سیاره‌ای فراخورشیدی باستانی از جنس «گوی گدازه‌ خیس» دانشمندان را شگفت‌زده کرد

این تصویر شگفت‌انگیز به سیاره‌ای به نام TOI-561 b تعلق دارد؛ جهانی فوق‌العاده داغ از نوع «ابرزمین» که بنا بر پژوهشی تازه به رهبری دانشمندان مؤسسه Carnegie Science، احتمالاً در زیر جوی ضخیم از مواد فرّار، دارای یک اقیانوس جهانی از ماگما است.

TOI-561 b تنها یک سیاره بسیار داغ نیست، بلکه معمایی کهن در اخترفیزیک به شمار می‌رود؛ معمایی که باورهای پیشین ما درباره سیارات فراخورشیدیِ سوزان و نزدیک به ستاره‌هایشان را به چالش می‌کشد. این سیاره به‌قدری به ستاره میزبان خود نزدیک است که هر مدار گردش آن کمتر از ۱۱ ساعت طول می‌کشد. فاصله‌اش از ستاره کمتر از ۱.۶ میلیون کیلومتر است؛ یعنی تنها حدود یک‌چهلم فاصله خورشید تا عطارد. چنین نزدیکی شدیدی باعث شده TOI-561 b در وضعیت «قفل کشندی» قرار بگیرد؛ به این معنا که یک سمت آن همیشه رو به ستاره و غرق در نور و حرارت ابدی است، در حالی که سمت دیگرش در تاریکی همیشگی فرو رفته است. نتیجه، جهانی جهنمی با تضاد حرارتی شدید میان روز و شب است.

نکته‌ای که بیش از همه دانشمندان را شگفت‌زده کرده این است که TOI-561 b somehow توانسته جو خود را برای میلیاردها سال حفظ کند. این در حالی است که تابش بسیار شدید ستاره میزبان، طبق نظریه‌های رایج، باید مدت‌ها پیش جو چنین سیاره کوچکی را از بین برده و آن را به تکه‌سنگی برهنه، گداخته و یا حتی توپی از گدازه تبدیل کرده باشد. نیکول والاک، اخترشناس Carnegie Science، در این‌باره می‌گوید: «بر اساس دانسته‌های ما از دیگر سامانه‌های سیاره‌ای، انتظار می‌رفت سیاره‌ای با این اندازه و این دما نتواند مدت زیادی پس از شکل‌گیری، جو خود را حفظ کند.»

از نظر ابعادی، TOI-561 b حدود دو برابر جرم زمین و نزدیک به ۱.۴ برابر شعاع زمین را دارد. اما ستاره‌ای که این سیاره به دور آن می‌چرخد نیز ویژگی‌های غیرمعمولی دارد. این ستاره بسیار پیر است؛ اندکی کوچک‌تر و خنک‌تر از خورشید، و از نظر شیمیایی فقیر از آهن اما غنی از عناصر آلفا مانند اکسیژن، منیزیم و سیلیسیم. این عناصر در ستارگان بسیار پرجرمِ نخستین جهان ساخته شده‌اند. علاوه بر این، این ستاره در بخش «دیسک ضخیم» کهکشان راه شیری قرار دارد؛ ناحیه‌ای که می‌توان آن را به نوعی «خانه سالمندان ستاره‌ای» تشبیه کرد. مجموعه این ویژگی‌ها نشان می‌دهد که سن این ستاره حدود ۱۰ میلیارد سال است؛ بیش از دو برابر سن خورشید ما.

خود سیاره TOI-561 b نیز از نظر چگالی، رفتاری غیرمنتظره دارد. چگالی آن تنها حدود چهار برابر چگالی آب است که برای یک سیاره سنگی بسیار کم به نظر می‌رسد. یکی از توضیحات ممکن این است که هسته آهنی این سیاره کوچک‌تر از حد انتظار باشد و ترکیب سنگی آن نیز از موادی کم‌چگال‌تر از پوسته زمین ساخته شده باشد. چنین ترکیبی با توجه به زمان شکل‌گیری سیاره، یعنی در دوران اولیه جهان که آهن کمتری وجود داشته، منطقی به نظر می‌رسد. اما احتمال دیگر این است که وجود یک جو ضخیم باعث شده شعاع ظاهری سیاره بزرگ‌تر دیده شود و در نتیجه چگالی محاسبه‌شده آن کمتر از مقدار واقعی باشد.

