وجد الباحثون الذين يستخدمون بيانات من تلسكوب كيبلر الفضائي أن بعض الكواكب الخارجية تتقلص مع فقدان غلافها الجوي، ربما بسبب الإشعاع الصادر من قلوبها. يساعد هذا الاكتشاف في تفسير فجوة الحجم التي لوحظت في الكواكب الخارجية، ويشير إلى عملية فقدان كبيرة للغلاف الجوي تختلف عن التبخر الضوئي الذي تم نظريته سابقًا.

يمكن لدراسة جديدة أن تشرح الكواكب الخارجية “المفقودة” بين الكواكب الأرضية الفائقة والكواكب الفرعية نبتون.

يبدو أن بعض الكواكب الخارجية تفقد غلافها الجوي وتتقلص. في دراسة جديدة باستخدام ناساوباستخدام تلسكوب كيبلر الفضائي المتقاعد، وجد علماء الفلك دليلاً على سبب محتمل: أن نوى هذه الكواكب تدفع أغلفتها الجوية من الداخل إلى الخارج.

الفاصل الزمني لحجم الكواكب الخارجية

الكواكب الخارجية (الكواكب خارج نظامنا الشمسي) تأتي بأحجام مختلفة، من الكواكب الصخرية الصغيرة إلى عمالقة الغاز الضخمة. صخرة في المنتصف الأرض الفائقة ونبتونات فرعية كبيرة ذات أجواء منتفخة. لكن الكواكب التي يبلغ حجمها 1.5 إلى 2 ضعف حجم الأرض (أو بين الكواكب الأرضية الفائقة والكواكب الفرعية نبتون) – “فجوة الحجم” – غير واضحة، وهو أمر يحاول العلماء فهمه بشكل أفضل.

قال جيسي كريستيانسون، عالم الأبحاث في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/IPAC، وأرشيف الكواكب الخارجية في وكالة ناسا ورئيس قسم العلوم: “لقد أكد العلماء الآن اكتشاف أكثر من 5000 كوكب خارج المجموعة الشمسية، لكن الكواكب التي يبلغ قطرها 1.5 إلى 2 مرة أقل من المتوقع”. مؤلف دراسة جديدة في مجلة علم الفلك. “يمتلك علماء الكواكب الخارجية الآن ما يكفي من البيانات ليقولوا إن هذه الفجوة ليست صدفة. هناك شيء ما يحدث لمنع الكواكب من الوصول و/أو البقاء بهذا الحجم.

يُظهر مفهوم هذا الفنان الشكل الذي قد يبدو عليه الكوكب الخارجي التابع لنبتون TOI-421 b. وفي دراسة جديدة، وجد العلماء أدلة جديدة تشير إلى كيفية فقدان هذه الأنواع من الكواكب لأغلفتها الجوية. المصدر: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، وD. Player (STScI)

وافترض الباحثون أن هذه الفجوة يمكن تفسيرها من خلال فقدان بعض الكواكب الفرعية نبتون لغلافها الجوي بمرور الوقت. ستحدث هذه الخسارة إذا لم يكن لدى الكوكب ما يكفي من الكتلة والجاذبية للحفاظ على غلافه الجوي. لذا فإن الكواكب النبتونية الفرعية التي ليست كبيرة بما يكفي سوف تتقلص إلى حجم الأرض الفائقة، مما يترك فجوة بين الكواكب ذات الحجمين.

لكن كيف تفقد هذه الكواكب غلافها الجوي يظل لغزا. لقد استقر العلماء على آليتين محتملتين: إحداهما تسمى فقدان الكتلة بالطاقة الأساسية؛ آخر هو تبخر الضوء. وقد كشفت هذه الدراسة عن أدلة جديدة تدعم الفرضية الأولى.

يشرح هذا الفيديو الاختلافات بين الأنواع الرئيسية للكواكب أو الكواكب خارج نظامنا الشمسي. الائتمان: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

حل اللغز

وقال كريستيان إن فقدان الكتلة الناجم عن النواة يحدث عندما يدفع الإشعاع الصادر من قلب الكوكب الساخن الغلاف الجوي بعيدًا عن الكوكب بمرور الوقت، “ويدفع هذا الإشعاع من أسفل الغلاف الجوي إلى الأعلى”.

التفسير الرئيسي الآخر للفضاء بين الكواكب هو التبخر الضوئي، والذي يحدث عندما يتعرض الغلاف الجوي للكوكب للإشعاع الحراري من نجمه المضيف. وقال إنه في هذه الحالة، “يعمل الإشعاع عالي الطاقة الصادر عن النجم كمجفف شعر على مكعب ثلج”.

في حين يُعتقد أن التبخر الضوئي يحدث في أول 100 مليون سنة من عمر الكوكب، يُعتقد أن فقدان الكتلة الناجم عن النواة يحدث في وقت لاحق بكثير – أي ما يقرب من مليار سنة من عمر الكوكب. ولكن مع أي من الآليتين، يضيف كريستيان، “إذا لم يكن لديك كتلة كافية، فلن تتمكن من الاستمرار، وستفقد غلافك الجوي وتقلصك”.

