این تصور که منظومه شمسی ما نماینده‌ای از دیگر منظومه‌هاست، در عصر کشف سیارات فراخورشیدی دوام نیاورد. تلسکوپ‌های کپلر و TESS به ما نشان دادند که حتی رایج‌ترین نوع سیاره، یعنی زیر-نپتونی‌ها (Sub-Neptunes)، در منظومه شمسی ما وجود ندارند. این سیارات برای دانشمندان سیاره‌ای یک معما هستند، و اکنون تلسکوپ جیمز وب (JWST) در حال کمک به حل این معماست.
زیر-نپتونی‌ها سیاراتی هستند که شعاع آن‌ها بزرگ‌تر از زمین ولی کوچک‌تر از نپتون است. بیشتر آن‌ها دارای جو مه‌آلود هستند و مشاهده‌شان دشوار است. اما توانایی JWST در مشاهده فروسرخ، به دانشمندان سیارات فراخورشیدی کمک می‌کند تا این جهان‌های پرشمار را بهتر درک کنند.
منشأ این سیارات همچنان ناشناخته است و درک دلیل فراوانی آن‌ها یکی از پرسش‌های کلیدی در علم سیارات فراخورشیدی محسوب می‌شود. نه‌تنها تعداد زیادی از آن‌ها یافت شده، بلکه ستاره‌ای نیز کشف شده که شش زیر-نپتونی به دور آن می‌چرخند.
بیشتر زیر-نپتونی‌ها به دور کوتوله‌های قرمز (ستارگان M-type خنک و کوچک) گردش می‌کنند. اما سیاره‌ای به نام TOI-421b به دور یک ستاره نوع G ــ شبیه خورشید ــ می‌گردد. دمای این سیاره اهمیت زیادی دارد، چرا که چند صد درجه فارنهایت بالاتر از آستانه‌ی دمایی‌ای است که در آن واکنش‌های شیمیاییِ تولید مه رخ می‌دهد، و این آن را به هدفی جذاب برای JWST تبدیل کرده است.
پژوهشی جدید در Astrophysical Journal Letters با عنوان «TOI-421 b: یک زیر-نپتونی داغ با جوی شفاف و سبک» نتایج مشاهدات JWST را ارائه می‌دهد. نویسنده‌ی اول، برایان داونپورت، دانشجوی دکتری در دانشگاه مریلند است و الیزا کمپتون، همکار وی و پژوهشگر اصلی پروژه، نیز از همین دانشگاه است.
الیزا کمپتون می‌گوید: «تمام دوران کاری‌ام را منتظر وب بودم تا بتوانیم جو این سیارات کوچک‌تر را به‌درستی بررسی کنیم. با مطالعه جو آن‌ها، درک بهتری از چگونگی شکل‌گیری و تحول زیر-نپتونی‌ها پیدا می‌کنیم؛ و بخشی از آن، فهمیدن این است که چرا این سیارات در منظومه شمسی ما وجود ندارند.»
دانشمندان علاقه‌مندند بدانند چرا این نوع سیاره‌ها در منظومه شمسی دیده نمی‌شوند، زیرا پاسخ این پرسش به فرآیند شکل‌گیری آن‌ها برمی‌گردد. یکی از ویژگی‌های معماگونه جمعیت سیارات فراخورشیدی، «شکاف شعاعی» یا «دره شعاعی» است: تعداد سیاراتی با اندازه بین ۱.۵ تا ۲ برابر زمین بسیار اندک است؛ بیشتر سیارات یا کوچک‌تر (سوپر-زمین‌ها) هستند یا بزرگ‌تر (زیر-نپتونی‌ها). گمان می‌رود که سیاراتی که در ابتدا در این بازه شکل می‌گیرند، به دلیل تابش ستاره‌ای جو خود را از دست می‌دهند و به سوپر-زمین تبدیل می‌شوند.
اعتبار تصویر: فولتون و همکاران، ۲۰۱۷
زیر-نپتونی‌ها نسبت به سایر سیارات فراخورشیدی مشاهده‌پذیری دشوارتری دارند. پیش از JWST، اطلاعات اندکی درباره آن‌ها وجود داشت. طیف‌سنجی‌ها نشان می‌داد که طیف عبوری آن‌ها صاف و بدون ویژگی خاص است، یعنی اثر شیمیایی قابل شناسایی در آن‌ها دیده نمی‌شد. این باعث شد دانشمندان نتیجه بگیرند که جو این سیارات از مه و ابرهای ضخیم پوشیده شده است.
