سیارههای گدازهای از شگفتانگیزترین و اسرارآمیزترین جهانهایی هستند که تاکنون شناسایی شدهاند. این سیارهها از نظر ساختار کلی سنگیاند، اما بهدلیل قرار گرفتن در فاصلهای بسیار نزدیک به ستارهی مادر خود، سطحشان به دمایی میرسد که باعث ذوب شدن کامل لایههای بیرونی میشود. در نتیجه، آنها به اقیانوسهایی سوزان از ماگما بدل میشوند.
دانشمندان بر این باورند که چنین سیارههایی تقریباً همیشه قفل کشندی هستند؛ به این معنا که دوران وضعی آنها دقیقاً با دوران مداریشان هماهنگ است و یک سمت سیاره (سمت روز) همواره رو به ستاره قرار دارد و سمت دیگر (سمت شب) هیچگاه نور مستقیم ستاره را دریافت نمیکند. این ویژگی باعث میشود که نیمکرهی روز این سیارهها بهطور دائمی در معرض گرمای شدید باشد و گدازهای باقی بماند، در حالی که نیمکرهی شب ممکن است خنکتر و حتی جامد شود.
دشواری مطالعهی سیارههای گدازهای
یکی از چالشهای بزرگ در مطالعهی این دنیاها این است که ما در منظومهی شمسی نمونهای مشابه برای مقایسه نداریم. ترکیب کلی آنها میتواند شبیه به سیارههای سنگی منظومهی شمسی، مانند زمین، مریخ، عطارد یا زهره باشد، اما شرایط محیطیشان بهشدت متفاوت است. برای فهم بهتر این سیارهها، گروهی از پژوهشگران از کانادا، فرانسه و بریتانیا شبیهسازیهای عددی از ساختار درونی آنها انجام دادهاند.
نتایج این پژوهش در مقالهای با عنوان «نقش پویایی درونی و تفکیک مواد در سطح و جو سیارههای گدازهای» در مجلهی Nature Astronomy منتشر شده است. نویسندهی اصلی مقاله، شارل-ادوارد بوکارِه، استادیار گروه فیزیک و نجوم دانشگاه یورک کانادا است.
قوانین فیزیکی تازه در دنیای گدازهای
اعتبار تصویر: Romain Jean-Jaques (اینستاگرام: @romainjean.jacques)
سیارههای گدازهای نمونهای از رژیمهای تازهی فیزیک سیارهای را ارائه میکنند. روی زمین، برهمکنش میان جرم سنگی سیاره و جو آن محدود است، هرچند نقش مهمی در تنظیم اقلیم ایفا میکند. برای مثال، چرخهی کربن کربن را میان پوسته، گوشته، جو و زیستبوم جابهجا میکند و در تعادل دمایی سیاره نقش کلیدی دارد. اما در سیارههای گدازهای که دما بسیار بالا است، این چرخهها بهشدت پرانرژی و سریع میشوند و تأثیرات بسیار بزرگتری بر ساختار و تکامل سیاره دارند.
بوکارِه توضیح میدهد:
«مدلسازیهای ما یک چارچوب مفهومی برای تفسیر تکامل این دنیاها ارائه میدهد و سناریوهایی برای بررسی پویایی درونی و تغییرات شیمیایی آنها پیشنهاد میکند. این فرآیندها هرچند در سیارههای گدازهای بهشدت تشدید شدهاند، در اساس همان فرآیندهایی هستند که سیارههای سنگی منظومهی شمسی را شکل دادهاند.»
مدارهای بسیار کوتاه
سیارههای گدازهای معمولاً هماندازهی زمین یا کمی بزرگتر (ابرزمین) هستند و مدارشان را در یک روز زمینی یا کمتر کامل میکنند. چنین مدارهای کوتاهی باعث میشود گذر این سیارهها از برابر ستارهی میزبان بهسرعت رخ دهد و شناسایی آنها در دادههای نوری آسان باشد. اما شناسایی صرف با درک ساختار و فرآیندهای داخلی تفاوت دارد.
زمین نیز در آغاز شکلگیری خود، کاملاً مذاب بوده و سپس بهآرامی سرد شده است. بررسی سیارههای گدازهای میتواند دید ما را نسبت به گذشتهی زمین و تکامل اولیهی آن گسترش دهد.
فرآیندهای شبیه تقطیر
سیارههای گدازهای فرایندی مشابه تقطیر را تجربه میکنند. در این فرآیند، عناصر مختلف در دماهای متفاوت بخار میشوند و سپس بین فازهای گاز، مایع و جامد توزیع میشوند. زمین نیز در مراحل اولیهی تاریخ خود این فرآیند را پشت سر گذاشته است. تفاوت مهم این است که بسیاری از سیارههای گدازهای بهدلیل نزدیکی زیاد به ستارهی خود، برای میلیاردها سال مذاب یا نیمهمذاب باقی میمانند.
