سارا سيگر*
ترجمه؛ آرش فراست
ستاره شناسان تاکنون بيش از 160 سياره را بيرون از منظومه خورشيدي کشف کرده اند. به راستي اين دنياها واقعاً چه شکلي هستند؟ تا سال 1999، ستاره شناسان قاطعانه وجود 30 سياره فراخورشيدي را تاييد کرده بودند. اما به جز جرم و مدارشان، واقعاً هيچ چيز درباره آنها نمي دانستيم. براي اينکه حتي به آسان ترين پرسش ها درباره خصوصيات فيزيکي آنها پاسخ دهيم، مي بايست سياره يي داراي گذر (Transit) کشف مي کرديم. در پديده گذر براي ما که از زمين به اين سياره مي نگريم، سياره از مقابل ستاره اصلي مي گذرد. طبق قوانين احتمالات و تعداد در حال افزايش سياره هاي فراخورشيدي مي دانستيم که جسم گذرکننده بالاخره زماني کشف مي شود. من آنقدر به اين موضوع يقين داشتم که بعد از تعطيلاتي يک ماهه و دوري از تلفن، اي ميل و روزنامه، اولين سوالي که پرسيدم اين بود؛ آيا در اين مدت ستاره شناسان سياره يي داراي گذر کشف کرده اند؟، اکنون بيش از 160 سياره فراخورشيدي پيدا کرده ايم و تمايل ما براي توصيف آنها شدت يافته است. نزديک 30 مشتري مانند داغ مثل 51 فرس b شناخته شده اند.
طبق کشف هاي اخير اين طبقه بندي به اجرام داغ هم جرم نپتون و حتي اجرام داغ با جرم فوق زمين گسترش يافته است. بيشتر اين سيار ه ها برخلاف سياره هاي مشابه آنها در منظومه خورشيدي، مدار هايي با خروج از مرکز خيلي بزرگ دارند و به طور شگفت انگيزي به ستاره مادر نزديکند و در نتيجه براي سياره هاي کوچکي مثل زمين جايي باقي نمي ماند. چيزي که در تمام اين کشف ها مشترک است آن است که ساختار سياره ها گوناگون و تصادفي است، ظاهراً اين احتمالات شامل جرم، اندازه، فاصله از ستاره و خصوصيات ديگر مي شود. تقريباً تمام سياره هاي فراخورشيدي به طور غيرمستقيم و از طريق روش اثر داپلر کشف شدند. افرادي با نام هاي «پول باتلر» (Paul Butler) و «جفري مارسي» (Geoffrey W.Marcy) از دانشگاه کاليفرنيا با استفاده از اين روش، حرکت هاي جزئي يک ستاره که به وسيله سياره مورد نظر ايجاد شده است را بررسي کردند. نوسان ستاره تنها نشان دهنده مدار و حداقل جرم سياره هاي شناخته نشده آن است. اين اندازه گيري ها پرسش هاي زيادي را بي پاسخ مي گذارند، از جمله؛ آيا اين سياره ها، گازي و اصولاً شبيه مشتري و کيوان هستند يا سنگي مثل سيارات زميني؛ يا چيزي بين اين دو؟ اگر همان گونه که در فرضيه شکل گيري ستارگان لازم است، اين سياره ها در صفحه يي دايره يي شکل گرفته اند، چرا خروج از مرکزي به اين بزرگي دارند؟ آيا به مکان فعلي خود مهاجرت کرده اند؟ ماهيت و ترکيب شيميايي جو آنها چيست؟ آيا مشتري مانندهاي داغ جو ضخيمي دارند يا جو آنان توسط گرماي ستاره مادرشان بخار شده است؟ آيا حلقه يا قمرهايي دارند؟ ستاره شناسان مي خواهند با توجه به اين احتمال هاي جالب، از دانستن صرف اينکه اين سيارات وجود دارند يا خير، فراتر روند. مي خواهيم اين داده ها را مثل سياره هاي منظومه خودمان، به جهان واقعي تعميم دهيم. متاسفانه فعلاً نمي توانيم از ابزار معمولي مان (طيف سنجي) براي بررسي اجرام دور استفاده کنيم چون درخشندگي و تشعشعات زياد ستارگان همجوار، تابش ضعيف اين سياره ها را مي پوشاند. براي به دست آوردن طيف يک سياره فراخورشيدي در طول موج هاي مرئي، به تلسکوپي با آينه هايي چندين هزار بار صاف تر و تکنيک هايي يک ميليون بار بهتر از تکنيک هاي سدکننده نور ستارگان از تلسکوپ هاي فعلي نياز است. خوشبختانه طبيعت با دسته يي از سيار ه هايش (سياره هاي داراي گذر) خيلي سخاوتمند است و مجموعه يي فراهم مي کند که ما مي توانيم قبل از عکسبرداري مستقيم و انجام طيف سنجي، بررسي هايي انجام دهيم.
