از میان سیاره‌های تأیید شده، بیشتر آن‌ها غول‌های گازی هستند که از سیاره‌هایی شبیه به نپتون (۱۹۹۲ مورد) تا آن‌هایی که هم‌اندازه یا چندین برابر بزرگ‌تر و پرجرم‌تر از مشتری و زحل هستند (۱۸۸۳ مورد) متغیرند. مانند غول‌های گازی منظومه شمسی، ستاره‌شناسان به‌طور کلی فرض کرده‌اند که این نوع سیاره‌ها در نواحی بیرونی منظومه‌های ستاره‌ای خود شکل می‌گیرند، جایی که شرایط به‌اندازه‌ای سرد است که گازهایی مانند هیدروژن و هلیوم و ترکیبات فرّار (مانند آب، آمونیاک، متان و غیره) متراکم شده یا به‌صورت جامد در می‌آیند.
با این حال، ستاره‌شناسان مشاهده کرده‌اند که بسیاری از غول‌های گازی کشف‌شده، به‌جای مدارهای دوردست، در نزدیکی ستاره‌های خود می‌گردند که به آن‌ها «مشتری‌های داغ» گفته می‌شود. این مسئله پرسش‌هایی را در مورد اینکه آیا غول‌های گازی و سایر سیاره‌ها پس از شکل‌گیری مهاجرت می‌کنند تا به مدارهای پایدار و طولانی‌مدت خود برسند یا نه، مطرح کرده است. در یک مطالعه جدید، گروهی از محققان دانشکده اکتشافات زمین و فضا در دانشگاه ایالتی آریزونا (ASU-SESE) به بررسی ترکیب شیمیایی جو چندین مشتری داغ و فوق‌داغ پرداختند. پس از بررسی سیاره WASP-121b، این گروه به نتیجه‌ای غیرمنتظره رسیدند: به نظر می‌رسد که این سیاره در نزدیکی ستاره خود شکل گرفته است.
این تحقیق توسط پیتر سی. بی. اسمیت، دانشجوی تحصیلات تکمیلی، و سایر اعضای ASU-SESE انجام شد. علاوه بر آن‌ها، پژوهشگرانی از رصدخانه استوارد، مؤسسه ملی اخترفیزیک ایتالیا (INAF)، مؤسسه تحقیقات سیاره‌های فراخورشیدی تروتیه (iREX)، مرکز سیاره‌های فراخورشیدی و زیست‌پذیری (CEH) و چندین دانشگاه دیگر در این تحقیق مشارکت داشتند. این گروه بخشی از برنامه Roasting Marshmallows هستند و یافته‌های جدید خود را در مجله اخترشناسی (The Astronomical Journal) منتشر کرده‌اند.
اعضای این برنامه بر مطالعه جو مشتری‌های داغ و فوق‌داغ با استفاده از طیف‌سنج مادون قرمز IGRINS تمرکز دارند. این ابزار که توسط دانشگاه تگزاس و مؤسسه علوم فضایی و نجوم کره جنوبی (KASI) ساخته شده، روی تلسکوپ جمینی جنوبی در شیلی نصب شده است. این تلسکوپ بخشی از رصدخانه بین‌المللی جمینی است که بخشی از بودجه آن توسط بنیاد علوم ملی ایالات متحده(NSF) تأمین و توسط آزمایشگاه ملی تحقیقات نجومی نوری-مادون قرمز (NOIRLab) اداره می‌شود.
هدف این برنامه، درک بهتر از قرص‌های پیش‌سیاره‌ای است که مشتری‌های داغ از آن‌ها شکل می‌گیرند. پیش‌تر، دانشمندان تصور می‌کردند که این قرص‌ها، که از بقایای سنگی و یخی سحابی‌هایی که ستاره‌ها را شکل می‌دهند تشکیل شده‌اند، به‌صورت لایه‌هایی در اطراف ستارگان خود سامان می‌یابند. بر اساس این نظریه، مواد نزدیک به ستاره عمدتاً سنگی هستند، زیرا ترکیبات فرّار به بخار تبدیل می‌شوند، در حالی که مواد دورتر عمدتاً یخی هستند، زیرا دمای آن نواحی به‌اندازه‌ای پایین است که یخ‌بندان رخ دهد.
