زمان شروع طبقه‌بندی سیستم‌های سیاره‌ای فراخورشیدی فرارسیده است

اکنون ما هزاران سیاره فراخورشیدی شناخته شده داریم که بسیاری از آن‌ها اعضای یک سیستم سیاره‌ای هستند، مانند خانواده معروف سیاره‌های TRAPPIST-1. الگوهایی در این سیستم‌های فراخورشیدی شروع به ظهور کرده است و در یک تحقیق جدید، تیمی از دانشمندان می‌گوید که وقت آن رسیده که سیستم‌های فراخورشیدی را به جای صرفاً سیاره‌های جداگانه، طبقه‌بندی کنیم.

مقاله تحت عنوان “طبقه‌بندی معماری سیستم‌های سیاره‌ای فراخورشیدی” منتشر شده است و در سایت پیش‌چاپ arxiv.org در دسترس است. نویسنده اصلی این مقاله الکس هاو از مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا است.

نویسندگان معتقدند که وقت آن رسیده است که یک چارچوب طبقه‌بندی برای سیستم‌های فراخورشیدی توسعه داده و پیاده‌سازی کنیم که بر اساس فهرست کامل سیاره‌های فراخورشیدی ما باشد. “با نزدیک به ۶۰۰۰ سیاره فراخورشیدی تأیید شده که شامل بیش از ۳۰۰ سیستم چند سیاره‌ای با سه یا بیشتر سیاره است، نمونه‌های مشاهداتی کنونی به نقطه‌ای رسیده‌اند که هم هم از نظر عملی و هم از نظر مفهومی مفید است که یک سیستم طبقه‌بندی بسازیم که جمعیت مشاهداتی را به دسته‌های معنی‌دار تقسیم کند.” نویسندگان می‌گویند.

آن‌ها توضیح می‌دهند که اکنون وقت آن است که رویکردی سیستماتیک برای شناسایی الگوها در سیستم‌های فراخورشیدی اتخاذ کنیم. با کشف تقریباً ۶۰۰۰ سیاره فراخورشیدی، دانشمندان اکنون داده‌هایی دارند که این پیشنهاد را ارزشمند می‌کند. نویسندگان چه دسته‌بندی‌هایی پیشنهاد می‌کنند؟ اولین گام باید گسترده باشد. “هسته سیستم طبقه‌بندی ما به سه سوال برای هر سیستم داده شده بستگی دارد (اگرچه در چندین مورد زیرگروه‌های اضافی اضافه می‌کنیم).

آیا سیستم سیارات داخلی و خارجی متمایز دارد؟” نویسندگان می‌نویسند. سپس سوالی در مورد سیارات مشتری مطرح می‌شود. “آیا سیارات داخلی یکی یا چند سیاره مشتری دارند؟” بعد از آن، از آن‌ها پرسیده می‌شود که آیا سیارات داخلی شامل هرگونه شکاف با نسبت دوره بیشتر از ۵ هستند. این بدین معناست که آیا در شکاف‌های بین سیارات داخلی، نمونه‌هایی وجود دارد که نسبت دوره‌های مداری دو سیاره فرضی که در آن شکاف‌ها قرار دارند، از ۵ بیشتر شود؟ در واقع این سوال این است که آیا عدم وجود سیارات در مناطق خاصی از سیستم خورشیدی داخلی به مدارهای ناپایدار مربوط است.

این سه سوال کافی است تا تقریباً تمام سیستم‌های سیاره‌ای فراخورشیدی کشف شده را طبقه‌بندی کنیم. “ما دریافتیم که این سه سوال برای طبقه‌بندی حدود ۹۷% از سیستم‌های چند سیاره‌ای با تعداد سیاره ۳ یا بیشتر کافی است و سپس زیرگروه‌های مفیدی اضافه می‌کنیم، مانند محل وقوع شکاف‌های بزرگ و اینکه آیا مشتری داغ وجود دارد یا خیر.” نویسندگان می‌نویسند.

