الكواكب العملاقة: ما حجمها؟ ويب لديه الجواب

اكتشاف باستخدام تلسكوب جيمس ويب يكشف الكبريت في ثلاثة كواكب خارجية غازية في نظام HR 8799 ويعيد فتح النقاش حول كيفية تشكل الكواكب العملاقة

يوجد في نظامنا الشمسي مثالان معروفان: كوكب المشتري وزحل. تُسمى هذه الكواكب بالعمالقة الغازية لأنها، على عكس الأرض أو المريخ، وهي كواكب صخرية، تتكون أساسًا من الغاز، وهي أكبر بكثير. البقعة البرتقالية الشهيرة لكوكب المشتري، وهي عاصفة ضخمة، يمكن أن تتسع لأكثر من مساحة الأرض

لعقود من الزمن، ناقش علماء الفلك ما إذا كانت العمالقة الغازية تولد عن طريق التراكم التدريجي لنواة صلبة تجذب الغاز بعد ذلك، أو ما إذا كانت تنشأ من الانهيار السريع لسحابة محيطة بالنجم. وقد أتاح وصول تلسكوب جيمس ويب الفضائي، ذو التحليل الطيفي عالي الحساسية، النظر إلى هذه الأجواء بمزيد من التفصيل والبحث عن آثار كيميائية توضح أصلها.

قام فريق بقيادة جامعة كاليفورنيا في سان دييغو بدراسة نظام HR 8799، الذي يقع على بعد 133 سنة ضوئية في كوكبة بيجاسوس. إنه نظام مشهور باستضافة أربعة عمالقة غازية مرئية مباشرة. تبلغ كتلة هذه العوالم ما بين خمسة إلى عشرة أضعاف كتلة كوكب المشتري، وتدور على مسافات تتراوح بين 15 إلى 70 وحدة فلكية (وحدة فلكية واحدة هي متوسط ​​المسافة الفاصلة بين الأرض والشمس). وفي مثل هذه الأنظمة الباردة والبعيدة، قالت النظرية الكلاسيكية إنه لم يكن هناك وقت لنمو مثل هذه النوى الصلبة الكبيرة قبل أن يتبدد القرص الغازي.

الكواكب العملاقة والكبريت

كان مفتاح العمل هو التحول من الجزيئات “المتطايرة”، مثل الماء أو أول أكسيد الكربون، إلى عناصر حرارية، وهي شهود أكثر إخلاصًا للمكان الذي تشكلت فيه. والكبريت هو واحد منها، لأنه في أقراص الكواكب الأولية يرتبط بالمواد الصلبة، وليس بالغاز. إذا ظهر توقيعه في الغلاف الجوي لكوكب ما، فإنه يشير إلى أن هذا الكوكب نما عن طريق تراكم النواة، أي من خلال دمج الصخور والجليد أولاً، ثم الغاز لاحقًا. وقد وجد الفريق إشارة واضحة لوجود الكبريت في HR 8799 c ويعتبر أنه من المحتمل وجوده أيضًا في الكوكبين الداخليين الآخرين المرصودين.

“بفضل حساسيته غير المسبوقة، يتيح تلسكوب جيمس ويب الفضائي إجراء دراسة أكثر تفصيلاً للأغلفة الجوية لهذه الكواكب، مما يمنحنا أدلة حول مسارات تكوينها. ومع اكتشاف الكبريت، يمكننا أن نستنتج أن كواكب HR 8799 ربما تشكلت بشكل مشابه لكوكب المشتري على الرغم من كونها أكبر بخمس إلى عشر مرات، وهو أمر غير متوقع”، كما قال جان بابتيست روفيو، الباحث في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو والمؤلف المشارك الأول للدراسة. JWST هو اختصار لتلسكوب جيمس ويب الفضائي، التلسكوب الفضائي الذي يعمل في الأشعة تحت الحمراء.

نظام HR 8799 شاب، عمره حوالي 30 مليون سنة، في حين يبلغ عمر نظامنا حوالي 4.6 مليار سنة. تتألق الكواكب الشابة بشكل أكثر سطوعًا لأنها لا تزال تحتفظ بالحرارة، مما يجعل التحليل الطيفي أسهل. ولكن هنا كان هناك تحدي إضافي. الكواكب أضعف بنحو 10000 مرة من نجومها، ولم يتم تصميم مطياف تلسكوب جيمس ويب الفضائي لشيء متطرف إلى هذا الحد. طور روفيو وفريقه تقنيات محددة لتحليل البيانات لاستخراج الإشارة. بالتوازي، قام جيري شوان، زميل 51 Pegasi b في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، بتحسين نماذج الغلاف الجوي لمقارنتها بالأطياف وتأكيد وجود مركبات مثل كبريتيد الهيدروجين، H₂S.

وبالإضافة إلى الكبريت، لاحظ الفريق أن الكواكب غنية بالعناصر الثقيلة، مثل الكربون والأكسجين، أكثر من نجومها. هذه “المعدنية” الموحدة الأعلى من تلك الموجودة في النجم تذكرنا بكوكب المشتري، وتعزز التفسير القائل بأنهما تشكلا ككواكب، وليس كأقزام بنية. الأقزام البنية، والتي تسمى أحيانًا “النجوم الفاشلة”، لا تقوم بدمج الهيدروجين، على الرغم من أنها تستطيع دمج الديوتيريوم، وعادة ما تتشكل عن طريق الانهيار المباشر للسحابة. تقع الحدود بين الكوكب والقزم البني بحوالي 13 كتلة كوكب المشتري، ويُختصر M_Jup.

لا ينهي هذا العمل النقاش، لكنه يستبعد نماذج التراكم الأساسية القديمة التي لم تسمح لمثل هذه الكواكب الكبيرة بالتشكل على مسافة بعيدة. قال كوين كونوباكي، المؤلف المشارك في الدراسة: “أعتقد أن هذا يوضح أن النماذج القديمة لتراكم النواة أصبحت قديمة”. “من بين النماذج الجديدة، ننظر إلى تلك التي يمكن للعمالقة الغازية أن تشكل نواة صلبة بعيدة جدًا عن نجمها.” السؤال الذي يبقى في الهواء استفزازي. “ما حجم الكوكب الذي يمكن أن يصل إليه؟” يسأل روفيو. “هل يمكن أن يكون لديه 15، 20، 30 كتلة من كتلة المشتري ويظل يتشكل ككوكب؟ أين هو الانتقال بين تكوين الكواكب وتكوين القزم البني؟”

مرجع

إثراء معدني موحد يشبه كوكب المشتري في نظام مكون من كواكب خارجية عملاقة متعددة (EurekAlert!)