در اواخر سال 1999، اخترشناسان اعلام کردند که سياره HD209458b از مقابل ستاره اش عبور مي کند. اين سياره با داشتن دوره تناوب 5/3 روزه به دور ستاره يي درخشان به نام Rosetta stone با قدر 6/7 به ابزاري براي نشان دادن مشخصه هاي سياره هاي فرامنظومه يي تبديل شده است. تعداد در حال افزايش سياره هاي داراي گذر اين تصوير را کامل مي کند.
اهميت اين سياره ها در چيست
سياره هاي فراخورشيدي داراي گذر تنها اجرامي هستند که ستاره شناسان هم اکنون مي توانند خصوصيات فيزيکي آنان را اندازه بگيرند. چگالي (جرم تقسيم بر حجم) اساسي ترين پارامتر فيزيکي در بين تمام آنها است، چرا که درباره ترکيب هاي شيميايي اصلي سياره اطلاعاتي به ما مي دهد. اخترشناسان مي توانند جرم سياره گذرکننده را از اندازه گيري هاي سرعت شعاعي سياره تعيين کنند. مقدار تضعيف نور ستاره طي گذر سياره، نشان دهنده اندازه سياره است.
با استفاده از اين روش دريافتيم که از 9 سياره داراي گذر 8 سياره چگالي کمي دارند، پس بايد اجرام گازي باشند که مانند مشتري و زحل به طور عمده از هليوم و هيدروژن ساخته شده اند. اما دو تا از سياره هاي فراخورشيدي چنان عجيب و غريب هستند که آتش پژوهش هاي بيشتر را برافروختند. قطر اولين سياره فراخورشيدي کشف شده با نام HD209458b 35درصد بيشتر از قطر مشتري و جرمش دوسوم مشتري است. اين اعداد نشان دهنده چگالي کم33/0 گرم در هر سانتي متر مکعب است (کم چگالي ترين سياره منظومه ما سياره کيوان است که چگالي اش 0/69 گرم بر سانتي متر مکعب است). HD209458b، نسبت به وزنش خيلي بزرگ است.
سياره هاي گازي غول آسا، داغ و بزرگ متولد مي شوند، اما در پيري سرد و منقبض مي شوند. سياره HD209458b هم احتمالاً تقريباً به اندازه و دماي کيوان منقبض و سرد شده است. اما منبع گرمايي ديگر(علاوه بر ستاره نزديکش) که به طور مستمر به داخل سياره منتقل مي شود، محتمل ترين راه براي متورم ماندن سياره است.
منبع اين انرژي چيست؟ شايد بادها کسر کوچکي از انرژي ستاره را به سياره منتقل مي کنند. عمل همرفتي هم مي تواند اين انرژي را به مرکز سياره منتقل کند. ولي چرا چنين فرآيند گرم سازي کلي بر ديگر سيار ه هاي شناخته شده داراي گذر تاثير نمي گذارد.
