در این سامانه، هشت سیاره، پنج سیاره کوتوله که بهطور رسمی به رسمیت شناخته شدهاند، و نزدیک به هزار قمر تأییدشده وجود دارد. این هشت سیاره شامل چهار سیاره سنگی یا زمینسان در بخش درونی منظومه شمسی و چهار غول گازی در ناحیه بیرونی آن هستند. بزرگترین سیاره منظومه شمسی ما مشتری است که شعاع آن حدود ۱۱ برابر و جرم آن حدود ۳۱۸ برابر زمین است. با این حال، کشف سیارات فراخورشیدی در چند دهه اخیر درک ما از اندازه سیارات را دگرگون کرده است، زیرا برخی از آنها چندین برابر مشتری جرم و شعاع دارند. این موضوع پرسشی اساسی را مطرح میکند: یک سیاره تا چه اندازه میتواند بزرگ شود؟ آیا حد و مرزی برای اندازه سیارات وجود دارد؟
اکنون گروهی از دانشمندان از ایالات متحده و کانادا، به سرپرستی پژوهشگرانی از دانشگاه کالیفرنیا در سندیگو، گامی به پاسخ این پرسش نزدیکتر شدهاند. آنها در پژوهشی که بهتازگی در نشریه معتبر Nature Astronomy منتشر شده، به بررسی فرایندهای پیچیده زمینشناختی و زمینشیمیایی پرداختهاند که در شکلگیری سیارات غولپیکر گازی نقش دارند.
مدلهای کلاسیک شکلگیری سیارات مدتهاست پیشنهاد میکنند که غولهای گازی از طریق تجمع تدریجی یخ و سنگ ـ فرایندی که «برافزایش هستهای» نامیده میشود ـ پدید میآیند. در این سناریو، ابتدا هستهای سنگین و جامد شکل میگیرد و سپس گازهای اطراف بهتدریج به آن جذب میشوند و سیارهای عظیم ساخته میشود. اما با وجود پذیرش گسترده این مدل، جزئیات دقیق این فرایند هنوز بهخوبی درک نشده است.
برای بررسی دقیقتر این موضوع، پژوهشگران از تواناییهای قدرتمند James Webb Space Telescope (JWST) استفاده کردند. آنها سه سیاره غولپیکر گازی را در سامانه ستارهای HR 8799 مورد مطالعه قرار دادند. این سامانه در فاصله حدود ۱۳۳ سال نوری از زمین قرار دارد و در مجموع چهار سیاره غولپیکر گازی را در خود جای داده است.
سه سیاره مورد بررسی جرمی بین پنج تا ده برابر جرم مشتری دارند و در فاصلهای بین ۱۵ تا ۷۰ واحد نجومی از ستاره میزبان خود در گردش هستند. برای درک بهتر این مقیاسها، باید بدانیم که یک واحد نجومی (AU) برابر با فاصله متوسط زمین تا خورشید است و مشتری در فاصلهای اندکی بیش از ۵ واحد نجومی از خورشید قرار دارد. بنابراین این سیارات در فاصلههایی بسیار دورتر از ستاره خود نسبت به مشتری از خورشید میچرخند.
ابزارهای پیشرفته تلسکوپ جیمز وب، که در طیف فروسرخ با دقت بسیار بالا کار میکند، امکان بررسی ترکیب شیمیایی و مولکولی جو این سیارات را فراهم کرد. هدف اصلی این تحلیلها، درک بهتر فرایند شکلگیری این غولهای گازی و مقایسه آنها با مشتری و زحل در منظومه شمسی خودمان بود.
در نهایت، پژوهشگران وجود آب، مونوکسید کربن، دیاکسید کربن، متان، مولکولهای حاوی گوگرد و سایر ترکیبات شامل اکسیژن و کربن را در جو این سیارات تأیید کردند. این یافتهها نشان میدهد که این سیارات حاوی عناصری سنگینتر از ستاره میزبان خود هستند؛ موضوعی که بیانگر وجود مقدار قابل توجهی اکسیژن و کربن در ساختار آنهاست. چنین ترکیبی نشان میدهد که این سیارات احتمالاً از طریق فرایندی مشابه مشتری و زحل شکل گرفتهاند.
اما نکته مهمتر این است که نتایج این پژوهش حاکی از تنوع بسیار گستردهتر در اندازهها و ترکیبهای سیارهای نسبت به آن چیزی است که مدلهای قدیمی پیشبینی میکردند. به بیان دیگر، ممکن است سیارات بتوانند در شرایطی شکل بگیرند که پیشتر تصور نمیشد.
