“برای اخترفیزیک‌دانان رصدی، یک تصویر پذیرفته‌شده از تشکیل سیارات احتمالاً بیش از حد ساده بوده است.”
دانشمندان کشف کرده‌اند که سیارات می‌توانند با حلقه‌های گردان گاز و گردوغباری که از آن‌ها به وجود آمده‌اند، تفاوت داشته باشند. این کشف نشان می‌دهد که مدل‌های تشکیل سیاره‌ای که دانشمندان به آن‌ها علاقه دارند، ممکن است بیش از حد ساده باشند.
یک تیم تحقیقاتی به رهبری پژوهشگرانی از دانشگاه نورث‌وسترن در ایلینوی این کشف را هنگام مشاهده یک سیاره در حال شکل‌گیری و دیسک مواد زادگاهی آن انجام دادند.
سیاره فراخورشیدی مورد بررسی در این پژوهش، PDS 70b، یک غول گازی است که جرمی حدود سه برابر مشتری و عرضی تقریباً سه برابر آن دارد. این سیاره که در فاصله ۳۶۹ سال نوری از ما قرار دارد، در فاصله‌ای حدود ۲۰ برابر فاصله زمین تا خورشید به دور ستاره خود می‌چرخد و یک دور کامل آن معادل ۱۱۹.۲ سال زمینی است.
همان‌طور که انتظار داریم فرزندان شباهتی به والدین خود داشته باشند، دانشمندان نیز انتظار داشته‌اند که سیارات شباهت‌هایی با دیسک‌های مواد اطراف ستاره‌های نوزاد، به نام دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای، داشته باشند که از آن‌ها شکل گرفته و در حین تکامل در آن قرار می‌گیرند.
چیه-چون “دینو” شو، رهبر این تیم تحقیقاتی از دانشگاه نورث‌وسترن، در بیانیه‌ای گفت:
“برای اخترفیزیک‌دانان رصدی، یک تصویر پذیرفته‌شده از تشکیل سیارات احتمالاً بیش از حد ساده بوده است. طبق این تصویر ساده‌شده، نسبت گازهای کربن و اکسیژن در جو یک سیاره باید با نسبت این گازها در دیسک زادگاهی آن مطابقت داشته باشد، به شرط آنکه سیاره مواد را از طریق گازهای موجود در دیسک جذب کند. اما ما سیاره‌ای پیدا کردیم که نسبت کربن به اکسیژن در آن بسیار کمتر از دیسک زادگاهی‌اش است. اکنون می‌توانیم این شک را تأیید کنیم که تصویر تشکیل سیاره بیش از حد ساده بوده است.”
سیارات مسیر خود را می‌سازند
سیارات زمانی شکل می‌گیرند که مواد اطراف ستاره‌های نوزاد دیسکی پیش‌سیاره‌ای را تشکیل می‌دهند. در طول میلیون‌ها سال، قطعاتی از گاز سرد و گردوغبار در این دیسک تحت تأثیر جاذبه خود تجمع یافته و بذر سیارات را تشکیل می‌دهند.
بررسی این مرحله از تکامل سیارات دشوار بوده است، زیرا تا همین اواخر، مشاهده مستقیم یک سیاره در میان پوشش زادگاهی آن غیرممکن بود. معمولاً زمانی که سیارات قابل مشاهده می‌شوند، سن زیادی دارند و پوشش زادگاهی آن‌ها پراکنده شده است.
اما سیستم اطراف ستاره نوزاد PDS 70 متفاوت است. در اینجا دو سیاره که حدود ۵ میلیون سال قدمت دارند، یعنی PDS 70b و PDS 70c، در پوشش‌های خود قابل تمایز هستند.
