كيف يمكنك دراسة كوكب خارجي غير مرئي؟ اكتشف علماء الفلك “بصمات” الكواكب في الحلقات المحيطة بالنجوم

كيف تزن كوكبًا لا يمكنك رؤيته من على بعد عدة سنوات ضوئية؟ قد يكون لدى علماء الفلك الإجابة، وهي تتضمن “القراءة بين الحلقات”، والمعروفة أيضًا باسم الهياكل الغبارية الجميلة والمشرقة التي تخلقها الكواكب الخارجية حديثة الولادة حول نجومها الصغيرة.

تولد الكواكب بشكل عام من الغبار والغاز والشظايا الصغيرة التي تسمى “الكواكب المصغرة” والتي تحيط بالشباب النجوم. ونتيجة لذلك، في شبابها النسبي، تم العثور على هذه العوالم لا تزال مدمجة في هذه المادة الولادة التي تدور في هياكل تشبه الصفائح تسمى الأقراص الكوكبية الأولية. ومع ذلك، فقد كشفت الملاحظات الأخيرة أنه عندما تدور هذه الكواكب الخارجية الناشئة حول نجومها الأم، فإنها تحفر أيضًا ممرات في هذا القرص من الغاز والغبار.

في حين تم استخدام هذه الحلقات لتحديد وجود الكواكب الخارجية حول النجوم، يقترح هذا البحث الجديد طريقة لاستخدام تلك الأخاديد لتقييم خصائص الكواكب الخارجية أيضًا.

وقالت قائدة الفريق أمينة فاروقي من مجموعة علم الفلك والفيزياء الفلكية بجامعة وارويك في المملكة المتحدة: “لقد فهمنا منذ فترة طويلة أن الحلقات يمكن أن تنشأ من الغبار المركز الذي يتراكم خارج مدار الكواكب الصغيرة المدمجة، لكننا لم نتمكن حتى الآن من ربط ميزات هذه الحلقات بكتل الكواكب”. إفادة. “من خلال قراءة ما بين الحلقات، وجدنا الآن طريقة لإعادة بناء كتل الكواكب التي تشكل الحلقات، حتى عندما تكون تلك الكواكب باهتة جدًا أو مغروسة جدًا بحيث لا يمكن مراقبتها بشكل مباشر.

“هذه الحلقات الساطعة ليست مجرد هياكل جميلة، بل هي في الأساس بصمات كوكبية.”

التحقيق في نظام نجمي مترب

تضمنت الخطوة الأولى التي اتخذها فاروقي وزملاؤه استخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية لتقييم كيفية إنشاء كتل الكواكب الخارجية لأشكال مميزة للحلقات في أقراص الكواكب الأولية. واكتشفوا أن عرض حلقات الغبار وموقع النقطة الأكثر سطوعًا في تلك الحلقة هما المفتاح في تقييم خصائص الكواكب الخارجية المغطاة.

ومن المثير للاهتمام أن العلاقة بين كتلة الكوكب وذروة سطوع حلقة الغبار التي يخلقها تظل ثابتة بغض النظر عن السبب الطول الموجي من الضوء الذي يتم تصوير النظام فيه، بغض النظر عن حجم حبيبات الغبار الموجودة في الحلقة. وهذا يعني أن علماء الفلك لا يحتاجون إلى معرفة الظروف الدقيقة المحيطة بالنجم الوليد لتقييم كتلة كواكبه الخارجية.

اختبر العلماء تقنيتهم ​​الجديدة من خلال تطبيقها على نظام كوكبي يقع على بعد حوالي 370 سنة ضوئية يسمى PDS 70، والذي كان علماء الفلك يدرسونه بالتعاون مع مرصد الكواكب الخارجية. مصفوفة أتاكاما الكبيرة المليمترية/تحت المليمترية (ALMA)، وهي مجموعة مكونة من 66 هوائيًا راديويًا تقع في شمال تشيلي.

وقالت جيسيكا سبيدي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في البيان: “إحدى نقاط القوة في هذا العمل هو أنه لا يبقى في عالم النظرية، فقد تمكنا من أخذ نتائج المحاكاة هذه وتطبيقها مباشرة على أنظمة حقيقية مرصودة”. “إن استخدام نظام PDS 70 كمختبر مراقبة على وجه الخصوص قد أتاح التحقق الحقيقي من هذا النهج، مما يمنحنا الثقة في أن هذه الأساليب جاهزة حقًا للتطبيق على نطاق واسع في أقرب وقت ممكن.”

كان PDS 70 موضوع اختبار مفيدًا للفريق لأنه يمتلك على الأقل كوكبين خارجيين، PDS 70 b وPDS 70 c، وقد تم تصويره مباشرة. قدمت هذه التقنية كتلة تقديرية لـ PDS 70 c بما يتماشى مع التقديرات الحالية بحوالي 7.5 أضعاف كتلة المشتري. قدمت نتائج الفريق أيضًا بعض الأفكار المدهشة حول العمليات التي تحيط بتكوين الكواكب، فضلاً عن إثارة الأسئلة التي سيحرص علماء الفلك على الإجابة عليها.

وقال رالف بودريتز من قسم الفيزياء وعلم الفلك في جامعة ماكماستر في البيان: “النتيجة المذهلة الأخرى لعمليات المحاكاة هي أنه في الأقراص النموذجية، يمكن للكواكب المتشكلة ذات الكتلة الأكبر أن تحبس ما يصل إلى 20 مرة كتلة الأرض من الغبار داخل هذه الحلقات”. “يؤكد هذا ملاحظات ALMA – ولكنه يثير التساؤل حول سبب عدم اكتشاف كواكب جديدة في الغبار والحصى المحصورين في الحلقة. وتشير نتائجنا إلى أن الغبار وفير بما فيه الكفاية ومركز بما يكفي لبدء تكوين الكوكب. هذه فكرة مهمة ستؤدي إلى مزيد من الملاحظات والنظريات.”

في نهاية المطاف، يمكن لهذه التقنية الجديدة وقدرتها على دراسة أنظمة الكواكب الناشئة أن تساعدنا أيضًا في فهم كيفية تشكل نظامنا الكوكبي منذ حوالي 4.6 مليار سنة.

وقالت عضوة الفريق فرزانا ميرو من قسم الفيزياء في جامعة وارويك: “أكثر ما يثير اهتمامي هو التوقيت. مع قيام ALMA بتقديم صور قرصية مفصلة بشكل متزايد، والمرافق المستقبلية التي تلوح في الأفق، لم تكن هناك لحظة أفضل لتطوير هذه الأساليب”. “إن الجمع بين تشخيصاتنا المعتمدة على الغبار وملاحظات ضغط الغاز سيفتح نافذة جديدة قوية على الكواكب المخفية التي تشكل هذه الأقراص والأنظمة الكوكبية المتنوعة التي ستشكلها.”

تم نشر بحث الفريق يوم الخميس (28 مايو) في مجلة الفيزياء الفلكية.