شبیهسازی دو حالت گرمایی
در این پژوهش، پژوهشگران دو حالت اصلی گرمایی برای این دنیاها شبیهسازی کردند:
- حالت داغ: درونی کاملاً مذاب که در آن همرفت شدید باعث اختلاط ترکیبات و انتقال مؤثر گرما از سمت روز به سمت شب میشود.
- حالت سرد: درونی عمدتاً جامد که فقط در سمت روز یک اقیانوس ماگمایی کمعمق وجود دارد.
در حالت داغ، جو سیاره ترکیب کلی سیلیکات تودهی سنگی آن را نشان میدهد و سطح سمت شب بهدلیل ناپایداری گرانشی بهطور پیوسته با مواد تازه جایگزین میشود. در حالت سرد، جو سیاره از عناصری مانند سدیم (Na)، پتاسیم (K) و اکسید آهن (FeO) فقیر است و سمت شب دارای سطحی کاملاً جامد و سرد است.
همرفت عمودی و افقی
سیارههای گدازهای همرفت عمودی و افقی دارند. در همرفت افقی، بخشی از مواد مذاب از سمت روز به سمت شب منتقل شده و در آنجا منجمد میشود. این فرآیند باعث تفاوت ترکیب شیمیایی دو نیمکره میشود.
با گذر زمان، این دنیاها ممکن است:
- یا به حالت اقیانوس ماگمایی سراسری باقی بمانند (در اثر گرمایش کشندی یا گرمایش پرتوزا)،
- یا به حالتی برسند که فقط سمت روز یک لایهی نازک مذاب به عمق حدود ۲۰۰ کیلومتر دارد، زیرا سرمایش از سمت روز تا هسته نفوذ کرده است.
اهمیت رصد با تلسکوپهای پیشرفته
پنل (a): نمونهی داغ که دارای درونی عملاً مایع است (نارنجی). همرفت شدید در حالت مایع باعث اختلاط ترکیبات و سرمایش مؤثر از طریق انتقال حرارت از نیمکرهی روز به نیمکرهی شب میشود.
پنل (b): نمونهی سرد که دارای درونی جامد است (سبز) و یک اقیانوس ماگمایی کمعمق در سمت روز دارد. تفکیک گرانشی جامد-مایع باعث تمایز شیمیایی اقیانوس ماگمایی شده است (زرد). در این حالت، همرفت در حالت جامد آنقدر ضعیف است که اثر حرارتی قابل مشاهدهای بر سطح نیمکرهی شب ایجاد نمیکند.
اعتبار تصویر: Boukaré و همکاران، ۲۰۲۵، Nature Astronomy
پژوهشگران تأکید میکنند که تعیین دمای سطح سمت شب این سیارهها با ابزارهایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ممکن است و میتواند اطلاعات ارزشمندی دربارهی حالت گرمایی درونی آنها فراهم کند. در آینده، تلسکوپهای زمینی غولپیکر مانند ELT قادر خواهند بود ترکیب جو سیلیکاتی این دنیاها را با جزئیات بررسی کنند و پیوندهای ترموشیمیایی میان جو، ماگما و کانیهای سیلیکاتی درون سیاره را آشکار سازند.
دو سرنوشت پایانی برای سیارههای گدازهای
نتایج شبیهسازی نشان میدهد که سیارههای گدازهای در نهایت به یکی از دو سرنوشت اصلی میرسند:
- سرنوشت داغ: اقیانوس ماگمایی سراسری، درونی مذاب، جو غنی از عناصر سیلیکاتی و ترکیب یکنواخت در سطح و جو.
- سرنوشت سرد: درونی جامد، اقیانوس ماگمایی کمعمق در سمت روز، جو فقیر از برخی عناصر فرار، و سمت شب کاملاً جامد و سرد.
پیوند با تاریخ زمین
زمین میلیاردها سال پیش مراحل کوتاهی از مذاب بودن کامل را پشت سر گذاشت، اما سیارههای گدازهای این وضعیت را بهطور طولانیمدت حفظ میکنند. بنابراین، بررسی آنها میتواند به دانشمندان کمک کند تا تاریخ گرمایی و شیمیایی سیارات سنگی را بهتر بفهمند.
به گفتهی پژوهشگران، وضعیت گرمایی کنونی یک سیاره بازتاب مستقیم تاریخ گرمایی-شیمیایی آن از زمان شکلگیری تا امروز است. مشاهدهی دمای گوشته و جو سیاره میتواند بخشهای کلیدی این تاریخ را روشن کند.