محتمل ترين توضيح گرم سازي کشندي است. با توجه به نزديکي بسيار، ستاره مادر برآمدگي کشندي در جو سياره مشتري مانند داغ ايجاد مي کند. با استمرار اين تورم طي ميليون ها سال، ستاره، سياره مشتري مانند داغ را به کسب مداري دايره يي وادار مي کند. در بيشتر موارد ستاره، محور چرخشي سياره را تغيير داده و بر صفحه مداري عمود مي کند. همانطور که انتظار مي رفت HD209458b مداري دايره يي دارد، ولي انحراف محوري اش اندازه گرفته نشده است. اگر محور سياره در اثر تشديد (Resonance Effect) کج شده باشد، تورم کشندي توسط ستاره يي که مي خواهد جنوب و شمال سياره را در تمام 5/3 روز سال آن در هم ريزد، بالا مي رود و گرماي دروني کافي براي متورم نگاه داشتن سياره توليد مي کند. به ندرت عواملي مثل تاريخچه انتقال سياره، زمان تصادم و وجود سياره هاي ديگر، مشتري مانند داغ را به اين حالت غيرعادي درمي آورد. اين نکته مي تواند توضيح دهد که چرا HD209458b تنها سياره فراخورشيدي داراي گذر با اين چگالي است.
اخترشناسان حتي از دومين سياره غول پيکر داراي گذر غيرعادي، بيشتر بهت زده شدند. HD149026b عجيب ترين عضو از اين مجموعه سياره ها است. اين سياره به طور شگفت انگيزي نسبت به حجمش چگال است (4/13گرم بر سانتي متر مکعب) در نتيجه بايد 50 تا 70 درصدش از عناصر سنگين تشکيل شده باشند. HD149026b با ديگر سياره هاي داراي گذر که به طور عمده از هيدروژن و هليوم تشکيل شده اند، تفاوت دارد.
اخترشناسان هنوز به توافق نرسيده اند که چگونه HD149026b مي تواند از چنين مواد سنگيني شکل گرفته باشد که قابل قياس با تمام موادي است که سياره هاي منظومه شمسي ما را به وجود آورده اند. وجود چنين سياره يي فرضيه هاي پيشين را که مي گويد تمام سياره هاي فراخورشيدي عظيم غول هايي همانند کيوان و مشتري هستند، با مشکل مواجه مي کند.
کاهش نور ستاره
اخترشناسان مي توانند گذشته از اندازه گيري چگالي، جو سياره هاي مشتري مانند داغ داراي گذر را بررسي کنند. وقتي يک سياره از جلوي ستاره مادرش عبور مي کند، مقدار کمي از نور ستاره با بخش هاي بالايي جو برخورد مي کند. گازهاي موجود در جو، کمي از اين نور را در طول موج هاي خاصي جذب مي کنند که خطوط جذبي خيلي ضعيفي در طيف ستاره ايجاد مي کند. ستاره شناسان مي توانند با مقايسه طيف هاي گرفته شده از ستاره طي گذر و مواقع ديگر، مواد شيميايي موجود در جو سياره را شناسايي کنند. من و «ديميتار ساسلوف» (Dimitar Sasselov) همکارم در مرکز اخترفيزيک هاروارد-اسميت سونيان (Harvard-Smithsonian) در سال 1999 مقاله يي نوشتيم و در آن پيش بيني هاي بي پروايي در مورد شناسايي جو يک سياره فراخورشيدي انجام داديم. ما پيش بيني کرديم که اگر سديم عنصر اصلي جذب کننده طول موج هاي مرئي نباشد، عنصري بسيار مهم است. ما اساس پيش بيني را براساس دماي سياره قرار داديم.