از آنجا که ترکیب این قرص‌ها بر اساس فاصله از ستاره مادر تغییر می‌کند، ستاره‌شناسان می‌توانند با بررسی امضای طیفی آن‌ها، میزان این مواد را در جو سیاره‌ها اندازه‌گیری کرده و تعیین کنند که این سیاره‌ها در چه فاصله‌ای از ستاره خود شکل گرفته‌اند. معمولاً، اندازه‌گیری این نسبت نیازمند مشاهدات متعدد در نور مرئی (برای عناصر سنگی) و نور مادون قرمز (برای عناصر گازی) است. اما تیم تحقیقاتی توانست مقدار این عناصر را در جو WASP-121b تنها با یک مشاهده و با استفاده از ابزار IGRINS اندازه‌گیری کند.
این ابزار طیف‌های با وضوح بالا از جو WASP-121b را در هنگام عبور آن از مقابل ستاره‌اش ثبت کرد. اسمیت در این‌باره گفت:
«داده‌های به‌دست‌آمده از جمینی جنوبی با استفاده از IGRINS، اندازه‌گیری‌های شیمیایی دقیق‌تری از آنچه حتی تلسکوپ‌های فضایی می‌توانستند انجام دهند، ارائه داده است. اندازه‌گیری ما نشان می‌دهد که شاید دیدگاه‌های رایج در مورد شکل‌گیری سیاره‌ها نیاز به بازبینی داشته باشد. دمای سمت روز این سیاره به‌قدری بالاست که عناصر فلزی نیز بخار شده و وارد جو می‌شوند و از طریق طیف‌سنجی قابل شناسایی هستند.»
این تصویر هنری سیاره‌ای بیگانه را نشان می‌دهد که در حال از دست دادن گاز منیزیم و آهن از جو خود است. این مشاهدات برای اولین بار نشان می‌دهند که به‌اصطلاح “فلزات سنگین” — عناصری سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم — از یک سیاره مشتری داغ، که یک سیاره گازی بزرگ و بسیار نزدیک به ستاره خود است، در حال فرار هستند. این سیاره که با نام WASP-121b شناخته می‌شود، به دور ستاره‌ای می‌چرخد که از خورشید روشن‌تر و داغ‌تر است. اعتبار تصویر: ناسا، ESA، و J. Olmsted (مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی – STScI)
طیف‌های به‌دست‌آمده نشان دادند که WASP-121b دارای نسبت بالای مواد سنگی به یخ است، که نشان می‌دهد این سیاره در هنگام شکل‌گیری مقدار زیادی ماده سنگی جذب کرده است. این یافته‌ها نشان می‌دهد که این سیاره احتمالاً در نزدیکی ستاره خود شکل گرفته است، که در تضاد با مدل‌های سنتی است که شکل‌گیری غول‌های گازی را تنها در دماهای پایین ممکن می‌دانند. اما زمانی که اسمیت و تیمش ترکیب جو این سیاره را بررسی کردند، علت این موضوع مشخص شد: دمای سمت روز این سیاره آن‌قدر بالاست که مواد سنگی و فلزی بخار شده و وارد جو می‌شوند، در حالی که بادهای قدرتمند این مواد را به سمت شبانه سیاره منتقل می‌کنند، جایی که مجدداً متراکم شده و باران فلزی ایجاد می‌کنند.
این پدیده، که به “باران فلزی” معروف است، پیش‌تر نیز در سیاره‌های دیگر مشاهده شده بود. اسمیت توضیح داد:
«اقلیم این سیاره بسیار شدید و کاملاً متفاوت از زمین است. ابزار ما اکنون به سطحی از دقت رسیده است که می‌توانیم از این عناصر برای مطالعه مناطق، ارتفاعات و طول‌های جغرافیایی مختلف استفاده کنیم و حتی سرعت بادها را تعیین کنیم، که نشان‌دهنده پویایی بالای این سیاره است.»
این یافته‌ها ممکن است به حل معمای مشتری‌های داغ کمک کند. آن‌ها نشان می‌دهند که غول‌های گازی لزوماً از عناصر فرّار گازی تشکیل نشده‌اند، بلکه می‌توانند حاوی عناصر سنگین‌تری باشند که بر اثر گرمای شدید به بخار تبدیل می‌شوند. این نتایج از مشاهدات پیشین درباره بارش فلز در سیاره‌هایی مانند WASP-76b، Kepler-7b و KELT-9b پشتیبانی می‌کند. تیم تحقیقاتی امیدوار است که مشاهدات آینده با استفاده از IGRINS-2، که برای تلسکوپ جمینی شمالی در هاوایی طراحی شده و در حال آماده‌سازی برای انجام تحقیقات علمی است، بتواند درک ما از این سیاره‌ها را گسترش دهد.
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.
