ناسا تكشف لغز تقلص الكواكب الخارجية

يمكن لدراسة جديدة أن تشرح الكواكب الخارجية “المفقودة” بين الكواكب الأرضية الفائقة والكواكب الفرعية نبتون.

يبدو أن بعض الكواكب الخارجية تفقد غلافها الجوي وتتقلص. في دراسة جديدة باستخدام ناساباستخدام تلسكوب كيبلر الفضائي المتقاعد، وجد علماء الفلك دليلاً على سبب محتمل: أن نوى هذه الكواكب تدفع غلافها الجوي بعيدًا من الداخل إلى الخارج.

فجوة حجم الكواكب الخارجية

الكواكب الخارجية (الكواكب خارج نظامنا الشمسي) تأتي في مجموعة متنوعة من الأحجاممن الكواكب الصخرية الصغيرة إلى عمالقة الغاز الضخمة. في المنتصف تقع صخرية الأرض الفائقة ونبتونات فرعية أكبر ذات أجواء منتفخة. ولكن هناك غيابًا واضحًا – “فجوة الحجم” – للكواكب التي يتراوح حجمها بين 1.5 إلى 2 ضعف حجم الأرض (أو بين الأرض الفائقة والكواكب الفرعية نبتون) والتي يعمل العلماء على فهمها بشكل أفضل.

قالت جيسي كريستيانسن، عالمة الأبحاث في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/IPAC، والقائدة العلمية لأرشيف الكواكب الخارجية التابع لوكالة ناسا: “لقد أكد العلماء الآن اكتشاف أكثر من 5000 كوكب خارج المجموعة الشمسية، ولكن هناك عدد أقل من الكواكب التي يبلغ قطرها ما بين 1.5 إلى 2 مرة قطر الأرض”. مؤلف الدراسة الجديدة في المجلة الفلكية. “يمتلك علماء الكواكب الخارجية بيانات كافية الآن ليقولوا إن هذه الفجوة ليست مجرد صدفة. هناك شيء ما يحدث يمنع الكواكب من الوصول إلى هذا الحجم و/أو البقاء فيه”.

يُظهر مفهوم هذا الفنان الشكل الذي قد يبدو عليه الكوكب الخارجي التابع لنبتون TOI-421 b. وفي دراسة جديدة، وجد العلماء أدلة جديدة تشير إلى كيفية فقدان هذه الأنواع من الكواكب لأغلفتها الجوية. المصدر: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، وD. Player (STScI)

ويعتقد الباحثون أن هذه الفجوة يمكن تفسيرها من خلال فقدان بعض الكواكب الفرعية لأغلفتها الجوية مع مرور الوقت. ستحدث هذه الخسارة إذا لم يكن لدى الكوكب كتلة كافية، وبالتالي قوة الجاذبية، للتمسك بغلافه الجوي. لذا فإن الكواكب النبتونية الفرعية التي ليست ضخمة بدرجة كافية ستتقلص إلى حجم الكواكب الأرضية الفائقة تقريبًا، مما يترك فجوة بين حجمي الكواكب.

لكن الكيفية التي تفقد بها هذه الكواكب غلافها الجوي ظلت لغزا. لقد استقر العلماء على آليتين محتملتين: إحداهما تسمى فقدان الكتلة بالطاقة الأساسية؛ والآخر، التبخر الضوئي. وكشفت الدراسة عن أدلة جديدة تدعم الأول.

يشرح هذا الفيديو الاختلافات بين الأنواع الرئيسية للكواكب الخارجية، أو الكواكب خارج نظامنا الشمسي. الائتمان: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

حل اللغز

وقال كريستيانسن إن فقدان الكتلة الناتج عن النواة يحدث عندما يدفع الإشعاع المنبعث من قلب الكوكب الساخن الغلاف الجوي بعيدًا عن الكوكب بمرور الوقت، “وهذا الإشعاع يدفع الغلاف الجوي من الأسفل”.

التفسير الرئيسي الآخر للفجوة الكوكبية، هو التبخر الضوئي، الذي يحدث عندما ينفجر الغلاف الجوي للكوكب بسبب الإشعاع الساخن لنجمه المضيف. وقالت: في هذا السيناريو، “يعمل الإشعاع عالي الطاقة المنبعث من النجم كمجفف شعر على مكعب ثلج”.

في حين يُعتقد أن التبخر الضوئي يحدث خلال أول 100 مليون سنة من عمر الكوكب، يُعتقد أن فقدان الكتلة الناتج عن الطاقة الأساسية يحدث في وقت لاحق بكثير – أي بعد حوالي مليار سنة من حياة الكوكب. وأضاف كريستيانسن: “ولكن مع أي من الآليتين، “إذا لم يكن لديك كتلة كافية، فلن تتمكن من الصمود، وستفقد غلافك الجوي وتنكمش”.

