این بار، پیشرفتهترین تلسکوپ فضایی بشر برای نخستینبار موفق به شناسایی مونوکسید کربنِ فلورسنتِ فرابنفش در یک قرص بقایای پیشسیارهای شده است. افزون بر این، وب ویژگیهایی از این قرص را آشکار کرده که پیامدهای مهمی برای نظریههای شکلگیری سیارات دارند.
ستاره HD ۱۳۱۴۸۸ ستارهای نسبتاً جوان، با سنی در حدود ۱۵ میلیون سال، از زیرگروه «قنطورس–گرگ بالایی» (Upper Centaurus Lupus) است که – مطابق انتظار – در صورت فلکی قنطورس قرار دارد و حدود ۵۰۰ سال نوری از ما فاصله دارد. این ستاره در رده «نوع A اولیه» طبقهبندی میشود؛ به این معنا که هم داغتر و هم پرجرمتر از خورشید ماست. البته این نخستین بار نیست که قرص اطراف این ستاره موضوع پژوهشهای علمی قرار میگیرد.
مطالعات پیشین با استفاده از آرایه میلیمتری/زیرمیلیمتری آلما (ALMA) که در طولموجهای رادیویی فعالیت میکند، وجود مقدار زیادی گاز مونوکسید کربن «سرد» و گردوغبار را در فاصلهای حدود ۳۰ تا ۱۰۰ واحد نجومی (AU) از ستاره نشان داده بودند. همچنین دادههای اولیه فروسرخ از رصدخانه جمینی و تلسکوپ فروسرخ ناسا (IRTF) حاکی از آن بود که احتمالاً در ناحیه درونی قرص، گردوغبار داغ و برخی ویژگیهای حالت جامد وجود دارد. حتی مطالعات نوری نیز نشانههایی از حضور «گاز اتمی داغ» مانند کلسیم و پتاسیم در بخشهای درونی قرص ارائه داده بودند؛ گازهایی که با مونوکسید کربن تفاوت دارند، چراکه CO یک مولکول است، نه یک اتم منفرد.
با این حال، کلید درک واقعی آنچه در بخش درونی این قرص رخ میدهد، در طیف فروسرخ نهفته بود؛ جایی که تلسکوپ جیمز وب میدرخشد – یا دقیقتر بگوییم، جایی که نور اجسام را با دقتی بیسابقه گردآوری میکند. زمانی که وب در فوریه ۲۰۲۳ توجه خود را – احتمالاً تنها برای حدود یک ساعت – به HD ۱۳۱۴۸۸ معطوف کرد، موفق شد مقدار اندکی گاز CO «نسبتاً گرم» را شناسایی کند؛ مقداری که جرمی در حدود یکصدهزارم جرم گاز سرد موجود در قرص بیرونی دارد.
این گاز گرم در فاصلهای میان ۰٫۵ تا ۱۰ واحد نجومی از ستاره پراکنده شده بود و چند ویژگی بسیار جالب از خود نشان میداد. نخست آنکه میان «دمای ارتعاشی» و «دمای چرخشی» این گاز تفاوت چشمگیری وجود داشت. دمای ارتعاشی بیانگر سرعت نوسان اتمها درون یک مولکول است، در حالی که دمای چرخشی نشاندهنده سرعت چرخش مولکولها به دور خودشان است؛ کمیتی که میتوان آن را معادل انرژی جنبشی دانست. در یک گاز معمولی، مانند هوای یک اتاق، این دو دما برابرند، زیرا برخوردهای مداوم میان ذرات باعث میشود سامانه به حالتی موسوم به «تعادل گرمایی موضعی» برسد.
اما در محیط اطراف HD ۱۳۱۴۸۸، این تعادل بهشدت نقض شده است. دمای چرخشی مولکولهای CO حداکثر حدود ۴۵۰ کلوین است (و در فاصلههای دورتر از ستاره حتی تا حدود ۱۵۰ کلوین کاهش مییابد)، در حالی که دمای ارتعاشی آنها به عدد خیرهکننده ۸۸۰۰ کلوین میرسد؛ مقداری که با شدت تابش فرابنفش ستاره میزبان همخوانی دارد. این اختلاف بزرگ نشان میدهد که مولکولها در تعادل گرمایی نیستند و همچنین توضیح میدهد چرا این گاز بهصورت فلورسنت میدرخشد.
اعتبار تصویر: ناسا / آزمایشگاه پیشرانش جت (JPL-Caltech)»
نسبت ایزوتوپی کربن-۱۲ به کربن-۱۳ نیز در این محیط بالاتر از حد معمول برای چنین قرصی اندازهگیری شد. این موضوع نشان میدهد که احتمالاً دانههای گردوغبار درون این ابر رقیق از گاز گرم به دام افتادهاند و بخشی از نور را مسدود میکنند. افزون بر این، برای آنکه CO بتواند الگوی نوری مشاهدهشده توسط وب را گسیل کند، به «شریکهای برخوردی» نیاز دارد؛ یعنی مولکولهای دیگری که با آن برخورد کرده و بخشی از انرژیاش را بگیرند. دو گزینه بهعنوان این شریکها بررسی شدند: هیدروژن و بخار آب. نتایج نشان داد که هیدروژن گزینه کماحتمالتری است، در حالی که بخار آب حاصل از نابودی دنبالهدارها در نزدیکی ستاره بسیار محتملتر به نظر میرسد.
این فرضیه «دنبالهدارهای فراخورشیدی» یا همان اگزودنبالهدارها، یکی از یافتههای کلیدی این پژوهش به شمار میرود. دانشمندان سالهاست که درباره منشأ این دسته نسبتاً نادر از قرصهای بقایای غنی از CO – مانند قرص اطراف HD ۱۳۱۴۸۸ – و چگونگی حفظ گاز در آنها بحث میکنند. دو فرضیه اصلی در این زمینه مطرح بوده است: نخست اینکه این گازها بقایای اولیه از زمان تولد ستاره هستند، و دوم اینکه گاز بهطور مداوم از طریق تخریب دنبالهدارها تأمین و جایگزین میشود.
نتایج این مطالعه بهطور قاطع از فرضیه دوم حمایت میکند. اما پیامدهای این یافته تنها به منشأ گاز محدود نمیشود و به نظریههای شکلگیری سیارات نیز گسترش مییابد. از آنجا که در «ناحیه زمینی» این قرص مقدار قابلتوجهی کربن و اکسیژن، و در عین حال کمبود شدیدی از هیدروژن وجود دارد، هر سیارهای که در این ناحیه شکل بگیرد، دارای «فلزینگی» بالایی خواهد بود؛ یعنی ترکیب آن سرشار از عناصری سنگینتر از هیدروژن است. چنین سیاراتی بهوضوح با سیاراتی که در سحابیهای اولیه غنی از هیدروژن شکل میگیرند تفاوت خواهند داشت.
در نهایت، این کشفیات بیسابقه دقیقاً همان چیزی هستند که تلسکوپ فضایی جیمز وب برای آن طراحی شده است؛ و این تلسکوپ از زمان پرتاب خود تاکنون، بهطور پیوسته چنین دستاوردهایی را ارائه داده است. بیتردید سامانههای ستارهای دیگری مشابه HD ۱۳۱۴۸۸ وجود دارند که میتوانند شواهد بیشتری در مورد قرصهای غنی از CO فراهم کنند. اما در حال حاضر، این پژوهش شواهد محکمی درباره چگونگی شکلگیری این سامانههای نسبتاً نادر در اختیار ما میگذارد و گامی مهم در درک فرآیندهای پیچیده شکلگیری سیارات به شمار میرود.
