کشف آب و متان در جو یک سیاره فراخورشیدی

تلسکوپ فضایی جیمز وب، آب و متان را در جو یک سیاره فراخورشیدی که اصطلاحا «مشتری گرم» نامیده می شود، یافته است.

به گزارش ایسنا به نقل از اسپیس، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) متان و بخار آب را در جو یک دنیای مشتری مانند که در فاصله ۱۶۳ سال نوری از ما قرار دارد، شناسایی کرده است.

تلسکوپ فضایی فروسرخ قدرتمند سازمان ناسا در حالی که این سیاره فراخورشیدی موسوم به WASP- ۸۰ b هر سه روز یک بار به دور ستاره میزبانش می چرخید، این مولکول ها را شناسایی کرد.

ستاره شناسان با استفاده از این تلسکوپ فضایی برای تماشای عبور این سیاره فراخورشیدی از روی ستاره کوتوله سرخ مادر خود که تقریباً هر سه روز زمینی یک بار به دور آن می چرخد، این کشف را انجام دادند.

اخترشناسان تاکنون بخار آب را در اتمسفر حدود ۱۲ سیاره مشاهده کرده اند ، اما کشف متان با استفاده از طیف سنجی مبتنی بر فضا- اگرچه معمولاً در جو جهان های منظومه شمسی مانند مشتری، زحل، اورانوس و نپتون یافت می شود- بسیار نادر بوده است.

این همان کاری است که یک تیم پژوهشی شامل لوئیس ولبنکس و مایکل لاین از دانشکده زمین و اکتشاف فضایی دانشگاه ایالتی آریزونا و تیلور بل پژوهشگر از موسسه تحقیقات محیطی BAERI اکنون با تلسکوپ فضایی جیمز وب انجام داده اند.

ولبنکس می گوید: این اولین باری بود که ما چنین ویژگی طیفی واضحی از متان را با چشمان خود در یک طیف سیارات فراخورشیدی در حال گذر مشاهده می کردیم و چندان بی شباهت به چیزی که نیم قرن پیش در طیف سیارات غول پیکر منظومه شمسی دیده می شد، نبود.

در واقع این اولین بار نیست که جیمز وب متان را در جو یک سیاره کشف می کند. به عنوان مثال ، این تلسکوپ فضایی اوایل سال جاری چنین مولکول هایی را در اطراف یک سیاره فراخورشیدی به نام K۱۲- ۱۸b کشف کرد.

سوزنی در انبار کاه کیهان

سیاره فراخورشیدی WASP- ۸۰ b به عنوان یک سیاره «مشتری گرم» طبقه بندی می شود، زیرا مانند مشتری های به اصطلاح داغ به ستاره مادر خود نزدیک نیست، ولی همچنان از مشتری های به اصطلاح سرد به ستاره میزبان خود نزدیک تر است. گفتنی است که سیاره مشتری اصلی که بزرگ ترين سیاره منظومه شمسی (Solar System) ما و یک غول گازی است که نام این دسته از سیارات از آن وام گرفته می شود، از نظر فنی در واقع یک« مشتری سرد» است.

به دلیل این نزدیکی نسبی، تمایز WASP- ۸۰ b از ستاره کوتوله سرخ آن کار دشواری است و این که این کار انجام شده نشان دهنده توانایی های بالای این تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری است، چرا که در این مورد ، معادل دیدن یک موی انسان از فاصله ۱۴.۵ کیلومتری است.

خوشبختانه اخترشناسان راهی برای مقابله با این چالش دارند. آن ها منتظر ماندند تا WASP- ۸۰ b از مقابل ستاره کوتوله سرخی که به دور آن می چرخد، عبور کند. سپس طیف جمعی مرتبط با این سیاره را مشاهده کردند.

از آنجا که عناصر و مولکول های شیمیایی، نور را در طول موج های مشخص جذب می کنند، با نگاه کردن به طیف های ترکیبی و مقایسه آن با طیف های انفرادی ستاره، نشانه های مشخصی از مولکول های خاص در جو سیاره به نمایش درمی آید.

ولبنکس می گوید: با استفاده از این روش گذر، هنگامی که سیاره در مقابل ستاره خود حرکت کرد، منظومه را مشاهده کردیم که باعث شد نور ستاره ای که می بینیم کمی کم شود. این شبیه به زمانی است که شخصی از مقابل یک لامپ عبور می کند و نور آن کم می شود.

وی افزود:در این مدت، حلقه نازکی از جو سیاره در اطراف مرز روز/شب سیاره توسط ستاره روشن می شود و در رنگ های خاصی از نور که مولکول های موجود در جو سیاره نور را جذب می کنند، جو ضخیم تر به نظر می رسد. و نور ستاره بیشتری را مسدود می کند و در مقایسه با سایر طول موج هایی که جو شفاف بنظر میرسد، تیرگی عمیق تری ایجاد می کند.

او افزود: این روش به دانشمندانی مانند ما کمک می کند با دیدن اینکه کدام رنگ های نور مسدود شده اند، بفهمیم جو سیاره از چه ساخته شده است.

