مشتری عمدتا از یک جو عظیم تشکیل شده که دور یک بخش داخلی نسبتا کوچک اما غنی از عناصر سنگین را فرا گرفته است. این توصیف آشنا، یک مشکل زمانی جدی را پنهان میکند. هیدروژن و هلیوم در اطراف یک ستاره تازهمتولدشده فراوان هستند، اما تنها تا زمانی که دیسک سازنده سیارات آن باقی بماند. وقتی این گاز روی ستاره انباشته شود یا از طریق جتها و بادهای دیسکی از سیستم خارج شود، سیاره در حال رشد دیگر نمیتواند آن را بازگرداند.
یک بررسی جدید با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب، این مخزن در حال ناپدید شدن را به شکلی کمسابقه آشکار کرده است. نمان اس. باجاج از دانشگاه آریزونا و ۱۲ همکارش، ۷۲ سامانه جوان را بررسی کردند و از هیدروژن گرم و نئون یونیزهشده بهعنوان ردیاب گازی که از دیسکهای پیشسیارهای خارج میشود، استفاده کردند. این پژوهش که در The Astronomical Journal منتشر شده، یکی از بزرگترین مطالعات جیمز وب درباره پراکنده شدن دیسکهای سازنده سیارات تاکنون است.
نتیجه این پژوهش، فیلمی از ۷۲ مشتری در حال تشکیل جو نیست؛ بلکه مطالعهای جمعیتی از محیطهای احتمالی شکلگیری این سیارات در مراحل مختلف است. اهمیت آن برای سیارات غولپیکر به موادی بازمیگردد که این جریانهای خروجی از سیستم خارج میکنند: همان گازی که مشتری یا زحل برای تشکیل بخش عمده جرم خود به آن نیاز دارند. این تنها یک مطالعه است و هنوز نمیتوان آن را اجماع علمی قطعی دانست، اما گستردگی آن باعث میشود تغییرات مربوط به از دست رفتن گاز دیسکها را دیگر نتوان صرفا یک ویژگی عجیب در یک یا دو ستاره جوان دانست.
جیمز وب در اطراف ۶۶ دیسک گاز در حال فرار را پیدا کرد
این گروه پژوهشی دادههای آرشیوی ثبتشده توسط ابزار فروسرخ میانی جیمز وب، موسوم به MIRI، را دوباره بررسی کرد. این نمونه شامل ۷۲ دیسک متمایل بود که با زاویهای بیشتر از ۴۰ درجه دیده میشدند و بیشتر آنها در دسته سامانههای کلاس II قرار داشتند. در این مرحله، ستاره مرکزی قابل مشاهده است، اما همچنان بخش قابل توجهی از دیسک باقی مانده و به تغذیه ستاره ادامه میدهد.
MIRI در این پژوهش اهمیت زیادی دارد، زیرا گاز گرم در طول موجهای فروسرخ میانی تابش میکند؛ طول موجهایی که مطالعه آنها از سطح زمین به دلیل جو زمین دشوار یا حتی غیرممکن است. این ابزار صرفا یک تصویر ثبت نمیکند، بلکه طیفسنجی میدان یکپارچه آن در هر نقطه از یک میدان کوچک، یک طیف ثبت میکند. بنابراین پژوهشگران میتوانند بررسی کنند که یک خط گسیل مشخص دقیقا در کجا ظاهر میشود و آیا اصلا وجود دارد یا خیر.
این بررسی روی خطوط چرخشی مولکول هیدروژن، با فرمول H2، و همچنین یک خط مربوط به نئون یونیزهشده با نام [Ne II] تمرکز داشت. گسیل گسترده مربوط به یکی یا هر دوی این عناصر در اطراف ۶۶ مورد از ۷۲ دیسک مشاهده شد. در میان این موارد، پژوهشگران بادهای مخروطی هیدروژن مولکولی را در ۴۶ سامانه و جتهای نئونی با سرعت بالا را در ۴۰ سامانه شناسایی کردند.
این دستهها میتوانند با یکدیگر همپوشانی داشته باشند. در واقع، تمام سامانههایی که دارای جت نئونی بودند، نشانههایی از بادهایی را نیز نشان دادند که با هیدروژن مولکولی یا اکسیژن ردیابی میشدند. در میان منابع دارای جت، ۸۵ درصد دارای باد H2 بودند و در موارد باقیمانده، نشانههای باد در اکسیژن خنثی دیده شد. بنابراین یک جت باریک و یک باد گستردهتر دیسکی، بخشهای مرتبطی از یک سامانه جوان هستند و لزوما توضیحهای رقیب برای یک پدیده واحد محسوب نمیشوند.
جت با باد دیسکی یکسان نیست
مواد موجود در یک دیسک جوان به دلیل داشتن تکانه زاویهای در مدار ستاره میچرخند. برای اینکه بخشی از این مواد به سمت داخل مارپیچ شود و روی ستاره انباشته شود، باید تکانه زاویهای آنها بازتوزیع یا از آنها گرفته شود. میدانهای مغناطیسی که از دیسک عبور میکنند میتوانند در این فرایند نقش داشته باشند. گاز در امتداد این خطوط میدان از دیسک دور میشود و با خود تکانه زاویهای میبرد؛ در نتیجه مواد دیگر میتوانند به سمت داخل حرکت کنند.