تمام گوي گاز بايد با دماي 1000 تا 1500 درجه کلوين در فاصله مشتري داغ با ستاره مادر باشد. در اين دماها، بخار آب، مونوکسيدکربن، فلزات قليايي و احتمالاً متان بايد گازهاي اصلي جذب کننده نور ستاره باشند. اما فقط سديم و پتاسيم (فلزات قليايي) نور را به شدت در طول موج هاي مرئي جذب مي کنند. دو سال بعد «ديويد چاربوناو»
((David Charbonneau از مرکز اخترفيزيک هاروارد - اسميت سونيان و «تيموثي براون» (Timothy Brown) از مرکز ملي تحقيقات اتمسفري و همکاران شان براي اولين بار اتمسفر يک سياره بيروني را بررسي کردند. بعد از ساختن مدل هاي کامپيوتري، من از رصد هاي واقعي در طول چند سال از اتمسفر مشتري مانندهاي داغ، بسيار هيجان زده شدم. گروه« کاربناو» و «براون» با استفاده از تلسکوپ فضايي هابل، سديم را در اتمسفر سياره HD209458b شناسايي کردند. همان طور که پيش بيني کرده بوديم اين کشف مهم اولين دسته بندي از اتمسفر مشتري مانندهاي داغ را ارائه کرد. شناسايي سديم از تصوير کلي ما در مورد اين جهان ها حمايت مي کرد. اما همان گونه که انتظار مي رفت، اندازه گيري ها به ما نشان داد که مدل نمونه ما اشتباه و خط جذبي سديم از آنچه پيش بيني مي شد، بسيار ضعيف تر بود. ابرهاي داغ متشکل از غبار سيليکات يا غبار آهن مايع مي توانست با جلوگيري از مشاهده بخش زيادي از جو، اثر سديم را کاهش دهد (مثل تکه يي از ابر که جلوي مشاهده زمين را براي مسافران هواپيما مي گيرد). دوران اتمسفري، سردتر از دماهايي که انتظار مي رفت، اثرات شيميايي تشعشعات پرتو فرابنفش ستاره مادر، يا مقدار کمي سديم مي توانست عمل جذب را کاهش دهد. اما هنوز اطلاعات کافي براي تعيين توضيحات درست در دست نيست.
کشف اخير يک مشتري مانند داغ داراي گذر از کنار ستاره قدر هشتم HD189733ت، فرصتي طلايي براي مطالعه اتمسفر سياره هاي فراخورشيدي، با استفاده از مزاياي کسوف ثانويه به ما ارائه مي کند.
آينده يي جالب
دريافت «سيلي» از اطلاعات درباره HD209458b در سال جديد، براي اولين بار دسته بندي جو يک سياره فراخورشيدي را با جزئيات بسيار، مقدور مي سازد. ما با استفاده از سه ابزار تلسکوپ فضايي «اسپيتزر» مي توانيم به همان خوبي که دماي سطح سياره را اندازه مي گيريم، به وجود بخار آب، مونوکسيدکربن و متان هم اشاره کنيم. به علاوه تلسکوپ کوچک کانادايي «موست» هم HD209458b را در طول موج هاي مرئي و با استفاده از گرفت هاي ثانويه مکرر رصد کرده است که نور منعکس شده سياره را تخمين مي زند. اين فرآيند پس از تکميل تجزيه و تحليل، مي تواند به ما نشان دهد که آيا ابري وجود دارد يا نه؟ به علاوه، «براون» و همکارانش در حال بررسي طيف هاي هابل هستند که چند سال پيش در هنگام گذر ها و براي اندازه گيري ميزان بخار آب گرفته شد. «اسپيتزر» با دو ابزارش TrES-1 را هم رصد مي کند. «اسپيتزر» همچنين در ماه هاي آينده هفت مشتري مانند داغ بدون گذر را نيز براي پيدا کردن برون دادهاي مختلف نور در مدارشان رصد مي کند. اين سياره هاي مشتري مانند بايد به طرز جزر و مدگونه يي نسبت به ستاره مادرشان قرار گرفته باشند، به طوري که هميشه يک سمت خود را به ستاره مادرشان نشان مي دهند، مثل ماه که از روي زمين تنها يک سمتش قابل مشاهده است. با توجه به اينکه در اين سياره يک بخش هميشه روز و