ولی پژوهشگران به همین جا بسنده نکردند. آن ها از روش دیگری هم برای سنجش جو WASP- ۸۰ b استفاده کردند.

در حین شکار متان، گرم تر می شود

سیاره WASP- ۸۰ b مانند تمام سیارات دیگر، مقداری از نور خود را به شکل تابش گرمایی ساطع می کند و هم طول موج و هم شدت این نور به دمای سیاره بستگی دارد.

نزدیکی سیاره WASP- ۸۰ b به ستاره اش، دمای سطح آن را به ۵۵۲ درجه سانتیگراد می رساند. این در مقایسه با دمای معمولی یک مشتری داغ (۱۱۷۷ درجه سانتیگراد) و دمای سرد مشتری ما با دمای منفی ۱۴۸ درجه سانتی گراد در حد وسط قرار می گیرد.

مشتری های گرم و داغ به صورت کشندی در مدار ستارگان خود قفل میشوند، به این معنی که آن ها دارای سمت های روز دائمی و گرم تر هستند که همیشه رو به ستاره است و یک نیمه ی همیشه شب نیز دارند که همیشه رو به فضا و خنک تر است.

قبل از اینکه سیاره WASP- ۸۰ b از مقابل ستاره خود عبور کند ، سمت روز آن هم به سمت ستاره و هم به سمت زمین است، به این معنی که با اندازه گیری افت نوری که از ستاره در طول کسوف می آید، نور فروسرخ که از سیاره در نتیجه گسیل های حرارتی آن می آید، آشکار می شود. این به ستاره شناسان« طیف خورشید گرفتگی» با الگوهای جذب نور متصل به مولکول های موجود در جو سیاره می دهد که این الگوها به نوعی به عنوان کاهش نور ساطع شده از سیاره در طول موج های خاص ظاهر می شوند.

بهترین از هر دو جهان

ترکیب داده های کسوف و گذر به تیم این امکان را داد تا ببینند چه مقدار نور توسط جو WASP- ۸۰ b در طول موج های مختلف مسدود و منتشر شده است. سپس پژوهشگران از دو مدل مختلف برای شبیه سازی جو سیاره ای مانند WASP- ۸۰ b در شرایط متلاطم مشتری گرم استفاده کردند.

یک مدل، سختگیرانه بود که فیزیک و شیمی موجود را برای تعیین سطوح متان و آب که از چنین جهانی می توان انتظار داشت، محاسبه می کرد. مدل دیگر انعطاف پذیرتر بود و میلیون ها ترکیب مختلف از متان و آب فراوان و دما را برای یافتن دستور العملی که به بهترین وجه با داده ها مطابقت دارد، امتحان کرد. مقایسه داده های گذر و کسوف با هر دو مدل، پژوهشگران را به یک نتیجه واضح و یکسان هدایت کرد.

آن ها اعلام کردند که بطور قطع متان در جو WASP- ۸۰ b وجود دارد.

مایکل لاین توضیح داد:قبل از جیمز وب، متان برخلاف انتظارات مبنی بر اینکه می توانست با تلسکوپ فضایی هابل در چند سیاره شناسایی شود، یافت نشد. این فقدان ردیابی ها باعث ایجاد انبوهی از ایده ها از کمبود ذاتی کربن گرفته تا تخریب فتوشیمیایی آن و اختلاط عمیق گاز متان شده بود.

گام بعدی این است که بررسی کنیم که ترکیب شیمیایی WASP- ۸۰ b میتواند به دانشمندان در مورد ویژگی ها، تاریخچه شکل گیری و تکامل این سیاره فراخورشیدی که مربوط به فراوانی متان و آب است، شناخت دهد.

چنین مطالعاتی به این تیم اجازه می دهد تا چیزهایی مانند نسبت کربن اتمسفر به اکسیژن را نیز استنباط کند. این نسبت، چیزی است که دقیقاً بر اساس مکان شکل گیری سیاره در اطراف یک ستاره متفاوت است. این میتواند آشکار کند که آیا WASP- ۸۰ b در جایی که اکنون نشسته تشکیل شده است یا اینکه قبل از مهاجرت به سمت ستاره اش در فاصله ای دورتر متولد شده است.

این تیم همچنین جو مشتری های گرم خارج از منظومه شمسی را با اتمسفر سیاراتی که به دور خورشید می چرخند، مقایسه خواهد کرد و نمونه ها و داده های جمع آوری شده توسط ماموریت های فضایی را که قبلا از مشتری و زحل بازدید کرده اند ، به کار می گیرد.

ولبنکس در پایان گفت: متان نه تنها گاز مهمی در ردیابی ترکیبات جوی و شیمی در سیارات غول پیکر است، بلکه فرض بر این است که در ترکیب با اکسیژن، نشانه ای از زیست شناسی باشد. یکی از اهداف کلیدی مأموریت بعدی ناسا پس از جیمز وب موسوم به «رصدخانه جهان های قابل سکونت»، جستجوی گازهایی مانند اکسیژن و متان در سیارات زمین مانند در اطراف ستاره های خورشیدمانند است.

این پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.

369852