این فرایند میتواند به شکلهای مختلفی رخ دهد. جتها سریع و بهشدت باریک و جهتدار هستند و تقریبا در امتداد محور چرخش ستاره خارج میشوند. بادهای دیسکی گستردهتر هستند و میتوانند از بخش بزرگتری از دیسک به سمت بیرون حرکت کنند. هر دو پدیده باعث خروج جرم میشوند، اما هندسه، سرعت و منشأ فیزیکی آنها لزوما یکسان نیست.
بادهای ناشی از تبخیر نوری نیز مسیر دیگری برای خروج گاز هستند. در این حالت، تابش فرابنفش و پرتو ایکس گازهای در معرض سطح را گرم میکند تا جایی که دیگر تحت گرانش سیستم باقی نمیمانند.
جهت متمایل دیسکهای بررسیشده به پژوهشگران کمک میکند این ساختارها را در آسمان از یکدیگر تفکیک کنند. یک ساختار مخروطی H2 که از دیسک دور میشود، میتواند از ساختار باریکتر [Ne II] مربوط به یک جت پرسرعت تشخیص داده شود. این انتخاب همچنین هنگام تفسیر نتایج اهمیت دارد. ۷۲ سامانه بررسیشده، نمونهای تصادفی از تمام سامانههای سیارهای جوان نیستند؛ بلکه بخشی از آنها به این دلیل انتخاب شدهاند که هندسه آنها امکان شناسایی و بررسی فضایی جریانهای خروجی را آسانتر میکرد.
با کاهش برافزایش، جریان خروجی نیز تغییر میکند
مهمترین روند مشاهدهشده، ارتباط آن با سرعت سقوط مواد دیسک روی ستاره بود. احتمال شناسایی بادهای هیدروژن مولکولی و جتهای نئونی هر دو با افزایش نرخ برافزایش بیشتر میشد. پژوهشگران ارتباط مشابهی با جرم ستاره یا میزان انحراف دیسک در نمونه انتخابشده پیدا نکردند.
در نرخهای متوسط تا بالای برافزایش، یعنی بالاتر از حدود ۱۰ به توان منفی ۸.۵ جرم خورشیدی در سال، بادهای مولکولی گسترده و گسیل اکسیژن کمسرعت بیشتر دیده میشدند. اجزای داغتر باد H2 نیز با کاهش نرخ برافزایش، سریعتر از اجزای سردتر ناپدید میشدند. در نرخهای پایینتر برافزایش، جتهای سریع ضعیفتر شده و نشانههای باقیمانده از باد عمدتا اتمی بودند.
این الگو با یک مرحله اولیه سازگار است که در آن جتهای ناشی از میدان مغناطیسی و بادهای مولکولی و اتمی برجسته هستند. بعدها، با نازکتر شدن دیسک و نفوذ آسانتر تابش ستاره به درون آن، بادهای اتمی از جمله جریانهای ناشی از تبخیر نوری اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
البته یک نکته مهم وجود دارد: پژوهشگران سامانههای مختلفی را در مراحل متفاوت مشاهده کردهاند، نه اینکه یک دیسک مشخص را برای میلیونها سال زیر نظر گرفته باشند. بنابراین این دادهها مانند فریمهای مختلف یک فیلم هستند، اما یک فیلم واقعی از پیر شدن یک دیسک محسوب نمیشوند.
چرا یک مشتری در حال رشد نمیتواند منتظر بماند؟
در مدل شکلگیری سیارات غولپیکر از طریق برافزایش هسته، دانههای غبار ابتدا به سنگریزه، سپس سیارهواره و در نهایت هستهای سنگین تبدیل میشوند. وقتی این هسته به اندازه کافی بزرگ شود، گرانش آن میتواند گاز را بهطور مؤثر به دام بیندازد و پوشش گازی سیاره با سرعت زیادی رشد کند.
ترتیب این مراحل اهمیت زیادی دارد. هسته باید در زمانی آماده باشد که هیدروژن و هلیوم همچنان بخش غالب دیسک را تشکیل میدهند.
به همین دلیل، سرشماری جدید بادهای خروجی برای سیارهای که مستقیما در این مشاهدات دیده نشده، اهمیت دارد. جهانهای شبیه مشتری تنها به مقدار کافی ماده در آغاز شکلگیری نیاز ندارند؛ بلکه مرحله ساخت هسته جامد و مرحله جذب گاز باید در طول عمر مفید دیسک، یعنی معمولا چند میلیون سال نخست مرحله غنی از گاز در اطراف ستارههای مشابه خورشید، انجام شوند.
هستهای که زود به مرحله بحرانی برسد، میتواند به یک غول گازی تبدیل شود. اما اگر هسته پس از پاک شدن دیسک به این مرحله برسد، ممکن است به سیارهای کوچکتر با جوی بسیار نازکتر تبدیل شود. البته نتیجه فقط به زمان بستگی ندارد؛ جرم دیسک، فلزیّت، دما، فاصله مداری و سرعت رشد هسته نیز اهمیت دارند. اما هیچکدام از این عوامل نمیتوانند امکان جذب دیرهنگام گازی را فراهم کنند که قبلا از سیستم خارج شده است.
