تاییدیه بزرگ خود را گرفت.

از عطارد تا ستاره‌های دوتایی

همین فیزیک در مورد هر جسم پرجرمی که نزدیک به هم می‌چرخد صدق می‌کند. وقتی دوره مداری دو ستاره به حدود یک هفته یا کمتر می‌رسد، پیش‌روی نسبیتی اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

همانطور که مدار دو ستاره به هم نزدیک‌تر و تنگ‌تر می‌شود، سرعت چرخش مداری آن‌ها (پیش‌روی) افزایش یافته و سرعت چرخش مدار سیاره کاهش می‌یابد. در نقطه‌ای که این دو سرعت با هم «هم‌صدا» (رزونانس) می‌شوند، مدار سیاره شروع به تغییر شکل کرده و کشیده می‌شود. وقتی این مدارِ کشیده شده به منطقه ناپایداری برخورد می‌کند، سیاره یا به فضای بیکران پرتاب می‌شود یا توسط ستاره‌ها بلعیده می‌شود. از آنجایی که این تخریب در مقیاس زمانی نجومی بسیار سریع (چند ده میلیون سال) رخ می‌دهد، یافتن سیاره در اطراف این ستاره‌های دوتایی بسیار نادر است.

پیامدهای فراتر از سیارات فراخورشیدی

محققان اکنون در حال اعمال مدل‌های خود بر محیط‌های افراطی دیگر هستند؛ از جمله خوشه‌های ستاره‌ای که به دور جفت‌سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم می‌چرخند. آن‌ها همچنین در حال بررسی این موضوع هستند که آیا اثرات مشابه نسبیتی می‌تواند توضیح دهد چرا در اطراف «تپ‌اخترهای دوتایی» (ستاره‌های نوترونی چرخان) سیاره‌ای دیده نمی‌شود.

جیاد توما در پایان می‌گوید:

جالب است که حدود یک قرن پس از محاسبات انیشتین، شبیه‌سازی‌ها نشان دادند چگونه اثرات نسبیتی ممکن است عطارد را از پرتاب شدن به بیرون از منظومه شمسی نجات داده باشد. اما در اینجا، می‌بینیم که همان اثرات در حال نابود کردن سیستم‌های سیاره‌ای هستند. نسبیت عام در برخی جاها سیستم‌ها را پایدار می‌کند و در جاهای دیگر، آن‌ها را به آشوب می‌کشد.

منبع: Scitechdaily