يک بخش هميشه شب است، دو بخش متفاوت آن دو دماي کاملاً متفاوت دارد. بادهاي بسيار سريع، که شايد سرعت شان به سرعت صوت نيز برسد، ممکن است گرما را از طرف روز به طرف شب پخش کند. اندازه گيري هر گونه اختلاف مداري موجود مي تواند به اخترشناسان کمک کند که دريابند انرژي جذب شده ستاره يي در سياره جريان دارد. در چند سال آينده، در نتيجه پژوهش درباره سياره هاي داراي گذر که در روي زمين انجام مي گيرد، سيارات فراخورشيدي بسياري آشکار خواهند شد. «بويينگ 747» اصلاح شده ناسا به نام «سوفيا» از جايگاهش و از فراز بيشتر قسمت هاي جو زمين و با استفاده از تلسکوپ فروسرخ 5/2 متري اش، سياره هاي داراي گذر را در هنگام کسوف اوليه و ثانويه بررسي مي کند. ماموريت علمي «سوفيا» در دو سال آينده آغاز مي شود. «کوروت» (Corot) فضاپيماي ساخت فرانسه و سازمان فضايي اروپا، در سپتامبر 2006 به بالاي جو زمين پرتاب شد، همچنين فضاپيماي «کپلر» ناسا که براي پرتاب در سال 2008 برنامه ريزي شده است، به دنبال سياره هاي داراي گذر کوچک مي گردند. فقط تلسکوپ هاي فضايي اين دقت را براي شناسايي چنين اجسام دوري دارند. «کپلر» اجسام هم اندازه زمين را مثل بسياري از سياره هاي هم اندازه مشتري، نپتون و ابرزمين ها را که در فواصل مختلف از ستاره مادرشان قرار دارند، پيدا مي کند.
ما مي توانيم با استفاده از اندازه گيري تراکم سياره هاي سنگين تر و بزرگ تر، تکامل و ساختار اصلي آنها را بررسي کنيم. در دهه بعدي تلسکوپ فضايي فروسرخ جيمز وب(JWST) ناسا که براي پرتاب در سال 2014 برنامه ريزي شده است، سياره هاي فراخورشيدي و داراي گذر را به روش «اسپيتزر» و هابل بررسي خواهد کرد. سياره هاي فراخورشيدي مشتري مانند دور از ستاره مادرشان بسيار جالبند، از اين رو ما مي خواهيم آنها را با غول هاي گازي منظومه خود مقايسه کنيم. JWST همچنين قادر به شناسايي تشعشعات گرمايي از نپتون مانندها و حتي زمين مانندهاي داغ است. پيش از اينکه اخترشناسان قادر به حذف نور ستاره و تصاوير مستقيم از سيارات هم سن منظومه شمسي طي 15 سال آينده يا بيشتر بشوند، مشخصاً کارهاي زيادي بايد انجام شود. هزاران سال مردم از خود مي پرسيده اند که آيا در اين جهان تنها هستيم؟
در سال 450 قبل از ميلاد فيلسوف يوناني «اپيکوروس» (Epicurus) درباره جهان هاي لايتناهي شبيه و متفاوت با دنياي ما انديشيد. از زمان پرتاب تلسکوپ جوينده سياره هاي فرازميني ناسا و تلسکوپ داروين سازمان فضايي اروپا، حداقل يک دهه مي گذرد و اين تلسکوپ ها موفق به کشف و بررسي مستقيم روي سياره هاي زمين مانند شده اند. ولي کشف هاي تازه نشان داده که چطور سيار ه هاي خارجي مي توانند از نظر جنس و مواد از اجرام شبيه خود در منظومه شمسي تفاوت داشته باشند. حتي شايد سياره هاي غيرعادي ديگري که شامل دنياهاي آبي که نيمي از آن آب مايع است و سياره هاي کربني نيمه ترکيب شده با کربن داراي لايه هاي الماس آشکار شوند. ما دريافته ايم که طبيعت از نظريه پردازان ماهر ما در ساختن منظومه هاي خورشيدي، خلاق تر است. ساليان آينده به ما نشان خواهند داد که سياره هاي فراخورشيدي تا چه حد مي توانند عجيب باشند.
Sky&Telescope,Feb.2006
Sara Seager* اخترفيزيکدان عضو دانشگاه کارنيج واشنگتن و متخصص مطالعه روي سيارات فراخورشيدي است.