يعرض هذا الرسم البياني تفاصيل الأنواع الرئيسية للكواكب الخارجية. يعمل العلماء على فهم أفضل لـ “فجوة الحجم”، أو الغياب الواضح، للكواكب التي تقع بين الأرض الفائقة والكواكب الفرعية نبتون. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

الكشف عن الأدلة من خلال الملاحظة

في هذه الدراسة، استخدمت تشيتيانسن والمؤلفون المشاركون بيانات من K2 التابعة لناسا، وهي مهمة موسعة لتلسكوب كيبلر الفضائي، للنظر في عنقودي النجوم Praesepe وHyades، اللذان يبلغ عمرهما ما بين 600 مليون إلى 800 مليون سنة. نظرًا لأنه يُعتقد عمومًا أن عمر الكواكب هو نفس عمر نجمها المضيف، فإن الكواكب النبتونية الفرعية في هذا النظام ستكون قد تجاوزت العصر الذي يمكن أن يحدث فيه التبخر الضوئي، ولكنها ليست كبيرة بما يكفي لتعرض لفقدان الكتلة بالطاقة الأساسية.

لذا، إذا رأى الفريق أن هناك الكثير من الكواكب النبتونية الفرعية في برايسيبي وهياديس (مقارنة بالنجوم الأقدم في العناقيد الأخرى)، فيمكنهم استنتاج أن التبخر الضوئي لم يحدث. في هذه الحالة، سيكون فقدان الكتلة الناتج عن الطاقة الأساسية هو التفسير الأكثر ترجيحًا لما يحدث لكتلة نبتون الفرعية الأقل ضخامة بمرور الوقت.

ومن خلال مراقبة برايسيبي وهياديس، وجد الباحثون أن ما يقرب من 100% من النجوم في هذه العناقيد لا تزال تحتوي على نجم فرعي.نبتون كوكب أو كوكب مرشح في مدارهم. انطلاقا من حجم هذه الكواكب، يعتقد الباحثون أنها احتفظت بغلافها الجوي.

يصور هذا الرسم التوضيحي صائد الكواكب الخارجية التابع لناسا، وهو تلسكوب كيبلر الفضائي. وأعلنت الوكالة في 30 أكتوبر/تشرين الأول 2018، أن وقود كيبلر نفد، وأنه سيتقاعد ضمن مداره الحالي والآمن، بعيدا عن الأرض. ترك كبلر إرثًا يضم أكثر من 2600 اكتشاف للكواكب الخارجية. حقوق الصورة: ناسا/ويندي ستينزيل/دانييل روتر

وهذا يختلف عن النجوم الأخرى الأقدم التي رصدها K2 (النجوم التي يزيد عمرها عن 800 مليون سنة)، 25% منها فقط تدور حول نبتونات فرعية. إن العمر الأقدم لهذه النجوم أقرب إلى الإطار الزمني الذي يُعتقد أنه يحدث فيه فقدان الكتلة بالطاقة الأساسية.

ومن هذه الملاحظات، خلص الفريق إلى أن التبخر الضوئي لا يمكن أن يحدث في برايسيبي وهياديس. لو حدث ذلك، لكان قد حدث قبل مئات الملايين من السنين، ولم يبق لهذه الكواكب إلا القليل من الغلاف الجوي، إن وجد. وهذا يجعل فقدان الكتلة الناتج عن النواة هو التفسير الرئيسي لما يحدث على الأرجح للأغلفة الجوية لهذه الكواكب.

البحث المستمر وإرث كيبلر

أمضى فريق كريستيانسن أكثر من خمس سنوات في بناء كتالوج الكوكب المرشح الضروري للدراسة. لكن البحث لا يزال بعيدًا عن الاكتمال، ومن الممكن أن يتطور الفهم الحالي للتبخر الضوئي و/أو فقدان الكتلة بالطاقة الأساسية. ومن المرجح أن يتم اختبار النتائج من خلال الدراسات المستقبلية قبل أن يتمكن أي شخص من الإعلان عن حل لغز هذه الفجوة الكوكبية مرة واحدة وإلى الأبد.

أُجريت هذه الدراسة باستخدام أرشيف الكواكب الخارجية التابع لوكالة ناسا، والذي يديره معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا بموجب عقد مع وكالة ناسا كجزء من برنامج استكشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية، والذي يقع في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا. JPL هو قسم من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

المرجع: “تحجيم K2. سابعا. “دليل على وجود معدل مرتفع لنشوء نبتونات فرعية ساخنة في العصور المتوسطة” بقلم جيسي إل. كريستيانسن، جون ك. زينك، كيفن ك. هارديجري-أولمان، راشيل ب. فرنانديز، فيليب إف هوبكنز، لويزا إم ريبول، كيرستن إم . بولي، جالين جيه. بيرجستن وساكي بوري، 15 نوفمبر 2023، المجلة الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-3881/acf9f9

مهمة كيبلر التابعة لناسا

وفي 30 أكتوبر 2018، نفد وقود كيبلر وأنهى مهمته بعد تسع سنوات، اكتشف خلالها أكثر من 2600 كوكب مؤكد حول نجوم أخرى إلى جانب آلاف المرشحين الإضافيين الذين يعمل علماء الفلك على تأكيدهم.

يدير مركز أبحاث أميس التابع لناسا في وادي السيليكون، كاليفورنيا، مهمتي كيبلر وK2 لصالح مديرية المهام العلمية التابعة لناسا. قام مختبر الدفع النفاث بإدارة تطوير مهمة كيبلر. قامت شركة Ball Aerospace & Technologies Corporation بتشغيل نظام الطيران بدعم من مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء في جامعة كولورادو في بولدر.