امروزه می‌دانیم که سیارات فراخورشیدی یا همان اگزوپلنت‌ها (Exoplanets) در سراسر کهکشان پراکنده‌اند. پس منطقی است که ستاره‌های بسیاری نیز در مرحله‌ی شکل‌گیری این سیارات باشند. شناسایی ستاره‌هایی که در مراحل گوناگون این فرایند قرار دارند، می‌تواند نوری تازه بر درک ما از چگونگی شکل‌گیری سیارات فراخورشیدی بیفکند و حتی سرنخ‌هایی از چگونگی شکل‌گیری سیارات منظومه شمسی خودمان ارائه دهد. اما تعیین این‌که کدام منظومه‌های ستاره‌ای دقیقاً در حال طی کردن این فرایند هستند و در چه مرحله‌ای قرار دارند، کاری بس دشوار است.
مقاله‌ای تازه که در نشریه‌ی Nature Astronomy منتشر شده و حاصل پژوهش‌های «توموهیرو یوشیدا» و همکارانش در رصدخانه ملی نجوم ژاپن و چندین مؤسسه‌ی پژوهشی دیگر در ژاپن و ایالات متحده است، پاسخی مهم برای یکی از رازهای قدیمی در نظریه‌ی شکل‌گیری سیارات یافته است. این راز چیزی نیست جز این پرسش که: چگونه سیارات غول‌پیکر گازی می‌توانند در فاصله‌ای بسیار دور از ستاره‌ی میزبان خود شکل بگیرند؟
چالشی برای نظریه‌های قدیمی
یکی از نمونه‌های شاخص و عجیب این مسئله، منظومه‌ی ستاره‌ای HR 8799 است که دارای سیارات غول‌پیکری در فاصله‌هایی به اندازه‌ی ۲۰ برابر و حتی ۷۰ برابر فاصله‌ی زمین تا خورشید است. وجود چنین سیاراتی در مدارهای دور با مدل رایج شکل‌گیری سیارات یعنی مدل تجمع هسته‌ای (Core Accretion) سازگار نیست.
طبق این مدل، دانه‌های غبار موجود در «دیسک پیش‌سیاره‌ای» به‌تدریج به هم می‌چسبند و اجرام کوچک‌تر به نام «سیاره‌ریز» (Planetesimals) را شکل می‌دهند. این اجرام به‌مرور جرم بیشتری جذب می‌کنند و با افزایش نیروی گرانشی خود، قادر به جمع‌آوری گاز و غبار بیشتری از محیط اطراف می‌شوند و در نهایت سیاره را شکل می‌دهند.
اما در فاصله‌های بسیار دور از ستاره، مشکل بزرگی وجود دارد: چگالی ماده در این نواحی آن‌قدر کم است که برای تشکیل سیارات غول‌پیکر زمان کافی وجود ندارد. زیرا پیش از آنکه این ماده‌ها بتوانند گرد هم آیند و جرمی عظیم تشکیل دهند، یا توسط بادهای ستاره‌ای پراکنده می‌شوند یا به دلیل ناپایداری‌های گرانشی به فضای میان‌ستاره‌ای پرتاب خواهند شد. با وجود این، ما بارها و بارها سیارات عظیمی را در این مدارهای دور مشاهده کرده‌ایم. پس این راز همچنان پابرجاست: این سیارات چگونه شکل می‌گیرند؟
نظریه‌ی ناپایداری گرانشی
برای حل این معما، نظریه‌ی دیگری با عنوان ناپایداری گرانشی (Gravitational Instability) مطرح شده است. بر اساس این مدل، دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای که مواد اولیه‌ی تشکیل سیارات را در خود دارند، در اثر ناپایداری به بخش‌هایی تقسیم می‌شوند. این تقسیم‌بندی به شکل بازوهای مارپیچی بزرگ‌مقیاس در منظومه ظاهر می‌شود، شبیه بازوهای مارپیچی کهکشان‌ها.
اما مشکل اینجاست که وجود بازوهای مارپیچی همیشه نشانه‌ی ناپایداری گرانشی نیست. زیرا عوامل دیگری هم می‌توانند چنین ساختاری ایجاد کنند. برای مثال، وجود سیاره‌ای که از پیش شکل گرفته است می‌تواند با نیروی گرانشی خود دیسک را به‌هم بریزد و بازوهای مارپیچی پدید آورد. بنابراین صرف مشاهده‌ی بازوهای مارپیچی کافی نیست؛ باید بتوانیم علت آن‌ها را تشخیص دهیم.
