WASP-121b سیارهای فراخورشیدی، بسیار بزرگ و بهشدت داغ است که در فاصلهی ۸۸۰ سال نوری از زمین قرار دارد. این سیاره یک غول گازی شبیه مشتری است، اما فاصلهی بسیار نزدیکی با ستارهی خود دارد.
ستارهشناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا جوّ این سیاره را مورد بررسی قرار دادند و به یافتههایی شگفتانگیز رسیدند.
وجود غیرمنتظرهی متان و دیگر گازها در نیمکرهی شب این سیاره نشان میدهد که WASP-121b احتمالاً در نواحی سرد و دوردست منظومهی جوان خود شکل گرفته و سپس به نزدیکی ستاره مهاجرت کرده است.
WASP-121b چگونه شکل گرفته است؟
سیارات غولپیکر در اطراف بسیاری از ستارگان دیده میشوند، اما برخی از آنها آنقدر به ستارهی خود نزدیک هستند که به آنها «مشتریهای داغ» گفته میشود. برای درک چگونگی شکلگیری این نوع سیارات، تیمی بینالمللی از ستارهشناسان به رهبری پژوهشگرانی از مؤسسهی ماکس پلانک آلمان و دانشگاه نیوکاسل استرالیا، با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب، به بررسی دقیق WASP-121b پرداختند. در تاریخ ۱۲ خرداد ۱۴۰۴، آنها اعلام کردند که کشف متان و مونوکسید سیلیکون در جو این سیاره نشان میدهد که ابتدا در فاصلهای دورتر از ستاره، جایی مشابه جایگاه سیارات غولپیکر منظومهی شمسی مانند مشتری و زحل، شکل گرفته و سپس به مدار نزدیکتری مهاجرت کرده است.
WASP-121b بسیار نزدیک به ستارهاش میچرخد؛ بهطوریکه فاصلهاش حدود دو برابر قطر ستاره است. این سیاره در کمتر از ۳۰٫۵ ساعت یک دور کامل به دور ستارهاش میچرخد و بهصورت مدّ قمرگرفتگی (tidally locked) است؛ یعنی همیشه یک طرف آن رو به ستاره است. این وضعیت باعث میشود یک نیمکرهی آن همیشه روز (و بسیار داغ) و نیمکرهی دیگر همیشه شب (و با وجود خنکتر بودن، باز هم داغ) باشد.
WASP-121b نخستینبار در سال ۲۰۱۶ کشف شد. این سیاره به دور یک ستارهی نوع F میگردد که کمی بزرگتر و داغتر از خورشید ماست. شعاع این سیاره ۱٫۸ برابر مشتری و فاصلهاش از ما ۸۸۰ سال نوری است.
نتایج این پژوهشها در دو مقالهی داوریشده در ژورنال نیچر اخترشناسی (Nature Astronomy) و ژورنال اخترشناسی (The Astronomical Journal) در تاریخ ۱۲ خرداد ۱۴۰۴ منتشر شد.
مشاهدات تلسکوپ جیمز وب
پژوهشگران برای بررسی WASP-121b از ابزار طیفسنج فروسرخ نزدیک (NIRSpec) تلسکوپ جیمز وب استفاده کردند. این تلسکوپ، سیاره را در حالی که یک دور کامل به دور ستارهاش میچرخید رصد کرد و جو آن را هنگام عبور از مقابل ستاره (از دید زمین) تحلیل کرد. هدف این بود که بفهمند این سیاره در کجا و چگونه شکل گرفته: آیا همیشه نزدیک به ستارهاش بوده یا ابتدا در فاصلهای دورتر به وجود آمده است؟
وب موفق شد مولکولهایی مانند بخار آب، مونوکسید کربن، مونوکسید سیلیکون و متان را در جو این سیاره شناسایی کند. نسبت بالای کربن به اکسیژن نیز از دیگر یافتههای مهم بود. دمای بالای سطح سیاره نیز نقش مهمی در ترکیب شیمیایی جو آن دارد.
توماس ایوانز-سوما، نویسندهی اصلی مقالهی منتشرشده در Nature Astronomy و اخترشناس دانشگاه نیوکاسل، گفت:
دمای نیمکرهی روز بهقدری بالاست که مواد مقاوم به حرارت – که معمولاً بهصورت جامد باقی میمانند – به شکل گاز در جو سیاره دیده میشوند.
توماس ایوانز-سوما نویسنده اصلی مطالعه منتشرشده در مجله نیچر اخترشناسی است. او یک اخترشناس در دانشگاه نیوکاسل استرالیا است و با مؤسسه اخترشناسی ماکس پلانک (MPIA) نیز همکاری دارد. تصویر از: تام ایوانز-سوما.