نتیجه یک طرح طبقه‌بندی است که سیستم‌های فراخورشیدی را به رژیم‌های داخلی و خارجی تقسیم می‌کند و سپس رژیم‌های داخلی را به کلاس‌های دینامیکی تقسیم می‌کند. این کلاس‌ها عبارتند از: • سیستم‌های نخود در پوست که سیارات به طور یکنواخت کوچک هستند

• سیستم‌های مشتری گرم که شامل ترکیبی از سیارات بزرگ و کوچک هستند

• سیستم‌های نزدیک به هم

• سیستم‌های شکاف‌دار

• تقسیمات دیگری نیز بر اساس محل شکاف‌ها و ویژگی‌های دیگر وجود دارد.

“این چارچوب به ما این امکان را می‌دهد که یک طبقه‌بندی جزئی از سیستم‌های یک‌سیاره‌ای و دو سیاره‌ای و یک طبقه‌بندی تقریباً کامل از سیستم‌های شناخته‌شده با سه یا بیشتر سیاره انجام دهیم، با تعداد کمی استثنا که ساختارهای دینامیکی غیرمعمول دارند.” نویسندگان توضیح می‌دهند.

خلاصه اینکه، سیستم طبقه‌بندی ابتدا سیستم‌ها را به سیارات داخلی و خارجی تقسیم می‌کند (اگر هر دو شناسایی شده باشند). سیستم‌هایی که بیش از سه سیاره داخلی دارند، سپس بر اساس اینکه آیا سیارات داخلی آن‌ها شامل مشتری‌هایی هستند یا خیر و اینکه آیا (و در صورت وجود، کجا) سیارات داخلی آن‌ها شامل شکاف‌های بزرگ با نسبت دوره >5 هستند، طبقه‌بندی می‌شوند. برخی سیستم‌ها ویژگی‌های دینامیکی دیگری دارند که جدا از سیستم طبقه‌بندی کلی مورد بررسی قرار می‌گیرند.

سیستم طبقه‌بندی بر اساس آرشیو سیاره‌های فراخورشیدی ناسا است که تا شهریور ۱۴۰۳، ۵۷۵۹ سیاره فراخورشیدی را فهرست کرده است. این آرشیو جامع است، اما همچنین شامل برخی سیارات فراخورشیدی مشکوک است که از مقالاتی استخراج شده‌اند که گاهی ممکن است نادرست، ضعیف یا حتی با مقالات بعدی متناقض باشند.

پژوهشگران فهرست خود را فیلتر کردند تا داده‌هایی که غیرقابل استفاده می‌دانستند، حذف کنند. به این ترتیب، ۲% از سیارات فراخورشیدی موجود در آرشیو خود را حذف کردند. آن‌ها همچنین برخی از ستارگان را به دلیل داده‌های ناقص فیلتر کردند، که به این معنی بود که سیارات اطراف آن ستارگان نیز حذف شدند. سیاراتی که در اطراف کوتوله‌های سفید و پالسارها بودند، همچنین سیاراتی که در اطراف کوتوله‌های قهوه‌ای می‌چرخیدند، حذف شدند. هدف این بود که “جمعیت سیاراتی که در اطراف ستارگان اصلی می‌چرخند” را نمایندگی کنند.

همانطور که جدول بالا نشان می‌دهد، بیشتر سیستم‌های سیاره‌ای فراخورشیدی تنها یک سیاره شناسایی شده دارند. ۷۸% آن‌ها تنها یک سیاره دارند، که معمولاً یک مشتری داغ است، هرچند اثرات انتخابی در داده‌ها نقش دارند. مشتری‌ها یک نوع سیاره کلیدی در طبیعت و در سیستم طبقه‌بندی هستند. “همانطور که انتظار می‌رود، سیارات به اندازه مشتری خیلی کمتر در سیستم‌های چند سیاره‌ای با دوره‌های <10 روز و عملاً هیچ یک در <5 روز وجود ندارند، همانطور که با هم‌زمانی تقریباً دو توزیع مشتری در این دوره‌ها نشان داده می‌شود.در عین حال، تقریباً نیمی از تمام انواع سیارات دیگر و حتی یک سوم مشتری‌ها در دوره‌های >10 روز در سیستم‌های چند سیاره‌ای وجود دارند.” نویسندگان توضیح می‌دهند.

