یک زوج سیاره ای عجیب، یک مینینپتون و یک مشتری داغ، احتمالا قبل از مهاجرت به ستاره خود و در فاصلهای بسیار دورتر از آن شکل گرفتهاند.
کشف زوج سیاره ای عجیب کهکشان
در سال 2019، اخترشناسان یک زوج سیارهای متفاوت و عجیب را کشف کردند؛ سیارهای هماندازه نپتون که هر چهار روز یکبار به دور ستاره خود میچرخد و یک مشتری داغ که در نزدیکی آن، به دور همان ستاره در گردش است.
طبق نظر اخترشناسان مشتریهای داغی که همدمی در مدار داخلی داشته باشند، بسیار نادر هستند و هر همدمی که در نزدیکی آنها وجود داشته باشد را از مدار خارج میکنند، درنتیجه این زوج سیارهای رفتاری متفاوت دارند. بنابراین یک گروه پژوهشی برای درک بهتر این موضوع که سامانه دوتایی عجیب چگونه شکل گرفته، بررسی آنها با تلسکوپ فضایی جیمز وب را آغاز کرد.
این گروه با استفاده از JWST و مطالعه جو سیاره کوچکتر یعنی TOI-1130b، دریافت که جو این سیاره سرشار از مواد فرار مانند دیاکسید کربن، آب و دیاکسید گوگرد است؛ مولکولهایی که اغلب در اطراف سیاراتی که بسیار دورتر از ستاره قرار دارند، جمع میشوند. برای جمعآوری این مواد، سیاره نپتونمانند احتمالا در فاصلهای دورتر از «خطوط یخی» ستاره خود شکل گرفته؛ خطوط یخی مرزهایی هستند که مشخص میکنند هر ماده فرار در چه فاصلهای منجمد شده و به یخ تبدیل میشود. برای TOI-1130b، خط یخی آب تقریبا در فاصلهای برابر با نصف فاصله زمین تا خورشید قرار دارد.
نحوه شکلگیری زوج سیارهای
طبق مشاهدات تشکیل زوج سیاره ای عجیب به این صورت بوده که بعد از شکلگیری سیاره نپتونمانند در فاصلهای دورتر، بهتدریج به ستاره خود نزدیکتر شده و از میان دیسک پیشسیارهای ستاره یا حلقه ضخیم گاز و غبار که اطراف یک ستاره تازه متولد شده را احاطه میکند، به سمت داخل رفته است. احتمالا مشتری داغ هم که دورتر از ستاره بهوجود آمده، در این مسیر سیاره نپتونمانند را همراهی کرده باشد.
بهگفته چلسی هوانگ (دانشگاه ساوترن کوئینزلند، استرالیا)، از نویسندگان مقالهای درباره شکلگیری این زوج سیارهای و سرپرست تیمی که در سال ۲۰۱۹ این سامانه را کشف کرد، میگوید: «این احتمال، قویترین ایدهای است که تا امروز برای مهاجرت درون دیسک برای هر دو سیاره عنوان شده است.»
جوی سرشار از مواد فرار
TOI-1130b با اندازهای حدود ۳.۵ برابر زمین و جرمی نزدیک به ۲۰ برابر آن، از سوی اخترشناسان «مینینپتون» نامیده میشود. این سیاره، نوعی رایج از سیارات فراخورشیدی است که اندازه بین زمین و نپتون دارد، البته در منظومه شمسی نمونهای از آن نداریم.
هوانگ میگوید: «وقتی با TESS این سامانه را کشف کردیم، فهمیدیم معماری آن بسیار ویژه بوده و فرصت فوقالعادهای برای آزمودن نظریههای مهاجرت سیارهای بهدست آمده است.»
در اوت ۲۰۲۴، این گروه جو TOI-1130b را هنگام عبور آن از مقابل ستارهاش رصد کردند. در زمان گذر، مولکولهای موجود در جو مینینپتون نور ستاره را در طولموجهای مختلف جذب کرده و اثر انگشت منحصربهفرد خود را بر طیف فروسرخ نزدیک، باقی میگذاشتند؛ اثری که اخترشناسان قادر به اندازهگیری آن بودند.
البته باید به این نکته هم اشاره کرد که ثبت دقیق گذر کار چندان سادهای نبود، چراکه مدار این زوج سیاره ای عجیب هماهنگ بود؛ در واقع، مینینپتون در نصف زمانی که مشتری داغ یک دور کامل میزند، به دور ستاره خود میگردد. در نتیجه هر سیاره، اندکی دیگری را کشیده و باعث نوسان آن میشود و همین موضوع، پیشبینی مسیر آنها را سختتر میکند.
نتایج جدید
با ثبت طیف مینینپتون توسط تیم پژوهشی، نتایج جدیدی بهدست آمد. تیم در طیف ثبتشده با جوی سنگین و سرشار از مواد فرار روبهرو شد. این یافته، همراه با ساختار غیرمعمول سامانه، تایید کرد که این سیارات ابتدا باید همزمان با هم و در فاصلهای دورتر شکل گرفته باشند و سپس همراه هم به سمت داخل و بهشکل مارپیچوار حرکت کرده باشند.