سرنخهایی از زادگاه WASP-121b
برای یافتن سرنخهای بیشتر از منشأ این سیاره، پژوهشگران به بررسی فراوانی ترکیباتی پرداختند که در دماهای مختلف بخار میشوند. سیریل گَپ، نویسندهی اصلی مقالهی دوم، میگوید:
مواد گازی نسبت به مایعات و جامدات راحتتر شناسایی میشوند. از آنجا که ترکیبات شیمیایی بسیاری به شکل گاز وجود دارند، ما از WASP-121b بهعنوان یک آزمایشگاه طبیعی برای بررسی ویژگیهای جوّ سیارات استفاده میکنیم.
ترکیب شیمیایی کلی WASP-121b نشان میدهد که این سیاره در ناحیهای سرد و دوردست از منظومهی نوبنیاد خود شکل گرفته است؛ جایی که آب بهصورت یخ وجود داشت، اما دما برای تبخیر و بقای متان بهشکل گاز کافی بود. چنین منطقهای در منظومهی شمسی ما جایی میان مشتری و اورانوس قرار میگیرد.
سیریل گپ نویسنده اصلی مطالعه جدید منتشرشده در مجله اخترشناسی است. او دانشجوی دکتری در مؤسسه اخترشناسی ماکس پلانک (MPIA) میباشد. تصویر از: MPIA.
WASP-121b چگونه بهوجود آمد؟
این سیاره از اجرام کوچک یخی، مانند ذرات یخ آب و یخ متان (پلانتیسیمالها) شکل گرفته است که در دیسک پیشسیارهای شروع به چسبیدن به یکدیگر میکنند. در نهایت این ذرات به اندازههای سانتیمتری تا متری رشد کرده و سپس با جذب ذرات بیشتر، هستههای سیاراتی مانند WASP-121b را شکل میدهند. این فرآیند در فاصلهای دور از ستاره، مشابه جایگاه مشتری و زحل در منظومهی ما اتفاق میافتد. اما بعدها نیروی اصطکاک باعث میشود این ذرات بهتدریج به سمت ستاره حرکت کنند. یخهای درون این ذرات در نزدیکی ستاره تبخیر میشوند، اما در مورد WASP-121b، فقط یخ متان بخار شده و یخ آب باقی مانده است. این موضوع باعث میشود اکسیژن در ذرات یخ قفل بماند و نسبت کربن به اکسیژن در جو افزایش یابد.
تصویر هنری از یک سیاره فراخورشیدی عظیم و بسیار داغ به نام WASP-121b، زمانی که جوانتر بود و هنوز در فاصله دوری از ستارهاش به دور آن میچرخید. فضای خالی نشاندهنده جایی است که سیاره مدار خود را از سنگریزهها پاک کرده است. این سیاره بعدها به سمت ستارهاش نزدیکتر شد و تبدیل به یک مشتری داغ شد. تصویر از: تی. مولر (MPIA/ HdA) / مؤسسه اخترشناسی ماکس پلانک (MPIA) (با مجوز CC BY-SA 4.0).
معمای متان
پژوهشگران انتظار نداشتند مقدار زیادی متان در جو WASP-121b پیدا کنند، چون در دمای بسیار بالای نیمکرهی روز، متان ناپایدار است و باید تجزیه شود. گازها بین نیمکرهی روز و شب باید با یکدیگر ترکیب شوند و انتظار نمیرفت که نیمکرهی شب هم متان زیادی داشته باشد. تلسکوپ جیمز وب هیچ نشانهای از متان در ناحیهی انتقالی میان روز و شب پیدا نکرد. سیریل گپ گفت:
طیف انتقالی که بهدست آمد، وجود سیلیکون مونوکسید، مونوکسید کربن و آب را که در دادههای تابشی دیده شده بودند، تأیید کرد. اما هیچ نشانهای از متان در منطقهی بین روز و شب نیافتیم.
با این حال، در نیمکرهی شب WASP-121b مقدار زیادی متان وجود دارد. این یافته، مدلهای پویایی سیارات فراخورشیدی را به چالش میکشد و احتمالاً باید اصلاح شوند تا بتوانند چنین آمیختگی عمودی قوی گازها را که در نیمکرهی شب این سیاره مشاهده شده، بازتولید کنند.
دانشجوی دکتری ژئوفیزیک گرایش لرزه شناسی هستم. ژئوفیزیک به بررسی ابعاد زمین و اتفاقاتی مانند زلزله و لرزه هایی که توسط فعالیت انسان بهوجود میآید، می پردازد. فعالیت در حوزه زمین و فضا از علاقه مندی ام است.
