تلسکوپ فضایی هابل با وجود گذشت سال‌ها از آغاز مأموریتش، همچنان با قدرت به کار خود ادامه می‌دهد. یکی از ویژگی‌های مهم این تلسکوپ، توانایی منحصربه‌فرد آن در مشاهده طیف فرابنفش (UV) است؛ قابلیتی که آن را به ابزاری بسیار کارآمد برای مطالعه کوتوله‌های سفید تبدیل کرده است. هابل تاکنون ده‌ها کوتوله سفید را بررسی کرده و در برخی موارد چندین بار به یک جرم خاص بازگشته است. یکی از این اجرام که توجه ویژه اخترشناسان را به خود جلب کرده، کوتوله سفید WD 1647+375 است؛ جرمی که حدود ۲۶۰ سال نوری با زمین فاصله دارد.
آنچه این کوتوله سفید را ویژه کرده، پدیده‌ای غیرمعمول است: بیشتر کوتوله‌های سفید تاکنون در حال جذب مواد سنگی از بقایای سیارات و سیارک‌ها مشاهده شده‌اند، اما در این مورد خاص، هابل نشانه‌هایی از جذب مواد یخی و سرشار از ترکیبات فرّار را ثبت کرده است. این کشف نشان می‌دهد که سامانه ستاره‌ای میزبان این کوتوله سفید احتمالاً کمربندی شبیه به کمربند کویپر در منظومه شمسی داشته است؛ جایی که اجرام یخی فراوانی وجود دارند و می‌توانند در دوران شکل‌گیری سیارات، آب و مواد فرّار را به نواحی داخلی سامانه منتقل کنند.
نتایج این پژوهش در مقاله‌ای با عنوان «کشف یک سیاره‌واره‌ی فراخورشیدی یخی و غنی از نیتروژن» منتشر شده است. این مقاله در مجله معتبر Monthly Notices of the Royal Astronomical Society به چاپ رسیده و نویسنده مسئول آن، اسنهلاتا ساهاو از گروه فیزیک دانشگاه وارویک در بریتانیا است.
کوتوله سفید؛ بقایای ستاره‌ای و سرنوشت خورشید ما
کوتوله‌های سفید در حقیقت بقایای ستاره‌هایی هستند که جرم کافی برای تبدیل شدن به ستاره نوترونی یا سیاهچاله را ندارند. این اجرام فوق‌العاده چگال، جرمی تقریباً برابر خورشید دارند، اما اندازه‌ای هم‌اندازه زمین. زمانی که یک ستاره رشته اصلی (مانند خورشید) سوخت هیدروژنی خود را در هسته به پایان می‌رساند، به مرحله غول سرخ می‌رسد. در این مرحله، همجوشی هیدروژن در لایه‌های بیرونی ادامه دارد و ستاره لایه‌های بیرونی خود را به فضا پرتاب می‌کند و سحابی سیاره‌ای را شکل می‌دهد. در مرکز این سحابی موقت، کوتوله سفید باقی می‌ماند. این همان سرنوشتی است که در آینده دور برای خورشید ما نیز رقم خواهد خورد.
اما این فرایند مرگ ستاره، بر محیط اطراف اثرات ویرانگری می‌گذارد. زمانی که خورشید به غول سرخ تبدیل شود، بادهای ستاره‌ای شدید و تابش قدرتمند آن می‌توانند مواد فرّار مانند یخ آب را از اجرام کمربند کویپر جدا کرده و مدار آن‌ها را مختل کنند. در نهایت، خورشید حدود نیمی از جرم خود را از دست خواهد داد و نیروی گرانشی آن کاهش می‌یابد. در نتیجه، بسیاری از اجرام کمربند کویپر از منظومه شمسی بیرون رانده خواهند شد. به همین دلیل، انتظار می‌رود که پس از تبدیل خورشید به کوتوله سفید، کمربند کویپر نابود یا به شدت تغییر شکل یافته باشد.
شگفتی کشف جدید
اعتبار تصویر: دانشگاه وارویک / مارک گارلیک
از همین رو کشف اخیر اهمیت زیادی دارد: چطور ممکن است یک جرم یخیِ شبیه کمربند کویپر در نزدیکی یک کوتوله سفید باقی مانده باشد؟
ساهاو، نویسنده اصلی مقاله، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت:
«ما شگفت‌زده شدیم. انتظار نداشتیم آب یا دیگر مواد یخی را پیدا کنیم. زیرا معمولاً دنباله‌دارها و اجرام شبیه کمربند کویپر، در همان مراحل اولیه تحول ستاره، از سامانه خود بیرون رانده می‌شوند. اما اینجا ما موادی بسیار غنی از ترکیبات فرّار را مشاهده کردیم. این یافته نه‌تنها برای اخترشناسانی که کوتوله‌های سفید را مطالعه می‌کنند، بلکه برای پژوهشگران سیارات فراخورشیدی هم بسیار جالب است.»
اخترشناسان بارها دیده‌اند که کوتوله‌های سفید در حال جذب بقایای سنگی از سیارات یا سیارک‌ها هستند. این مواد معمولاً از اجرامی می‌آیند که بیش از حد به ستاره نزدیک شده، تکه‌تکه شده و سپس جذب می‌شوند. اما کشف مواد یخی موضوعی متفاوت و نادر است.
