همه‌ی مینی‌نپتون‌ها داغ و مذاب نیستند، برخی خنک‌تر از آن چیزی‌اند که فکر می‌کردیم
شگفتی‌های زیادی در انتظار ستاره‌شناسان بود؛ آن‌ها به‌سرعت دریافتند که سیارات عجیبی وجود دارند که هیچ مشابهی در منظومه شمسی خودمان ندارند.
مینی‌نپتون‌هایی مثل سیاره‌ای که در این تصویر دیده می‌شود، شایع‌ترین نوع سیاره فراخورشیدی هستند. این جهان‌ها کمی کوچک‌تر از نپتون هستند و پیش‌تر تصور می‌شد که اقیانوس‌هایی از ماگما دارند و هیچ سطح جامدی ندارند. اما پژوهش تازه نشان می‌دهد که ممکن است سطح سنگی جامد داشته باشند.
اعتبار تصویر: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)
وقتی ناسا در سال ۲۰۰۹ فضاپیمای کپلر را پرتاب کرد، عصر کشف سیارات فراخورشیدی آغاز شد. یکی از این انواع، مینی‌نپتون‌ها یا زیرنپتون‌ها بودند.
زیرنپتون‌ها کوچک‌تر از نپتون اما بزرگ‌تر از زمین هستند. با گذشت زمان — و با پرتاب تس (TESS) به‌عنوان جانشین کپلر — مشخص شد که این سیارات بسیار رایج هستند. در واقع، شایع‌ترین نوع سیاره فراخورشیدی همین‌هاست. دانشمندان دست به کار شدند تا ماهیت آن‌ها را بفهمند.
چه مسیری تکاملی را طی کرده‌اند؟ ترکیب‌شان چیست؟ چرا این‌قدر به ستاره میزبان‌شان نزدیک‌اند؟ و چرا در منظومه شمسی ما هیچ‌کدام نیست؟
با ورود داده‌های رصدی، یک اجماع شکل گرفت: از آنجا که همه سیارات سنگی با اقیانوس ماگما شروع می‌شوند، احتمالاً زیرنپتون‌ها هم همین‌طورند. همچنین، چون جو این سیارات ضخیم و هیدروژن‌محور است، گرما را به‌خوبی به دام می‌اندازند و فاز اقیانوس ماگما در آن‌ها طولانی‌تر از سیارات سنگی مثل زمین ادامه می‌یابد.
اما پژوهشی تازه ممکن است این دیدگاه را دگرگون کند. عنوان مقاله: «همه زیرنپتون‌ها اقیانوس ماگما ندارند»، منتشرشده در The Astrophysical Journal Letters. نویسنده اصلی، پروفسور الیزا کمپتون از دپارتمان نجوم و اخترفیزیک دانشگاه شیکاگو است.
«در عمق ماجرا — به معنای واقعی کلمه — ما می‌خواهیم بفهمیم این اجرام چیستند، چون در منظومه شمسی ما وجود ندارند.» — پروفسور الیزا کمپتون، دانشگاه شیکاگو
نویسندگان می‌گویند:
«تکامل و ساختار زیرنپتون‌ها ممکن است به شدت تحت تأثیر تعامل بین پوشش گازی خارجی سیاره و اقیانوس ماگمای سطحی باشد. اما با توجه به تنوع گسترده ساختارهای داخلی مجاز برای این سیارات، مشخص نیست که شرایط در مرز پوشش-گوشته همیشه اجازه وجود لایه مذاب سیلیکاتی را می‌دهد یا برخی زیرنپتون‌ها ممکن است سطح سیلیکاتی جامد داشته باشند.»
بیشتر سیارات فراخورشیدی جدیدی که تاکنون کشف شده‌اند، اندازه‌ای بین زمین و نپتون دارند. این نمودار، نپتون، زمین، ابرزمین‌ها و مینی‌نپتون‌ها را با هم مقایسه می‌کند. اعتبار تصویر: NASA/ESA/CSA و STScI
در این پژوهش، محققان ساختار داخلی زیرنپتون‌ها را در طیف وسیعی از ویژگی‌های جوی و کلی مدل‌سازی کردند. در مدل آن‌ها، همه سیارات دارای هسته آهنی، گوشته سیلیکاتی و پوشش مخلوط H/He/H₂O هستند. نسبت آهن به سیلیکات شبیه زمین (یک‌سوم آهن، دوسوم سیلیکات بر حسب جرم) در نظر گرفته شد. پنج ورودی متغیر بودند:
جرم سیاره
فشار در مرز تشعشع-همرفت
دمای فوتوسفر
کسر جرمی پوشش
وزن مولکولی میانگین (MMW) — یعنی میانگین جرم همه مولکول‌ها و اتم‌های جو
آن‌ها همچنین از مطالعات موردی استفاده کردند. یکی از آن‌ها GJ 1214 b بود — مینی‌نپتونی که به‌طور گسترده مطالعه شده است.