برای بررسی این فرضیه، پژوهشگران از داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) استفاده کردند. این تلسکوپ به مدت ۳۷ ساعت سامانه TOI-561 را رصد کرد و تقریباً چهار گردش کامل سیاره به دور ستاره‌اش را زیر نظر گرفت. با اندازه‌گیری روشنایی سمت روز سیاره در طول‌موج‌های فروسرخ نزدیک، توسط ابزار NIRSpec جیمز وب، دانشمندان توانستند دمای سطح سیاره را برآورد کنند و از این طریق به وجود یا عدم وجود جو پی ببرند.

اگر TOI-561 b فاقد جو بود، دمای آن باید چیزی در حدود ۲۷۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌بود. اما اندازه‌گیری‌ها نشان داد دمای واقعی آن نزدیک به ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد است؛ عددی به‌مراتب کمتر از مقدار پیش‌بینی‌شده. این اختلاف دما نشان می‌دهد که احتمالاً یک جو در کار است که به‌نوعی سطح سیاره را «خنک‌تر» جلوه می‌دهد. پژوهشگران معتقدند این جو می‌تواند از چند طریق عمل کند: بادهای جوی ممکن است بخشی از گرما را از سمت روشن به سمت تاریک منتقل کنند و همچنین بخار آب و دیگر گازها می‌توانند نور فروسرخ ساطع‌شده از سطح را جذب کنند و باعث شوند دمای اندازه‌گیری‌شده کمتر به نظر برسد.

اما پرسش اصلی همچنان باقی است: TOI-561 b چگونه توانسته چنین جو ضخیمی را برای میلیاردها سال، آن هم در فاصله‌ای به این نزدیکی از ستاره‌اش، حفظ کند؟ تیم پژوهشی پیشنهاد می‌کند که این سیاره به تعادلی میان جو خود و اقیانوس ماگمایی سطحش رسیده باشد. بدون جو، ماگما در سمت تاریک سیاره به‌سرعت منجمد می‌شد؛ اما وجود جو این چرخه را پایدار نگه داشته است.

بر اساس این سناریو، گازها ممکن است از پوسته سیاره به بیرون نشت کرده و جو را تغذیه کنند، در حالی که بخشی از این گازها نیز ناگزیر به فضا می‌گریزند. هم‌زمان، اقیانوس عظیم ماگما می‌تواند مانند یک مخزن عمل کرده و بخشی از این گازها را دوباره به درون سیاره بازگرداند. در این میان، مقدار آهن سیاره نیز ممکن است نقش کلیدی داشته باشد. همان عنصری که در بدن انسان اکسیژن را در گلبول‌های قرمز به دام می‌اندازد، شاید در TOI-561 b نیز با به‌دام‌انداختن مواد فرّار در ماگما یا هسته سیاره، به حفظ جو کمک کند.

پژوهشگران در مقاله خود می‌نویسند: «بر اساس نمونه سیارات سنگی که دمای روشنایی سمت روز آن‌ها اندازه‌گیری شده، به نظر می‌رسد سیاراتی که دمای تابشی آن‌ها از حدود ۲۰۰۰ کلوین فراتر می‌رود، می‌توانند پوشش‌های فرّار خود را سریع‌تر از آن‌که از دست بدهند، دوباره تأمین کنند.» با این حال، آن‌ها تأکید می‌کنند که برای درک دقیق دلیل وجود جو ضخیم در TOI-561 b، به مطالعات نظری و رصدی بیشتری نیاز است.

این سیاره، با گدازه‌های خیس، جو سنگی و گذشته‌ای کهن، اکنون به یکی از جذاب‌ترین آزمایشگاه‌های طبیعی برای فهم چگونگی شکل‌گیری، تکامل و بقای سیارات سنگی در شرایط افراطی کیهانی تبدیل شده است.