دکتر کویین کونوپاکی، استاد نجوم و اخترفیزیک در دانشگاه کالیفرنیا سندیگو و یکی از نویسندگان این مطالعه، میگوید: «مدلهای متعددی برای شکلگیری سیارات وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند. به نظر من، این نتایج نشان میدهد که مدلهای قدیمی برافزایش هستهای دیگر کافی نیستند. در میان مدلهای جدیدتر، ما به سناریوهایی نگاه میکنیم که در آنها غولهای گازی میتوانند هستههای جامد خود را در فاصلههای بسیار دور از ستارهشان تشکیل دهند.»
او ادامه میدهد: «پرسش اساسی این است که یک سیاره تا چه اندازه میتواند بزرگ شود؟ آیا سیارهای با ۱۵، ۲۰ یا حتی ۳۰ برابر جرم مشتری هنوز میتواند از طریق همان فرایند سیارهای شکل گرفته باشد؟ مرز میان شکلگیری یک سیاره و شکلگیری یک کوتوله قهوهای دقیقاً کجاست؟»
کوتولههای قهوهای اجرامی هستند که گاه «ستارگان ناموفق» نامیده میشوند. آنها جرمی بیش از سیارات دارند اما به اندازهای نیستند که بتوانند واکنش همجوشی پایدار هیدروژن را مانند ستارگان آغاز کنند. از این رو، تشخیص اینکه یک جرم عظیم آسمانی سیاره است یا کوتوله قهوهای، همیشه ساده نیست.
یکی از یافتههای برجسته همین پژوهش، شناسایی گوگرد در جو این سیارات بود. این نخستین بار بود که گوگرد در سیارات فراخورشیدی شناسایی میشد و این کشف بازتاب گستردهای در جامعه علمی داشت. وجود گوگرد به اخترشناسان کمک کرد تأیید کنند که چهار جرم موجود در سامانه HR 8799 واقعاً سیاره هستند و نه کوتولههای قهوهای.
این دو کشف مهم ـ هم شناسایی گوگرد و هم درک بهتر از اندازه و ترکیب این سیارات ـ نشان میدهد که چگونه یک پژوهش میتواند همزمان چند پرسش اساسی را پاسخ دهد. چنین نتایجی به دانشمندان کمک میکند تصویر دقیقتری از نحوه شکلگیری و تحول سیارات به دست آورند و در عین حال محدودیتها و چارچوبهای تازهای برای جستوجوی حیات در خارج از زمین فراهم کنند.
اگر سیاراتی با چندین برابر جرم مشتری بتوانند همچنان بهعنوان «سیاره» طبقهبندی شوند و از طریق فرایندهای سیارهای شکل بگیرند، در این صورت تنوع سامانههای سیارهای در کهکشان بسیار بیشتر از آن چیزی خواهد بود که پیشتر تصور میکردیم. این موضوع همچنین میتواند بر درک ما از مناطق قابل سکونت پیرامون ستارگان و حتی احتمال وجود قمرهای قابل زیست پیرامون چنین غولهایی تأثیر بگذارد.
اکنون که ابزارهایی مانند تلسکوپ جیمز وب در اختیار داریم، امکان بررسی دقیقتر ترکیب شیمیایی و ساختار جو سیارات دوردست فراهم شده است. این توانایی بیسابقه به ما اجازه میدهد نهتنها اندازه و جرم آنها را بسنجیم، بلکه تاریخچه شکلگیری و مسیر تکاملشان را نیز بازسازی کنیم.
پرسش درباره بزرگترین اندازه ممکن برای یک سیاره همچنان باز است. شاید در سالهای آینده اجرامی کشف شوند که حتی از نمونههای فعلی نیز بزرگتر باشند و مرز میان سیاره و کوتوله قهوهای را بیش از پیش مبهم کنند. هر کشف تازه میتواند مدلهای نظری را به چالش بکشد و ما را وادار کند تعاریف خود را بازنگری کنیم.
در نهایت، آینده پژوهشهای سیارهای نویدبخش است. با ادامه رصدها و پیشرفت ابزارهای مشاهدهای، احتمالاً در دهههای آینده درک روشنتری از حدود اندازه سیارات، فرایندهای شکلگیری آنها و تنوع بینظیر سامانههای سیارهای در کهکشان به دست خواهیم آورد.
اینکه پژوهشگران در سالها و دهههای آینده چه بینشهای تازهای درباره اندازه سیارات به دست خواهند آورد، هنوز مشخص نیست. اما تاریخ علم نشان داده است که هرچه بیشتر به کیهان نگاه کنیم، با شگفتیهای بیشتری روبهرو میشویم. و همین کنجکاوی و تلاش برای پاسخ به پرسشهای بنیادین است که علم را پیش میبرد.
