شکست جیمز وب در کشف راز سیاره‌های «پفکی» فراخورشیدی کپلر-۵۱

منظومه کپلر-۵۱: غول‌هایی به سبکی پشمک

منظومه کپلر-۵۱، شامل چهار سیاره است که توسط تلسکوپ کپلر ناسا کشف شده‌اند. سه سیاره از این مجموعه، با نام‌های ۵۱ b، ۵۱ c و ۵۱ d، توجه دانشمندان را به خود جلب کرده‌اند. این سیارات تقریباً هم‌اندازه زحل هستند، اما جرم آن‌ها تنها ۵.۶ برابر زمین است؛ در حالی که زحل ۹۵ برابر جرم زمین را داراست. این تفاوت فاحش به این معناست که این سیارات از نظر اندازه بسیار بزرگ، اما فوق‌العاده سبک و کم‌چگالی هستند.

جسیکا لیبر-رابرتز از دانشگاه تامپا، رهبر تیم تحقیقاتی، می‌گوید: «این سیارات با چگالی فوق‌العاده کم نادر هستند و درک متعارف از چگونگی شکل‌گیری غول‌های گازی را به چالش می‌کشند. اگر توضیح چگونگی تشکیل یکی از آن‌ها دشوار است، این منظومه سه سیاره دارد.»

چالش درک تشکیل سیارات

برای درک این سردرگمی، باید به نحوه شکل‌گیری سیاراتی مانند مشتری و زحل در منظومه شمسی خودمان نگاه کنیم. این غول‌های گازی با هسته‌های بزرگ و متراکمی آغاز شدند که هر کدام جرمی ده برابر زمین داشتند. این هسته‌ها ابتدا تشکیل شده و سپس، از طریق گرانش خود، مقادیر عظیمی از گاز را از دیسک اطراف خورشید جذب کردند.

اما در سیستم کپلر-۵۱، این فرآیند کاملاً متفاوت به نظر می‌رسد. این سیارات هسته‌های بسیار کوچکی دارند، اما توسط چنان جو عظیمی احاطه شده‌اند که چگالی ترکیبی آن‌ها با پشمک قابل مقایسه است. سوالی که دانشمندان را گیج کرده این است: چگونه این هسته‌های کوچک توانسته‌اند این مقدار گاز را جذب کنند؟

تلاش‌های هابل و جیمز وب برای کشف حقیقت

در تلاش برای درک منشأ این سیارات، دانشمندان در سال ۲۰۲۰ از تلسکوپ فضایی هابل برای مطالعه ترکیب شیمیایی جو این جهان‌ها، که در فاصله ۲۶۱۵ سال نوری از زمین قرار دارند، استفاده کردند. این مطالعه از طریق تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی انجام شد که بر عبور نور ستاره از جو سیاره هنگام گذر از مقابل ستاره‌اش متکی است.

• نتایج هابل: هابل هیچ اثری از مولکول یا واکنش شیمیایی پیدا نکرد. دانشمندان نتیجه گرفتند که یک لایه ضخیم از مه، سیاره را پوشانده و منظره را کاملاً مبهم کرده است.
• ورود جیمز وب: تلسکوپ فضایی جیمز وب، با استفاده از طیف‌سنج مادون قرمز نزدیک (NIRSpec) خود، برای نفوذ به این مه در کپلر-۵۱ d در طول موج‌های بلندتر وارد عمل شد. اما نتیجه یکسان بود: هیچ چیز، فقط مه.

سورات ماهدوان از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا می‌گوید: «این مه بسیار شبیه به مهی است که در تیتان، بزرگترین قمر زحل، می‌بینیم که حاوی هیدروکربن‌هایی مانند متان است، اما در مقیاسی بسیار بزرگتر. به نظر می‌رسد کپلر-۵۱ d مقدار زیادی مه، تقریباً نصف شعاع زمین، دارد.»

این بدان معناست که مهی که کپلر-۵۱ d را احاطه کرده، متراکم‌ترین مهی است که تاکنون در هر سیاره فراخورشیدی مشاهده شده است.

سن منظومه و فرضیه گذار سیاره‌ای

بخشی از پاسخ ممکن است در سن این منظومه نهفته باشد. منظومه کپلر-۵۱ تنها نیم میلیارد سال قدمت دارد، در مقایسه با منظومه شمسی ما که ۴.۵ میلیارد سال قدمت دارد، بسیار جوان است. از آنجا که این ستاره هنوز جوان است، بسیار فعال است و بادهای ستاره‌ای آن دائماً گازهای بیرونی را از این سیارات دور می‌کنند.

دانشمندان می‌گویند اگر یک میلیارد سال به عقب نگاه کنیم، ممکن است متوجه شویم که بیشتر گاز اطراف این سیارات تبخیر شده و تنها هسته‌های کوچکی باقی مانده است. به عبارت دیگر، ممکن است این سیارات را در یک مرحله گذار ببینیم که از غول‌های گازی به سیارات سنگی کوچک تبدیل می‌شوند.

اما این توضیح کل معما را حل نمی‌کند. حتی اگر این سیارات در مرحله گذار باشند، چگونه با چنین چگالی کم و در چنین فاصله نزدیکی از ستاره خود تشکیل شده‌اند؟

آینده تحقیقات و امید به کشف

با وجود عدم موفقیت در نفوذ به غبار کپلر-۵۱ d، تیم دیگری از دانشمندان در حال حاضر با استفاده از همان تکنیک در حال مطالعه سیاره همسایه کپلر-۵۱ b هستند. اگر آن‌ها در مشاهده ترکیب جو آن موفق شوند، این سرنخ‌ها می‌توانند به درک خواهر و برادرهای آن نیز کمک کنند.

یافته‌های این مطالعه در شماره ۱۶ مارس مجله نجوم منتشر شد.