جیسون وانگ، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه نورث‌وسترن، گفت:
“این یک سیستم است که در آن می‌توان هر دو سیاره در حال شکل‌گیری و مواد تشکیل‌دهنده آن‌ها را مشاهده کرد. مطالعات قبلی این دیسک گاز را برای درک ترکیبات آن تحلیل کرده‌اند. برای اولین بار توانستیم ترکیبات شیمیایی خود سیاره در حال شکل‌گیری را اندازه‌گیری کنیم و شباهت مواد آن را با مواد موجود در دیسک بررسی کنیم.”
فناوری جدید برای مشاهده جزئیات
برای تعیین ترکیبات شیمیایی دیسک و PDS 70b، تیم نوری که از سیستم ستاره‌ای جوان منتشر می‌شد، بررسی کرد. این کار به لطف این واقعیت امکان‌پذیر است که عناصر شیمیایی نور را در طول‌موج‌های خاص جذب و منتشر می‌کنند. این بدان معناست که عناصر موجود در جوها اثر انگشت خاصی بر نور ستارگان که از میان آن‌ها عبور می‌کند، به جا می‌گذارند.
این تیم فناوری جدیدی توسعه داد که ویژگی‌های ضعیفی را که در غیر این صورت غیرقابل تشخیص بودند، قابل مشاهده می‌کرد.
وانگ گفت:
“این ابزارهای جدید امکان برداشت طیف‌های بسیار دقیق از اجرام ضعیف در کنار اجرام بسیار درخشان را فراهم می‌کنند. چالش در اینجا این است که یک سیاره بسیار ضعیف در کنار یک ستاره بسیار درخشان قرار دارد. جدا کردن نور سیاره برای تحلیل جو آن سخت است.”
یافته‌های غیرمنتظره
از این داده‌ها، تیم توانست اطلاعاتی درباره آب و مونوکسید کربن اطراف PDS 70b به دست آورد و از این طریق نسبت کربن به اکسیژن در جو سیاره را استنباط کرد. سپس این نسبت را با نسبت همان گازها در دیسک تشکیل‌دهنده سیاره مقایسه کردند.
شو توضیح داد:
“در ابتدا انتظار داشتیم که نسبت کربن به اکسیژن در سیاره مشابه دیسک باشد. اما در عوض، دریافتیم که کربن در مقایسه با اکسیژن در سیاره بسیار کمتر از نسبت موجود در دیسک است. این کمی شگفت‌آور بود و نشان می‌دهد که تصویر پذیرفته‌شده ما از تشکیل سیارات بیش از حد ساده بوده است.”
این تیم دقیقاً نمی‌داند چه چیزی باعث شده است که PDS 70b از ابر پیش‌زادگاهی خود متفاوت شود، اما دو توضیح ممکن ارائه داده‌اند.
اولین احتمال این است که PDS 70b قبل از غنی شدن دیسک پیش‌سیاره‌ای با کربن شکل گرفته است. احتمال دیگر این است که این سیاره با جذب مقدار زیادی از مواد جامد به جای گازها رشد کرده باشد.
وانگ گفت:
“اگر سیاره ترجیحاً یخ و گردوغبار جذب کرده باشد، آن یخ و گردوغبار قبل از ورود به سیاره تبخیر شده‌اند. بنابراین ممکن است این به ما بگوید که نمی‌توانیم صرفاً گاز را با گاز مقایسه کنیم. اجزای جامد ممکن است تأثیر زیادی بر نسبت کربن به اکسیژن داشته باشند.”
گام‌های بعدی
گام بعدی این پژوهشگران بررسی دقیق‌تر سیستم ستاره‌ای PDS 70 است که شامل مطالعه سیاره PDS 70c، همراه PDS 70b خواهد بود.
شو افزود:
“با مطالعه این دو سیاره با هم، می‌توانیم تاریخچه تشکیل این سیستم را بهتر درک کنیم. اما همچنین این تنها یک سیستم است. به‌طور ایده‌آل، باید سیستم‌های بیشتری شناسایی کنیم تا بهتر بفهمیم که سیارات چگونه شکل می‌گیرند.”
