پاسخ معمای کهن: چرا سیارات دوردست این‌قدر به ستاره‌شان نزدیک‌اند؟

این کار به ما امکان می‌دهد تا درباره‌ی آن پدیده صحبت کنیم. اما در طبیعت، فرآیندها معمولاً مرز مشخص و شفافی ندارند. در واقع، کل جهان مجموعه‌ای پیچیده و پیوسته از علّت‌ها و معلول‌هایی است که از زمان مه‌بانگ آغاز شده‌اند.

یکی از پدیده‌هایی که دانشمندان در تلاش برای درک بهتر آن هستند، چگونگی شکل‌گیری منظومه‌های فشرده (compact) است. تاکنون نظریه‌ی غالب این بوده که ابتدا ستاره شکل می‌گیرد و سپس سیارات. این دو مرحله به‌عنوان فرآیندهایی جداگانه در نظر گرفته می‌شدند؛ مدلی که می‌توان آن را «اول ستاره، بعد سیارات» نامید. اما این مدل با مشکلاتی مواجه است، که با مشاهده‌ی منظومه‌های دیگر، این مشکلات آشکارتر می‌شوند.

یکی از مشکلات، مسئله‌ی توزیع جرم در منظومه‌های فشرده است. اگر ابتدا ستاره شکل بگیرد و سپس سیارات، پس چرا در بسیاری از منظومه‌های فشرده، چندین سیاره با جرم‌های نسبتاً مشابه کنار هم وجود دارند؟ برای مثال در منظومه‌ی معروف TRAPPIST-1، هر هفت سیاره از مریخ بزرگ‌تر هستند و پنج تای آن‌ها فقط حدود ۱۵ درصد از قطر زمین کوچک‌ترند.

پژوهشگران «مؤسسه پژوهشی جنوب غرب» (SwRI) ممکن است پاسخ این معما را یافته باشند. تحقیق جدید آن‌ها با عنوان «منشأ منظومه‌های فشرده‌ی فراخورشیدی در جریان فرو‌ریزش دیسک» در نشریه‌ی Nature Communications منتشر شده است. نویسندگان این پژوهش، «رالوکا روفو» و «رابین کَن‌آپ» از بخش علوم و اکتشاف منظومه شمسی در SwRI هستند.

آن‌ها در مقاله خود نوشته‌اند:
«سامانه‌های فراخورشیدی که چندین سیاره با مدارهای کوتاه‌مدت دارند، در میان نمونه‌های مشاهده‌شده بسیار رایج‌اند، اما فرآیندهایی که این پیکربندی‌ها را پدید می‌آورند، هنوز به‌خوبی درک نشده‌اند.»
فرض رایج قبلی این بود که شکل‌گیری سیارات تنها پس از پایان فرو‌ریزش گاز و ذرات به دیسک اطراف ستاره آغاز می‌شود.

بر اساس دیدگاه سنتی، هر منظومه‌ی سیاره‌ای از یک سحابی خورشیدی شکل می‌گیرد. زمانی که ستاره‌ی جوان در حال شکل‌گیری است، دیسکی از ماده (گاز و غبار) به‌دور آن شکل می‌گیرد که از همان سحابی تغذیه می‌شود. پس از مدتی، فرو‌ریزش ماده به درون دیسک متوقف می‌شود و جرم آن به‌صورت نهایی تثبیت می‌گردد. چند میلیون سال بعد، دیسک پراکنده می‌شود. اما پیش از آن، سیارات درون دیسک از طریق برخورد، ادغام و رشد تدریجی پدید می‌آیند. در این دیدگاه، سیارات تنها زمانی شکل می‌گیرند که فرو‌ریزش ماده به دیسک به پایان رسیده باشد.

روفو، نویسنده‌ی اصلی پژوهش، می‌گوید:
«منظومه‌های فشرده یکی از رازهای بزرگ دانش سیارات فراخورشیدی هستند. این منظومه‌ها دارای چندین سیاره‌ی سنگی با اندازه‌های مشابه‌اند، مانند نخودهایی در یک غلاف، و نسبت جرم آن‌ها بسیار متفاوت از سیارات منظومه شمسی ماست.»

کن‌آپ در ادامه می‌افزاید:
«ما دریافتیم سیاراتی که در حین جریان فرو‌ریزش شکل می‌گیرند، می‌توانند تا پایان پراکندگی دیسک گازی و توقف مهاجرت مداری دوام بیاورند. مهم‌تر اینکه، در دامنه‌ی گسترده‌ای از شرایط، جرم این سامانه‌ها با جرم ستاره‌ی میزبان نسبت مستقیم دارد — که این، نخستین توضیح برای شباهت نسبت‌های جرم در سامانه‌های چندسیاره‌ای فشرده است.»

مدلی که آن‌ها ارائه داده‌اند، تا حدی با فرآیند شکل‌گیری قمرها در اطراف سیارات غول‌پیکر مانند مشتری شباهت دارد. زمانی که یک سیاره‌ی گازی در حال شکل‌گیری است، حلقه‌ای از ماده از دیسک ستاره‌ای اطراف آن جدا شده و در اطراف سیاره حلقه‌ای پدید می‌آورد که قمرها در آن شکل می‌گیرند. با این حال، این دو فرآیند دقیقاً یکسان نیستند؛ زیرا دیسک‌های شکل‌گیری سیاره در اطراف ستارگان ممکن است میلیون‌ها سال باقی بمانند، در حالی که دیسک‌های قمرساز به‌سرعت از بین می‌روند.

تیم تحقیقاتی تأکید می‌کند:
«جالب است که فرآیند شکل‌گیری اولیه در دیسک‌های جوان ممکن است در مقیاس‌های بسیار متفاوت، به شکلی مشابه عمل کند.»

پژوهشگران SwRI در مقاله‌ی خود توضیح می‌دهند:
«پیش‌بینی‌های مدل ما به‌تدریج با مشاهدات قابل‌راستی‌آزمایی خواهند بود. رشد سیارات در حین فرو‌ریزش، نسبت جرم منظومه‌ای فشرده‌ای را پیش‌بینی می‌کند که مستقل از جرم ستاره‌ی میزبان است، و این احتمال را مطرح می‌کند که سامانه‌هایی با نسبت جرم کمی پایین‌تر ممکن است سیاراتی کشف‌نشده در خود پنهان داشته باشند.»

البته همچنان پرسش‌هایی بی‌پاسخ باقی مانده‌اند؛ از جمله اینکه سیارات بزرگ‌تر در این مدل چگونه شکل می‌گیرند. نویسندگان توضیح می‌دهند که بقای سیاراتی که حین فرو‌ریزش شکل می‌گیرند و ویژگی‌های آن‌ها، به شدت به گستره‌ی شعاعی جریان ماده به درون دیسک (با نماد rc) و نسبت طول عمر دیسک گازی به زمان فرو‌ریزش (β) وابسته است. با این حال، شبیه‌سازی‌های آن‌ها تنها شامل مواردی با rc و β کوچک بوده که با ساختار منظومه‌های فشرده سازگار است.

در پایان، نویسندگان نتیجه می‌گیرند:
«به‌طور کلی، نتایج ما نشان می‌دهد که فرض دیرینه‌ی آغاز شکل‌گیری سیارات پس از پایان فرو‌ریزش ممکن است در همه‌ی سامانه‌ها صادق نباشد، و بررسی این مرحله‌ی آغازین رشد سیارات کاملاً ضروری است.»