اگرچه گاهی تودههای کوچک و سنگریزهمانند مواد فرار میتوانند از خط یخی به سمت داخل رانده شوند، اما مشتری داغ مانع رسیدن چنین ذراتی به مینینپتون میشود. ساوگاتا بارات (MIT)، پژوهشگر پسادکتری و نویسنده اصلی مقاله منتشرشده در The Astrophysical Journal Letters میگوید: « اگر فرض کنیم این سیاره بیرون از خط یخی شکل گرفته باشد، توضیح ویژگیهای آن سادهتر میشود.»
جهانهای مهاجر
به عقیده اخترشناسان، بسیاری از مشتریهای داغ در فاصلهای دورتر از ستاره خود شکل میگیرند. سپس برهمکنشهای گرانشی مدار ستاره را بههم میزند و با شدت به سمت مدارهایی بسیار نزدیکتر به ستاره پرتابشان میکند. در چنین فرایند آشفتهای، سیارات داخلی شانسی برای بقا ندارند و مشتری داغ اغلب آنها را از سامانه بیرون میاندازد. اما در مورد زوج سیاره ای عجیب، واکنش متفاوت است.
طبق نظریهها، این دو سیاره از راه فرآیندی بسیار آرامتر به جایگاه فعلی خود رسیدهاند. برهمکنش با دیسک گاز و غبار اطراف ستاره بهتدریج سرعت آنها را کم کرده و باعث شده آرامآرام و مارپیچوار به سمت داخل حرکت کنند. مدارهای همآهنگ آنها از قبل نشانهای از این مهاجرت آرام بود و کشف جو غنی از مواد فرار در TOI-1130b این ایده را تایید کرد.
بارات میگوید: «طبق تحقیقات وقتی چند سیاره همزمان به درون قرص ستاره مهاجرت میکنند، احتمال گرفتاری آنها در این تعادلهای پایدار وجود دارد»، در واقع اشاره او به مدارهای همآهنگ این دو سیاره است. او در ادامه میگوید: « زمانیکه سیارات به دیسک یا قرص ستاره خود وارد شوند، در تمام طول عمر خود در همان وضعیت باقی میمانند.»
حل معمای شکلگیری مینینپتونها با بررسی رفتار زوج سیاره ای عجیب
این نتیجه به حل یکی از معماهای شکلگیری مینینپتونها نیز کمک میکند. طبق نتایج، این احتمال وجود دارد که بعضی مینینپتونهایی که درون خطوط یخی پیدا شدهاند، همانجا شکل گرفته باشند. آنها بهسرعت بیشتر عناصر سبکتر یعنی هیدروژن و هلیوم را جذب میکنند و سپس سرد و فشرده میشوند. بااینحال، این سیارات در نهایت کوچکتر از TOI-1130b خواهند بود و تنها دو تا سه برابر زمین اندازه خواهند داشت. شکلگیری مینینپتونهای بزرگتر در چنین فاصله نزدیکی نیازمند مهاجرت است.
همچنین رصدهای بیشتر از جو مشتری داغ اطلاعات بیشتری درباره گذشته این جفت سیارهای در اختیار گروه گذاشت. براساس اطلاعات رصدها، مشتری داغ هنگام شکلگیری مواد زیادی جمع میکند، درنتیجه ترکیبات موجود در جو آن بهطور دقیق نشان میدهند که در کدام بخش از قرص در حال شکلگیری بوده است. بارات میگوید: «همین حالا هم مشغول تحلیل دادههای زوج سیاره ای عجیب هستیم.»
جمعیتی از مینینپتونها
به گفته رافائل لوکه از موسسه اخترفیزیک اندلس اسپانیا که در این پژوهش نقشی نداشت، این نتیجه به اخترشناسان امکان میدهد که «ترکیب شیمیایی زیرنپتونها را بهصورت منظم اندازهگیری کنند.»
لوکه هدایت برنامه دیگری با JWST را برعهده دارد که قرار است جو مینینپتونهای بیشتری را در سامانههای چندسیارهای مشابه TOI-1130b، اما در سنین مختلف، بررسی کند. او میگوید: «این بررسی در بازههای سنی مختلف مفید خواهد بود چراکه به درک این موضوع که آیا جو آنها از همان ابتدای تولد تا این اندازه غنی از مواد فرار بوده یا بعدها از طریق فرایندهای شیمیایی مواد فرار بیشتری به دست آوردهاند، کمک میکند.»
بارات هم با تایید این موضوع میگوید: «ما باید این سامانهها را بهعنوان یک جمعیت بررسی کنیم. ما برای نخستین بار سامانهای از این نوع، با یک نپتون داخلی و یک مشتری داغ بیرونی، را مطالعه کردیم و یک سامانه بهتنهایی تمام داستان را مشخص نمیکند.» مطالعه جهانهای بیشتر به گروه کمک میکند میان مینینپتونهایی که نزدیک ستاره خود شکل گرفتهاند و جهانهای مهاجری مانند TOI-1130b تفاوت قائل شوند.
بارات میگوید: «این حوزه با سرعت زیادی در حال پیشرفت است. اما هنوز کارهای زیادی برای انجام باقی مانده است.» در واقع تلاش برای آشنایی با جهان هستی هنوز ادامه دارد.