«کمپین‌های رصدی زمینی و همچنین تلسکوپ‌های هابل و جیمز وب نشان داده‌اند که این سیاره جوی مه‌آلود با MMW بالا دارد.»
این مهم است، چون یعنی جو آن مولکول‌های سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم دارد — بنابراین جو سنگین‌تر و بسیار بزرگ‌تر از زمین است.
پس GJ 1214 b (و احتمالاً دیگر مینی‌نپتون‌ها) می‌تواند جوی به اندازه کافی سنگین داشته باشد که فشار و دمای بالایی در سطح ایجاد کند. فشار وارد بر سطح ممکن است آن‌قدر زیاد باشد که ماگما به حالت جامد تبدیل شود.
نویسندگان توضیح می‌دهند:
«هدف اصلی ما در این نامه، تعیین این بود که آیا انتظار می‌رود همه زیرنپتون‌ها اقیانوس ماگما داشته باشند یا زیرمجموعه‌ای از آن‌ها سطح جامد ارائه دهند.»
نتیجه مدل‌سازی و مطالعه GJ 1214 b: همه زیرنپتون‌ها اقیانوس ماگما ندارند.
سه دلیل برای داشتن سطح جامد:
دلیل
توضیح
۱. کسر جرمی پوشش و MMW بالا
فشار زیاد در مرز پوشش-گوشته → ماگما به جامد تبدیل می‌شود.
گرچه می‌دانیم مینی‌نپتون‌ها به تعداد زیاد وجود دارند، اما هیچ تصویر واقعی از آن‌ها نداریم. تنها چیزی که داریم، تصاویر هنری مثل این یکی است. اعتبار تصویر: ساختهٔ پابلو کارلوس بوداسی – اثر خودم، CC BY-SA ۴.۰، https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=112487881
پروفسور کمپتون در بیانیه مطبوعاتی گفت:
«این واقعاً یک پارادایم را زیرورو می‌کند — جالب است چون این سیارات در کیهان بسیار زیادند. در عمق ماجرا، ما می‌خواهیم بفهمیم این اجرام چیستند، چون در منظومه شمسی ما نیستند.»
او افزود:
«یا کف لاواست، یا سطح جامد — باید عوامل جوی زیادی را در نظر بگیرید تا بفهمید در کدام دسته است.»
پیامد برای تلسکوپ جیمز وب (JWST):
«وقتی ویژگی‌های کلی و جوی یک زیرنپتون مشخص شد، نتایج ما می‌تواند نشان دهد که آیا آن سیاره در حال حاضر اقیانوس ماگما دارد یا نه.»
نویسندگان اشاره می‌کنند که قبلاً این را برای چند هدف JWST (قبلی و آینده) نشان داده‌اند.
«با توجه به اینکه جوهای با MMW بالا برای چند زیرنپتون مشاهده شده، احتمال واقعی وجود دارد که بخش بزرگی از این جمعیت در حال حاضر اقیانوس ماگمایی در تماس با پوشش گازی نداشته باشند.»
درس بزرگ از عصر سیارات فراخورشیدی:
قبل از کشف سیارات فراخورشیدی، داستان مرتب و تمیزی درباره شکل‌گیری منظومه‌ها داشتیم — بر اساس منظومه خودمان. فکر می‌کردیم همه جا همین‌طور است. چقدر اشتباه می‌کردیم.
تعداد عظیم مینی‌نپتون‌ها عمق نادانی ما را نشان می‌دهد. اما نادانی عیب نیست — مگر اینکه به آن بچسبیم.
متیو نیکسون، همکار پژوهش، گفت:
«قبل از کشف سیارات فراخورشیدی، داستان قشنگی داشتیم که بر اساس منظومه خودمان بود. فکر می‌کردیم همه منظومه‌ها شبیه ما هستند. اما نیستند.»
ما تازه در مراحل اولیه درک شکل‌گیری و تکامل سیارات هستیم — با کمک JWST و توانایی‌اش در کاوش جوهای فراخورشیدی. احتمالاً فرضیه‌ها و درک‌های بیشتری دگرگون خواهند شد.
و همان‌طور که اغلب اتفاق می‌افتد، میل ما به درک سیارات فراخورشیدی، به درک خودمان بازمی‌گردد: زمین چطور شکل گرفت؟ زندگی چطور پدید آمد؟ ما چطور اینجا هستیم؟
نیکسون گفت:
«برمی‌گردد به این سؤال که چرا اینجا هستیم — زمین چطور به وجود آمد؟ این تکه پازل واقعاً اساسی است برای درک هم سیارات دیگر و هم سیاره خودمان.»
نکات کلیدی مقاله:
همه مینی نپتون‌ها اقیانوس ماگما ندارند
جوهای سنگین (MMW بالا) → فشار زیاد → سطح جامد
GJ 1214 b: نمونه‌ای با جو مه‌آلود و سنگین
JWST: می‌تواند تشخیص دهد کدام سیاره سطح جامد دارد
درس کیهانی: منظومه ما «عادی» نیست — فقط یکی از میلیون‌هاست!
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.