کوتوله‌های سفید؛ صحنه جرم کیهانی
ساهاو توضیح می‌دهد:
«غیرمعمول نیست که کوتوله‌های سفید نشانه‌هایی از عناصری مانند کلسیم، آهن و دیگر فلزات را در جو خود نشان دهند. این مواد از اجرام سنگیِ خردشده و جذب‌شده می‌آیند. بررسی ترکیب شیمیایی این مواد به ما امکان می‌دهد که ترکیب سیاره‌واره‌های فراخورشیدی را بازسازی کنیم.»
او در ادامه افزود:
«در واقع، کوتوله‌های سفید مثل صحنه‌های جرم کیهانی عمل می‌کنند. وقتی یک جرم به درون آن‌ها سقوط می‌کند، عناصرش مانند اثر انگشت در جو ستاره باقی می‌مانند و به ما اجازه می‌دهند هویت قربانی را بازسازی کنیم. معمولاً ما شواهدی از مواد سنگی می‌بینیم، اما مشاهده بقایای سرشار از مواد فرّار تنها در مواردی اندک تأیید شده است.»
داده‌های هابل و ترکیب شیمیایی جرم یخی
اعتبار تصویر: ناسا / JHUAPL / SwRI
طیف‌سنجی فرابنفش تلسکوپ هابل ترکیب شیمیایی جرم جذب‌شده را آشکار کرد. این ماده سرشار از عناصر فرّاری چون کربن، نیتروژن و گوگرد بود. پژوهشگران می‌گویند ترکیب شیمیایی آن شباهت زیادی به اجرام کمربند کویپر در منظومه شمسی دارد. همچنین، این ماده مقدار زیادی نیتروژن و اکسیژن مازاد داشت که نشان می‌دهد جرم جذب‌شده غنی از آب بوده و ترکیبی شبیه دنباله‌دارها یا سیاره‌های کوتوله مانند پلوتو داشته است.
این کشف یک نکته مهم دیگر هم داشت: مقدار نیتروژن یافت‌شده در بقایای این جرم، بیشترین میزان نیتروژنی است که تاکنون در بقایای جذب‌شده توسط کوتوله‌های سفید مشاهده شده است. ساهاو گفت:
«ما می‌دانیم که سطح پلوتو پوشیده از یخ نیتروژنی است. تصور می‌کنیم این کوتوله سفید تکه‌هایی از پوسته و گوشته یک سیاره کوتوله یخی را جذب کرده باشد.»
نویسندگان مقاله نتیجه گرفتند:
«ترکیب کلی و توزیع جرمی عناصری که در جو WD 1647+375 شناسایی شد، نشان می‌دهد جرم جذب‌شده یا یک دنباله‌دار بوده یا قطعه‌ای از سطح یک سیاره کوتوله یخی شبیه پلوتو.»
احتمال منشأ میان‌ستاره‌ای
یک نکته جالب دیگر این است که شاید جرم شناسایی‌شده اصلاً متعلق به همان سامانه نباشد. در سال‌های اخیر، چند دنباله‌دار میان‌ستاره‌ای وارد منظومه شمسی ما شده‌اند، از جمله ۲I/بوریسوف و ۳i/ATLAS. این موضوع نشان می‌دهد که احتمال دارد برخی کوتوله‌های سفید به جای جذب اجرام بومی، اجرام میان‌ستاره‌ای را به دام بیندازند.
اعتبار تصویر: ناسا، تیم پایل (NASA/JPL-Caltech)
نویسندگان مقاله نوشتند:
«از آنجا که در چند سال اخیر سه دنباله‌دار میان‌ستاره‌ای در منظومه شمسی شناسایی شده، این احتمال وسوسه‌انگیز وجود دارد که برخی کوتوله‌های سفید اجرام میان‌ستاره‌ای را جذب کنند، نه اجرام سامانه خودشان.»
از آنجایی که دنباله‌دار بوریسوف شباهت‌های فراوانی با اجرام کمربند کویپر دارد، این فرضیه جذاب‌تر می‌شود.
پیامدهای علمی و آینده پژوهش
ساهاو تأکید کرد که مطالعه دقیق دنباله‌دار ۳i/ATLAS می‌تواند سرنخ‌های بیشتری در اختیار دانشمندان قرار دهد:
«تعیین ترکیب شیمیایی و محتوای آب این جرم، اطلاعات زیادی درباره منشأ آن آشکار خواهد کرد. چنین پژوهش‌هایی می‌تواند به ما کمک کند تا درک بهتری از فرایند شکل‌گیری سیارات داشته باشیم و همچنین بفهمیم آب چگونه به سیارات سنگی منتقل می‌شود.»
با این حال، تمایز قائل شدن میان یک جرم بومی (مانند دنباله‌دار یا سیاره کوتوله) و یک جرم میان‌ستاره‌ای بسیار دشوار است، زیرا پارامترهای ناشناخته زیادی وجود دارد و ترکیب شیمیایی تنها بخش محدودی از اطلاعات را آشکار می‌کند.
اما یک نتیجه روشن است:
«بررسی کوتوله سفید WD 1647+375 نشان می‌دهد اجرام یخی فراخورشیدی وجود دارند که می‌توانند آب و دیگر مواد فرّار را به سیارات سنگی در سامانه‌های فراخورشیدی منتقل کنند. این فرایند یکی از پیش‌نیازهای شکل‌گیری حیات در جهان‌های دیگر است.»