يصف هذا المخطط الأنواع الرئيسية للكواكب الخارجية. يعمل العلماء على فهم أفضل لـ “فجوة الحجم” أو النقص الواضح في الكواكب التي تقع بين الأرض الفائقة والكواكب الفرعية نبتون. مصدر الصورة: ناسا/مختبر الدفع النفاث-معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

اكتشاف الأدلة من خلال الملاحظة

في هذه الدراسة، استخدم سيستينسن وزملاؤه بيانات من K2 التابعة لناسا، وهي مهمة موسعة لتلسكوب كيبلر الفضائي، للنظر في مجموعات النجوم التي يتراوح عمرها بين 600 مليون و 800 مليون سنة، برايسيبي وهياديس. نظرًا لأن الكواكب تعتبر عمومًا عمر نجمها المضيف، فإن الكواكب النبتونية الفرعية في هذا النظام قد تجاوزت العصر الذي يمكن أن يحدث فيه التبخر الضوئي، ولكنها ليست كبيرة بما يكفي لتعرض لفقدان الكتلة بسبب النواة.

لذا، إذا وجد الفريق الكثير من الكواكب النبتونية الفرعية في بريسيب وهياديس (مقارنة بالنجوم الأقدم في العناقيد الأخرى)، فيمكنهم استنتاج أن التبخر الضوئي لا يحدث. في هذه الحالة، فإن فقدان الكتلة الناتج عن النواة هو التفسير الأكثر ترجيحًا لما يحدث لرفيق نبتون الأقل ضخامة مع مرور الوقت.

وبالنظر إلى بريسيب وهياديس، وجد الباحثون أن ما يقرب من 100% من النجوم في هذه العناقيد لا تزال تحتوي على مواد ثانوية.نبتون كوكب أو كوكب مرشح في مدارهم. وبالحكم على حجم هذه الكواكب، يعتقد الباحثون أنها احتفظت بغلافها الجوي.

يصور هذا الرسم التوضيحي تلسكوب كيبلر الفضائي لصيد الكواكب الخارجية التابع لناسا. في 30 أكتوبر 2018، أعلنت الوكالة أن وقود كيبلر قد نفد وأنه سيعود إلى مداره الحالي والآمن بعيدًا عن الأرض. ترك كبلر إرثًا يضم أكثر من 2600 اكتشاف للكواكب الخارجية. حقوق الصورة: ناسا/ويندي ستينزيل/دانييل روتر

وهذا يتناقض مع النجوم القديمة الأخرى التي رصدها K2 (النجوم التي يزيد عمرها عن 800 مليون سنة)، والتي يدور 25٪ منها فقط حول الكواكب الفرعية نبتون. إن العصور القديمة لهذه النجوم قريبة من الإطار الزمني الذي يُعتقد أنه يحدث فيه فقدان الكتلة بالطاقة الأساسية.

ومن هذه الملاحظات، خلص الفريق إلى أن التبخر الضوئي لا يمكن أن يحدث في بريسيبي وهياديس. ولو حدث ذلك، لكان قد حدث منذ مئات الملايين من السنين، ولم يبق لهذه الكواكب سوى القليل من الغلاف الجوي. وهذا يجعل فقدان الكتلة الناتج عن النواة هو التفسير الرئيسي لما يحدث للأغلفة الجوية لهذه الكواكب.

استمرار البحث وإرث كيبلر

أمضى فريق كريستيانسن أكثر من خمس سنوات في وضع قائمة بالكواكب المرشحة للدراسة. لكنه قال إن البحث غير مكتمل، وقد يتطور الفهم الحالي للتبخر الضوئي و/أو فقدان الكتلة الناتج عن النواة. يجب اختبار النتائج من خلال الدراسات المستقبلية قبل أن يتمكن أي شخص من حل لغز هذا الفضاء بين الكواكب مرة واحدة وإلى الأبد.

أجريت الدراسة باستخدام أرشيف ناسا للكواكب الخارجية، الذي يديره معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا بموجب عقد مع وكالة ناسا كجزء من برنامج أبحاث الكواكب الخارجية الموجود في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في جنوب كاليفورنيا. JBL هي قسم من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

ملاحظة: “تحجيم K2. سابعا. جيسي ل. كريستيانسون، جون ك. زينك، كيفن ك. هارديجري أولمان، راشيل ب. فرنانديز، فيليب ف. هوبكنز، لويزا م. ريبول، كيرستن م. بولي، جالين ج. بيركستون وساكي بوري، 15 نوفمبر 2023، مجلة علم الفلك.
دوى: 10.3847/1538-3881/acf9f9

مهمة كيبلر التابعة لناسا

في 30 أكتوبر 2018، نفد الوقود من كيبلر، لتنتهي مهمته بعد تسع سنوات اكتشفت خلالها أكثر من 2600 كوكب مؤكد تدور حول نجوم أخرى وآلاف من المرشحين الإضافيين الذين يعمل علماء الفلك على تأكيدهم.

يدير مركز أبحاث أميس التابع لناسا في وادي السيليكون بولاية كاليفورنيا مهمتي كيبلر وK2 لصالح مديرية العمليات العلمية التابعة لناسا. قامت شركة JBL بإدارة تطوير مهمة كيبلر. تم تشغيل نظام الطيران من قبل شركة Paul Aerospace & Technologies Corporation بدعم من مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء في جامعة كولورادو في بولدر.