به لطف تلسکوپ‌های نسل جدید، ابزارهای پیشرفته و یادگیری ماشین، اخترشناسان توانسته‌اند تحقیقات عمیق‌تری درباره اسرار کیهانی انجام دهند، کشفیات جدیدی داشته باشند و باورهای پیشین را به چالش بکشند. یکی از این حوزه‌ها، مطالعه چگونگی شکل‌گیری منظومه‌های سیاره‌ای در اطراف ستارگان جدید است؛ پدیده‌ای که دانشمندان تاکنون با استفاده از نظریه سحابی توضیح می‌دادند.
این نظریه بیان می‌کند که منظومه‌های ستاره‌ای از ابرهای گاز و غبار (سحابی‌ها) که در اثر گرانش فرو می‌پاشند، تشکیل می‌شوند و یک ستاره جدید ایجاد می‌کنند. گاز و غبار باقی‌مانده سپس به یک دیسک پیش‌سیاره‌ای در اطراف ستاره جدید تبدیل می‌شود که به تدریج سیاره‌ها را شکل می‌دهد. به طور طبیعی، اخترشناسان فرض می‌کردند ترکیب شیمیایی سیاره‌ها باید با ترکیب دیسک اولیه مطابقت داشته باشد. اما یک تیم اخترشناس در هنگام بررسی یک سیاره فراخورشیدی در حال شکل‌گیری در منظومه‌ای دوردست، تناقضی میان گازهای موجود در جو سیاره و گازهای داخل دیسک مشاهده کردند. این یافته‌ها نشان می‌دهد که رابطه میان دیسک پیش‌سیاره‌ای و سیاره‌هایی که از آن شکل می‌گیرند، ممکن است پیچیده‌تر از تصورات باشد.
رهبری این تیم را دکتر چی-چون “دینو” شو، پژوهشگر پسادکتری در مرکز اکتشافات میان‌رشته‌ای و پژوهش‌های اخترفیزیک (CIERA) در دانشگاه نورث‌وسترن بر عهده داشت. او و همکارانش با محققانی از مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech)، دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو (UCSD) و دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس (UCLA) همکاری کردند. مقاله‌ای که جزئیات یافته‌های آنها را شرح می‌دهد، با عنوان «نسبت کربن به اکسیژن مشابه ستاره در PDS 70b» اخیراً در Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.
مطالعه سیاره‌ای در حال شکل‌گیری
برای این مطالعه، تیم تحقیقاتی از ابزار جدید تصویربردار و تحلیلگر سیاره‌ای کک (KPIC) در رصدخانه W.M. Keck استفاده کردند تا طیف‌هایی از سیاره PDS 70b تهیه کنند. این سیاره فراخورشیدی که هنوز در حال شکل‌گیری است، به دور ستاره‌ای جوان و متغیر (با عمر تقریبی ۵ میلیون سال) واقع در ۳۶۶ سال نوری از زمین می‌چرخد. این سیاره تنها نمونه شناخته‌شده‌ای است که سیارات پیش‌سیاره‌ای آن در حفره دیسک پیرامون‌ستاره‌ای که از آن شکل گرفته‌اند، قرار دارند و به همین دلیل، نمونه‌ای ایده‌آل برای مطالعه فرایندهای شکل‌گیری و تکامل سیاره‌ها در محیط اولیه‌شان به شمار می‌آید.
جیسون وانگ، استاد فیزیک و اخترشناسی دانشگاه نورث‌وسترن و مشاور شو، در بیانیه‌ای توضیح داد:
«این سامانه‌ای است که در آن می‌توان هم سیارات در حال شکل‌گیری و هم مواد اولیه‌ای را که از آن ساخته شده‌اند مشاهده کرد. مطالعات قبلی این دیسک گاز را برای درک ترکیب شیمیایی آن تجزیه و تحلیل کرده بودند. اما برای اولین بار توانستیم ترکیب شیمیایی خود سیاره در حال شکل‌گیری را اندازه‌گیری کنیم و ببینیم که این مواد چقدر به مواد موجود در دیسک شباهت دارند.»
یافته‌هایی فراتر از انتظارات
طیف‌های به دست آمده، حضور مونوکسید کربن و آب را در جو PDS 70b نشان داد. این اطلاعات به تیم کمک کرد تا نسبت کربن به اکسیژن جو را محاسبه و با اندازه‌گیری‌های پیشین گازهای دیسک مقایسه کنند. شو توضیح داد:
«ابتدا انتظار داشتیم نسبت کربن به اکسیژن در سیاره مشابه دیسک باشد. اما در عوض، متوجه شدیم که میزان کربن در مقایسه با اکسیژن در سیاره بسیار کمتر از نسبت موجود در دیسک است. این موضوع کمی تعجب‌آور بود و نشان می‌دهد که تصویر پذیرفته‌شده ما از فرایند شکل‌گیری سیاره‌ها بیش از حد ساده بوده است.»
چرا این تفاوت وجود دارد؟
تیم تحقیقاتی دو توضیح احتمالی برای این اختلاف ارائه کرد:
- سیاره ممکن است پیش از غنی‌شدن دیسک از کربن شکل گرفته باشد.
- سیاره احتمالاً عمدتاً از طریق جذب مقادیر زیادی مواد جامد علاوه بر گازها رشد کرده است.
در حالی که طیف‌ها فقط گازها را نشان می‌دهند، محققان اذعان داشتند که بخشی از کربن و اکسیژن ممکن است از مواد جامد به دام افتاده در یخ و غبار به دست آمده باشد. شو افزود:
«برای اخترفیزیکدانان رصدی، یک تصویر پذیرفته‌شده از شکل‌گیری سیاره احتمالاً بسیار ساده بود. طبق این تصویر، نسبت کربن و اکسیژن گازی در جو یک سیاره باید با نسبت همین عناصر در دیسک اولیه مطابقت داشته باشد، البته اگر سیاره مواد را از طریق گازهای دیسک جذب کند. اما اکنون با این یافته‌ها می‌توانیم تأیید کنیم که این تصویر بسیار ساده بوده است.»
وانگ اضافه کرد:
«اگر سیاره عمدتاً یخ و غبار جذب کرده باشد، این مواد قبل از ورود به سیاره تبخیر شده‌اند. بنابراین، شاید این نشان می‌دهد که نمی‌توان فقط گازها را با گازها مقایسه کرد. ترکیبات جامد ممکن است نقش مهمی در نسبت کربن به اکسیژن داشته باشند.»
گام‌های بعدی
برای بررسی بیشتر این نظریه‌ها، تیم برنامه‌ریزی دارد طیف‌هایی از PDS 70c، دیگر سیاره در حال شکل‌گیری در این سامانه، تهیه کند. شو گفت:
«با مطالعه این دو سیاره با هم، می‌توانیم تاریخچه شکل‌گیری این سامانه را بهتر درک کنیم. البته، این فقط یک سامانه است. ایده‌آل این است که تعداد بیشتری از این موارد را شناسایی کنیم تا نحوه شکل‌گیری سیاره‌ها را بهتر بفهمیم.»