راه‌حل: بررسی حرکت بازوها
کلید تشخیص علت بازوهای مارپیچی، نحوه‌ی حرکت آن‌ها است. اگر بازوها در اثر ناپایداری گرانشی به‌وجود آمده باشند، باید با سرعتی موسوم به سرعت کپلری محلی حرکت کنند. در این حالت، بخش‌های نزدیک‌تر بازو به ستاره سریع‌تر می‌چرخند و بخش‌های دورتر آهسته‌تر؛ درست مطابق قانون کپلر.
اما اگر بازوها به‌طور صلب و با سرعتی یکسان حرکت کنند، مانند پره‌های یک چرخ دوچرخه، این نشانه‌ای است از آنکه حضور سیاره‌ای موجود باعث شکل‌گیری آن‌ها شده است.
داده‌های هفت‌ساله از آلما
برای مشاهده‌ی تفاوت در حرکت بازوها، باید داده‌هایی از یک سامانه‌ی ستاره‌ای در طول چندین سال وجود داشته باشد. خوشبختانه نویسندگان مقاله چنین داده‌ای یافتند. آنان از چهار سری داده‌ی رادیوتلسکوپ عظیم آرایه میلی‌متری/زیرمیلی‌متری آتاکاما (ALMA) در شیلی استفاده کردند؛ داده‌هایی که در بازه‌ای هفت‌ساله جمع‌آوری شده بودند.
هدف اصلی آن‌ها ستاره‌ای به نام IM Lupi بود.
ستاره‌ی IM Lupi؛ آزمایشگاهی طبیعی
این ستاره در فاصله‌ی حدود ۵۱۵ سال نوری از ما در صورت فلکی «گرگ» (Lupus) قرار دارد. دیسک پیش‌سیاره‌ای آن بسیار بزرگ و دارای بازوهای مارپیچی برجسته است، بنابراین گزینه‌ای عالی برای بررسی ناپایداری گرانشی به شمار می‌رود. افزون بر این، تمام فرضیه‌های جایگزین – مانند سایه‌های ناشی از منظومه‌های دیگر – در این مورد رد شده‌اند.
یوشیدا و همکارانش با استفاده از داده‌های آلما نوعی تصویر متحرک به روش استاپ‌موشن از حرکت بازوهای مارپیچی ساختند. تحلیل آن‌ها نشان داد بازوها واقعاً با سرعت کپلری حرکت می‌کنند، نه به‌صورت صلب.
نخستین مدرک قطعی از ناپایداری گرانشی
این یافته برای نخستین بار مدرک مستقیمی از وقوع ناپایداری گرانشی در دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای فراهم کرد. این نتیجه بدین معناست که چنین ناپایداری‌هایی می‌توانند واقعاً به شکل‌گیری سیارات غول‌پیکر در فاصله‌های بسیار دور از ستاره منجر شوند؛ مسئله‌ای که سال‌ها به‌عنوان یک معمای نظری باقی مانده بود.
البته پژوهش به همین‌جا ختم نمی‌شود. نویسندگان پیشنهاد کرده‌اند که باید مشاهدات بیشتری از IM Lupi با تلسکوپ آلما انجام شود و همچنین اثرات احتمالی «ورود ماده از محیط میان‌ستاره‌ای» (infall) نیز بررسی گردد. این ورود می‌تواند بر شکل‌گیری ساختار دو بازویی اطراف ستاره تأثیر داشته باشد.
گامی به سوی درک بهتر شکل‌گیری سیارات
به‌طور کلی، این مقاله یک گام مهم در مسیر درک شکل‌گیری سیارات فراخورشیدی محسوب می‌شود. همچنین نشان می‌دهد که چگونه فناوری‌های نوین مانند آلما می‌توانند درک ما را از جهان به‌طور بنیادی تغییر دهند. این رادیوتلسکوپ همچنان فعال است و انتظار می‌رود در آینده داده‌های بیشتری برای ستاره‌های دیگر و دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای در مراحل مختلف فراهم آورد.
اما فعلاً، کافی است به زیبایی این تصاویر و عظمت علمی که از دل آن‌ها بیرون آمده است بیندیشیم.