سیستم طبقه‌بندی در انجام کار خود برای ثبت اکثریت بزرگ معماری سیستم‌های فراخورشیدی به خوبی عمل می‌کند. با این حال، برخی از سیستم‌ها از جمله سیستم WASP-148 وجود دارند که تنها سیستم شناخته شده با یک مشتری داغ و یک همراه مشتری نزدیک هستند. “با توجه به احتمال بالای شناسایی چنین همراهی و این واقعیت که ۱۰ مشتری داغ شناخته شده که همراه‌های کوچکتری دارند، این به یک زیرنوع نادر سیستم‌ها و احتمالاً فرآیندهای مهاجرت غیرمعمول اشاره دارد.” نویسندگان می‌نویسند. اگرچه سیستم‌های فراخورشیدی به نظر می‌رسند که بسیار متنوع باشند،

این سیستم طبقه‌بندی نشان می‌دهد که در الگوها بسیاری از یکسانی‌ها وجود دارد. حتی اگر تنوع زیادی در انواع سیارات وجود داشته باشد، بیشتر سیستم‌های داخلی یا سیستم‌های نخود در پوست هستند یا سیستم‌های مشتری گرم. “فقط یک اقلیت کوچک از سیستم‌های N ?3 (9 از ۳۱۴) در طبقه‌بندی به یکی از این دو دسته‌بندی مشکل دارند.” نویسندگان می‌نویسند.

مثل بسیاری از علوم سیاره‌های فراخورشیدی، این سیستم با سوگیری‌های شناسایی مواجه است. ما با قابلیت‌های کنونی خود در شناسایی سیارات کوچک مانند مریخ مشکل داریم. ممکن است سیارات بیشتری در سیستم‌های سیاره‌ای فراخورشیدی مشاهده‌شده پنهان شده باشند. مشکلات شناسایی بیشتری نیز وجود دارد، مانند سیاراتی که در مدارهای طولانی هستند. با این حال، این سیستم هنوز ارزشمند و جالب است. “این سیستم طبقه‌بندی توصیف کیفی عمده‌ای از معماری‌های سیستم‌های چند سیاره‌ای مشاهده شده کنونی ارائه می‌دهد.” نویسندگان توضیح می‌دهند. “گام بعدی درک نحوه شکل‌گیری چنین سیستم‌هایی است و شاید به همان اندازه مهم، اینکه چرا سیستم‌های دینامیکی دیگری در پایگاه داده وجود ندارند.”

یکی از نتایج این موضوع مربوط به سیستم‌های نخود در پوست است. از آنجا که آن‌ها بسیار رایج هستند، دانشمندان مشتاق‌اند تا نظریه‌هایی درباره شکل‌گیری آن‌ها توسعه دهند. این سیستم همچنین پیامدهایی برای قابلیت سکونت دارد. نتایج نشان می‌دهند که در سیستم‌های نخود در پوست، سیارات اغلب به اندازه کافی به ستارگان اصلی نزدیک هستند که قابل سکونت نیستند. برعکس، این نوع سیستم‌ها در اطراف ستارگان M احتمالاً سیاراتی در مناطق قابل سکونت آن‌ها دارند. “این ممکن است نشان دهد که اکثریت سیارات قابل سکونت در سیستم‌های نخود در پوست در اطراف ستارگان کم‌جرم قرار دارند.” نویسندگان توضیح می‌دهند.

این مسأله به مشکل شناخته‌شده در مورد تابش و قابلیت سکونت کوتوله‌های قرمز اشاره دارد. یک مشکل دیگر که این سیستم طبقه‌بندی به آن اشاره می‌کند، مربوط به قابلیت سکونت سیارات سوپر زمین است. “بیشتر سیارات در سیستم‌های نخود در پوست سوپر زمین هستند، نه به اندازه زمین و ممکن است برای تعریف کلاسیک یک سیاره قابل سکونت بزرگ باشند.” نویسندگان می‌نویسند. در نتیجه‌گیری، پژوهشگران توضیح می‌دهند که سیستم‌های فراخورشیدی به نظر می‌رسد اصول سازمان‌دهی روشنی داشته باشند که می‌توانیم از آن‌ها برای طبقه‌بندی انواع مختلف سیستم‌های خورشیدی استفاده کنیم.

“اگرچه هنوز کامل نیست، ما بر این باوریم که این طبقه‌بندی درک بهتری از جمعیت کلی فراهم می‌کند و باید زمینه‌ای بارور برای مطالعات آینده در مورد جمعیت‌شناسی و تشکیل سیارات فراخورشیدی باشد.” پژوهشگران نتیجه می‌گیرند.