کمپتون و همکارانش در پیشنهاد پژوهشی خود برای JWST نوشتند: «گمان قوی وجود دارد که مه‌های شیمیایی‌نوری (فتوشیمیایی) عامل طیف‌های محو هستند. این مه‌ها معمولاً در بازه دمایی خاصی (زیر ۸۵۰ کلوین) شکل می‌گیرند. بنابراین انتظار می‌رود سیاراتی با دمای بالاتر، جوی شفاف داشته باشند که برای بررسی جو بسیار مناسب‌اند. بر همین اساس، ما طیف عبوری TOI-421b را بررسی کردیم، زیرا این سیاره داغ‌ترین زیر-نپتونی است که انتظار می‌رود فاقد مه باشد.»
TOI-421b با دمای بالایش فرصتی فراهم کرد تا دیدی بهتر نسبت به زیر-نپتونی‌ها به‌دست آید.
اعتبار تصویر: ناسا، سازمان فضایی اروپا (ESA)، آژانس فضایی کانادا (CSA)، جوزف اولمستد (مؤسسه تلسکوپ فضایی STScI)
کمپتون می‌گوید: «ما این سیاره را رصد کردیم، چون احتمال می‌دادیم فاقد مه باشد. شواهد قبلی نشان می‌دادند که سیارات با دمای بالاتر، کمتر تحت تأثیر مه و ابر قرار می‌گیرند.»
JWST موفق شد طیفی از جو این سیاره ثبت کند.
برایان داونپورت، نویسنده اول مقاله می‌گوید: «ما ویژگی‌هایی در طیف دیدیم که به گازهای مختلف مربوط می‌شد و همین به ما امکان داد ترکیب جو را تعیین کنیم. در حالی که در دیگر زیر-نپتونی‌ها جوشان از مه پوشیده شده و اجازه چنین بررسی‌ای را نمی‌دهد.»
نتایج JWST دانشمندان را شگفت‌زده کرد، زیرا نشان داد جو TOI-421b حاوی مقدار زیادی هیدروژن است.
کمپتون می‌گوید: «ما تازه با این ایده کنار آمده بودیم که زیر-نپتونی‌های قبلی دارای جو سنگین هستند، اما حالا خلافش را دیدیم.» این یافته نشان می‌دهد که TOI-421b احتمالاً مسیر شکل‌گیری متفاوتی نسبت به زیر-نپتونی‌های خنک‌تر داشته است.
یافته‌ها نشان می‌دهند که ترکیب جو این سیاره بسیار شبیه ترکیب ستاره مادر آن است.
کمپتون می‌گوید: «اگر همان گازی که ستاره را ساخته برداریم و به سیاره‌ای با دمای پایین‌تر منتقل کنیم، همین ترکیب به‌دست می‌آید. این فرآیند بیشتر شبیه چیزی است که در سیارات غول‌پیکر منظومه شمسی می‌بینیم، نه زیر-نپتونی‌هایی که تاکنون JWST بررسی کرده.»
در پایان مقاله، نویسندگان درباره پیامدهای این یافته‌ها بحث می‌کنند. دانشمندان معتقدند که زیر-نپتونی‌ها و سوپر-زمین‌ها هر دو به‌صورت هسته‌های سنگی تشکیل می‌شوند که جو هیدروژنی از سحابی خورشیدی جذب می‌کنند. پرتوهای ستاره‌ای ممکن است بخشی از جو آن‌ها را بزداید. اگر هسته سیاره به‌اندازه کافی بزرگ باشد، جو خود را حفظ می‌کند (زیر-نپتونی می‌شود) و اگر نه، جو را از دست می‌دهد و به سوپر-زمین تبدیل می‌شود. این فرآیند می‌تواند دلیل وجود شکاف شعاعی باشد.
نویسندگان می‌نویسند: «این یافته‌ها همراه با تخمین ما از وجود ~۱٪ جرم هیدروژن/هلیوم در جو TOI-421b، نشان می‌دهند که این سیاره دارای جوی ابتدایی است ــ مطابق با پیش‌بینی‌هایی که شکاف شعاعی را نتیجه فرآیندهای از دست دادن جرم می‌دانند.»
همچنین اشاره می‌کنند: «تفاوت‌های جالب میان ویژگی‌های جو TOI-421b و دیگر زیر-نپتونی‌هایی که به دور ستارگان سردتر از نوع K و M می‌چرخند، نشان می‌دهد که نیاز به مطالعه بیشتر این نوع سیارات وجود دارد.»
این نتایج پرسش‌هایی جدید را مطرح می‌کنند: آیا دیگر زیر-نپتونی‌های داغ که به دور ستاره‌هایی شبیه خورشید می‌چرخند نیز چنین ویژگی‌هایی دارند؟ یا TOI-421b موردی خاص است؟ تنها راه پاسخ به این پرسش‌ها، مشاهدات بیشتر است.
داونپورت می‌گوید: «ما راهی تازه برای مطالعه زیر-نپتونی‌ها پیدا کرده‌ایم. این سیارات داغ برای بررسی جو مناسب‌اند، و مطالعه آن‌ها می‌تواند سرعت درک ما را از این دنیاهای فراخورشیدی افزایش دهد.»