بادها هم به دیسک کمک میکنند و هم آن را خالی میکنند
توصیف این فرایند بهعنوان رقابتی میان سیارات و بادها وسوسهانگیز است، اما کامل نیست. بادهای ناشی از میدان مغناطیسی فقط باعث نابودی دیسک نمیشوند. آنها با انتقال تکانه زاویهای به بیرون، میتوانند حرکت گاز به سمت داخل را ممکن کنند. بنابراین همان فرایندی که به سازماندهی یک سامانه در حال برافزایش کمک میکند، بهتدریج جرم آن را نیز کاهش میدهد.
جتها نیز از این نظر دوگانه هستند. آنها نشانه قابل مشاهدهای از برافزایش شدید هستند؛ یعنی زمانی که دیسک هنوز مقدار قابل توجهی ماده دارد، اما خود جت نیز ماده را از سیستم خارج میکند. در مراحل بعد، تابش ستاره میتواند به بخش بیشتری از دیسک نازکشده برسد و تبخیر نوری را تقویت کند.
بنابراین پراکنده شدن دیسک یک کلید روشن و خاموش ساده نیست. مسیر غالب خروج ماده با تکامل سامانه تغییر میکند.
این بررسی هنوز شمارش معکوس را اندازهگیری نکرده است
خطوط گسیل میتوانند ترکیب، دما، یونش و حرکت گاز را آشکار کنند، اما تبدیل شدت این خطوط به نرخ کلی از دست رفتن جرم به یک مدل فیزیکی نیاز دارد. هدف بعدی پژوهشگران این است که مشخص کنند هر نوع باد چه مقدار گاز را از بین میبرد و این گاز دقیقا از کدام بخش دیسک شروع به فرار میکند.
چنین اندازهگیریهایی میتواند ارتباط مستقیمتری میان ساختارهای مشاهدهشده و پنجره زمانی در حال بسته شدن برای شکلگیری سیارات ایجاد کند.
البته محدودیتهایی نیز وجود دارد. دادههای آرشیوی مورد استفاده در این پژوهش از برنامههای مختلفی به دست آمدهاند. بنابراین ارتباط میان نرخ برافزایش و بادهای خروجی بهتنهایی ثابت نمیکند که تمام سامانهها دقیقا یک روند یکسان را طی میکنند. همچنین انتخاب دیسکهای با زاویه انحراف مشخص، شناسایی جریانهای خروجی را آسانتر کرده، اما تعمیم مستقیم آمار به تمام دیسکها را محدود میکند.
طول عمر دیسکها نیز یکسان نیست. برخی ستارههای کمجرم میتوانند مواد خود را برای مدت غیرمعمول طولانیتری حفظ کنند. چنین استثناهایی مهلت زمانی شکلگیری سیارات را از بین نمیبرند، بلکه نشان میدهند این مهلت به نوع ستاره و محیط آن بستگی دارد.
از بادهای منفرد تا کالبدشناسی تکامل دیسک
نوآوری اصلی این پژوهش کشف این موضوع نیست که ستارههای جوان جت تولید میکنند یا دیسکهای آنها گاز از دست میدهند؛ هر دو پدیده از قبل شناخته شده بودند. اهمیت این مطالعه در مقایسه همزمان بادهای مولکولی، بادهای اتمی و جتهای سریع در یک نمونه بزرگ از دادههای جیمز وب است که نشان میدهد با کاهش برافزایش، سهم نسبی این پدیدهها چگونه تغییر میکند.
این بررسی همچنین نشان میدهد چرا یک عدد ساده برای طول عمر دیسک نمیتواند مشکل واقعی شکلگیری سیارات را توضیح دهد. مخزن گاز در طول همان چند میلیون سال دائما در حال تغییر است. گاز به سمت داخل حرکت میکند، به بیرون جریان مییابد، گرم میشود، سرد میشود، وضعیت شیمیایی خود را تغییر میدهد و بیشتر در معرض تابش ستاره قرار میگیرد. یک سیاره در حال شکلگیری درون چنین سامانه پویایی قرار دارد و در کنار یک مخزن ثابت گاز منتظر نمیماند.
اجرام سنگی ممکن است مدتها پس از ناپدید شدن بیشتر گاز سحابی همچنان با یکدیگر برخورد کنند و رشد کنند. اما یک جهان شبیه مشتری با محدودیت متفاوتی روبهرو است: مادهای که ویژگی اصلی آن را میسازد، همان بخشی از دیسک است که زودتر از همه از بین میرود.
جیمز وب اکنون با بررسی ۷۲ سامانه جوان نشان داده است که سازوکار از دست رفتن این ماده با پیر شدن محیط شکلگیری سیارات چگونه تغییر میکند. گام بعدی این است که دانشمندان مشخص کنند این سازوکار با چه سرعتی این مخزن گازی را خالی میکند.
