اخترشناسان میتوانند سیارات فراخورشیدی را با مشاهدهی نحوهی مسدود شدن نور ستارهشان یا نوساناتی که در حرکت ستاره ایجاد میکنند، شناسایی کنند. این روشها اطلاعات زیادی در اختیار دانشمندان میگذارند، اما با دیدن مستقیم سیاره تفاوت دارند.
روشهایی مانند گذر سیاره از مقابل ستاره (transit method) و سرعت شعاعی (radial velocity) دارای سوگیریهای رصدی هستند، و دانشمندان این را میدانند. در واقع، همهی روشها محدودیت دارند. در این میان، تصویربرداری مستقیم از سیارات فراخورشیدی، که کمتر درگیر این سوگیریهاست، بهعنوان استاندارد طلایی شناخته میشود.
هنگامی که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) طراحی میشد، چهار هدف علمی اصلی برای آن تعیین شد. یکی از آنها، بررسی تولد ستارگان و سامانههای پیشسیارهای بود. مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی در اینباره نوشت:
«وب با ترکیب توانمندیهای تصویربرداری با وضوح بالا، طیفسنجی، قرصپوش (coronagraphy) و حساسیت عالی در نور فروسرخ نزدیک و میانی، منحصربهفرد برای حل این معماها طراحی شده است.»
جیمز وب تاکنون عملکردی چشمگیر داشته است. این تلسکوپ توانسته با بهرهگیری از ابزارهای NIRCam و MIRI و بهکمک قرصپوش، تصویر مستقیم از سیارات جوان با جرم کمتر از مشتری و سیارات گازی بالغ بگیرد. با این حال، این ابزارها نتوانستهاند سیاراتی شبیه به مشتری و زحل منظومه شمسی ما را که سردتر و دورتر از ستارهشان هستند، شناسایی کنند.
اما پژوهشی جدید نشان میدهد که ممکن است راهی برای شناسایی این سیارات سرد گازی با تلسکوپ وب وجود داشته باشد. این پژوهش با عنوان:
«فریاد NIRCam بر ابرها: تصویربرداری MIRI در وب میتواند سیارات فراخورشیدی با دما، جرم، سن و فاصله مداری مشابه زحل و مشتری را مستقیماً شناسایی کند»
در نشریه The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است. نویسنده اصلی آن، راشل بوِنز-روبین، پژوهشگر پسادکترا در گروه نجوم دانشگاه میشیگان است.
پژوهشگران نوشتهاند:
«تصویربرداری با قرصپوش توسط NIRCam و MIRI توانایی خود را در تصویربرداری مستقیم از سیارات جوان با جرم کمتر از مشتری و سیارات گازی بالغ نشان داده است، اما این روشها برای رسیدن به حساسیت لازم جهت یافتن سیارات سرد مشابه سیارات گازی منظومه شمسی (با دمای مؤثر ۶۰ تا ۱۲۵ کلوین و فاصله مداری ۵ تا ۳۰ واحد نجومی) ناتوان هستند.»
این پیشرفت، راهی برای نخستین مشخصهسازی مستقیم سیارات سرد غولپیکر مشابه مشتری و زحل فراهم میکند.
در این پژوهش، برای نخستین بار از قابلیت تصویربرداری MIRI بدون استفاده از قرصپوش استفاده شده است. این کار در چارچوب برنامهی رصدی JWST به نام Cool Kids on the Block انجام شد که روی سیارات گازی و یخی در حال گردش به دور ستارگان کمجرم (با جرمی معادل ۰٫۰۸ تا ۰٫۴۵ جرم خورشید) تمرکز دارد. این ستارگان از نوع کوتولههای سرخ هستند که در فاصلهی کمتر از ۶ پارسک (۱۹٫۵ سال نوری) قرار دارند.
پژوهشگران مینویسند:
«ما نشان دادیم که تصویربرداری در طولموج ۲۱ میکرون با ابزار MIRI میتواند سیاراتی با دما، جرم، سن و فاصله مداری مشابه زحل و مشتری را شناسایی کند.»
دانشمندان علاقهمندند سیاراتی از این دست را بیابند، چرا که این دسته از سیارات در میان سیارات فراخورشیدی شناساییشده کمتر نمایان هستند. منظومه شمسی ما ممکن است استثنا باشد، اما شواهدی وجود دارد که سیارات سرد غولپیکر در دیگر منظومهها هم وجود دارند. پژوهشی در سال ۲۰۲۱ با استفاده از روش ریزهمگرایی گرانشی (microlensing) نشان داد که بهطور میانگین، در هر منظومه ممکن است ۱٫۵ سیاره غولپیکر کمجرم وجود داشته باشد. همچنین، بررسیهای سرعت شعاعی نشان میدهند که سیارات عظیم با جرمی کمتر از مشتری نسبت به سیارات پرجرمتر، رایجتر هستند. این سیارات احتمالاً در نزدیکی “برفخط آب” متمرکز هستند.
پژوهشگران سه سامانه را بررسی کردند: Wolf 359، EV Lac و AD Leo. در این میان، تصویربرداری قرصپوش برای AD Leo کامل نشد. آنها از حالت تصویربرداری پهنباند F2100W در ابزار MIRI استفاده کردند. به گفتهی نویسندگان، این طولموج برای مشاهدهی سیارات سرد با دمای ۸۰ تا ۲۰۰ کلوین مناسب است، چون در این طولموج، درخشش سیارات به بیشینه میرسد و اثر ابرها در مهار تابش به حداقل میرسد.
پژوهشگران همچنین بررسی کردند که جو ابری این سیارات چه تأثیری در شناسایی دارد، چون ابرها میتوانند مانع عبور نور فروسرخ شوند. آنها طیفی از مدلها برای جو ابری و شفاف تولید کردند و نتیجه گرفتند که طیف مشاهدهشده مشتری و زحل با ترکیبی از مدلهای ابری و بدون ابر بهتر تطبیق دارد.
در فاصلههایی حدود ۲۰ پارسک (۶۵ سال نوری)، تصویربرداری MIRI بهتر از قرصپوش NIRCam عمل میکند. طولموجهای بلندتر MIRI نسبت کنتراست بهتری بین سیاره و ستاره ایجاد میکند.
این پژوهش نشان میدهد که تلسکوپ جیمز وب توانایی تصویربرداری مستقیم از همتایان مشتری و زحل را دارد. همچنین نشان میدهد که با بهبود روشهای کاهش داده، حساسیت MIRI میتواند بیشتر شود.
در پایان، پژوهشگران نتیجهگیری میکنند:
«این پیشرفت، راهی برای نخستین مشخصهسازی مستقیم سیارات سرد غولپیکر مشابه سیارات گازی منظومه شمسی هموار میسازد. راهبردهای ارائهشده در این پژوهش میتوانند به کشف جمعیت گستردهای از سیارات کمجرم سرد منجر شوند و تصویربرداری مستقیم آینده از آنها، ما را در جای دادن منظومه شمسی در بافت کلی منظومههای سیارهای کهکشان یاری خواهد کرد.»
