يبدأ تلسكوب الفضاء على الويب التابع لناسا في الكشف عن أسرار أكثر كواكب المجرة غموضًا

يعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا أول من رفع الضباب حول نبتون الفرعي

ستوفر دراسات الغلاف الجوي المكثفة رؤى مهمة حول بعض الكواكب الأكثر شيوعًا – والغموض – المعروفة في المجرة.

ال درب التبانة أكبر من الأرض ولكنها أصغر قليلاً مما هي مليئة بالكواكب الغامضة نبتون، عطارد يدور حول نجومه أسرع وأقرب من الشمس. على بعد سنوات ضوئية ، يحجبها الضباب أو السحب ولا يوجد شيء يمكن مقارنته بنظامنا الشمسي ، تظل الطبيعة الدقيقة لهذه الكواكب شبه بحجم نبتون شبه المنتشرة في كل مكان لغزًا. من ماذا صنعوا؟ كيف تشكلوا؟ ماذا يمكن أن يقولوا عن الكواكب وتطور الكواكب بشكل عام؟

بفضل قدرته التي لا مثيل لها على قياس الفروق الدقيقة في سطوع ولون ضوء الأشعة تحت الحمراء الخافت ، ناساس تلسكوب جيمس ويب الفضائي النوع الأكثر شيوعًا الموجود في مجرة ​​درب التبانة هو في المقام الأول إزالة الضباب حول طبيعة ومظهر الكوكب.

تفسير أحجام الكواكب الخارجية الفرعية لنبتون TOI-421 b و GJ 1214 b مع الأرض ونبتون. يقع كل من TOI-421 b و GJ 1214 b بين الأرض ونبتون من حيث نصف القطر والكتلة والكثافة. تشير الكثافة المنخفضة لكوكبين إلى أنه يجب أن يكون لهما غلاف جوي أكثر كثافة. الكواكب مرتبة من اليسار إلى اليمين بترتيب زيادة نصف القطر والكتلة:
صورة للأرض من مختبر مناخ الفضاء السحيق: الأرض كوكب صخري يبلغ متوسط ​​محيطه 6370 كيلومترًا وكتلته حوالي 6 مليارات تريليون طن متري و 5.5 أضعاف كثافة الماء.
وصف TOI-421 b: TOI-421 b هو كوكب خارجي حراري تابع لنبتون يبلغ نصف قطره 2.68 ضعف كتلة الأرض ، و 7.2 أضعاف كتلة الأرض و 2.05 ضعف كثافة الماء.
وصف GJ 1214 b: GJ 1214 b هو كوكب خارجي ساخن شبه نبتون نصف قطره 2.74 مرة من الأرض ، و 8.2 مرة من كتلته و 2.2 مرة كثافة الماء.
صورة نبتون من فوييجر 2: نبتون هو كتلة جليدية عملاقة تبلغ 3.88 مرة نصف قطر الأرض (58 مرة كتلة الأرض) ، 17 مرة كتلة الأرض و 1.6 مرة كثافة الماء.
يوضح الوصف أن الكواكب تقاس من حيث نصف القطر ، ولكن ليس في الفضاء أو المسافة من نجومها. عندما تدور الأرض ونبتون حول الشمس ، يدور TOI-421 b حول نجم شبيه بالشمس على بعد حوالي 244 سنة ضوئية ، ويدور GJ 1214 b حول نجم قزم أحمر صغير على بعد 48 سنة ضوئية.
الائتمان: NASA و ESA و CSA و D. Player (STScI)

أكثر من نصف أنظمة النجوم الشبيهة بالشمس التي تمت دراستها في مجرة ​​درب التبانة تحتوي على نوع غامض من الكواكب على عكس تلك الموجودة في نظامنا الشمسي.

أكبر من الأرض ، أصغر من نبتون ويدور حول نجومها أقرب من عطارد يدور حول الشمس ، هذه النبتون الفرعية الساخنة هي أكثر أنواع الكواكب شيوعًا في المجرة. ومع ذلك ، على الرغم من تمكن الباحثين من قياس الخصائص الأساسية لهذه المئات من الكواكب ، بما في ذلك حجمها وكتلتها ومدارها ، إلا أن طبيعتها الأساسية غير واضحة.

هل هي كرات شبيهة بالصخور تشبه الأرض ملفوفة بطبقات سميكة من الهيدروجين وغاز الهليوم؟ أم أنها محاطة بصخور منخفضة الكثافة وجليد ، وأجواء مملوءة بالبخار؟ بسبب محدودية البيانات وعدم انتظام الحجم والمدار في نظامنا الشمسي ، من الصعب الإجابة على هذه الأسئلة للمقارنة.

يوضح عالم الفلك جاكوب بين “ما هذه الكواكب؟ كيف تتشكل؟ لماذا لا توجد في نظامنا الشمسي؟ هذه أسئلة أساسية”. جامعة شيكاغو الذي قاد العديد من ملاحظات كائنات فضائية.

شرح كيف يبدو كوكب خارج المجموعة الشمسية TOI-421 b. TOI-421 b هو كوكب خارجي ساخن بحجم نبتون يدور حول نجم على بعد حوالي 244 سنة ضوئية من الشمس. تعتبر TOI-421 b ذات جو صافٍ خالٍ من الضباب والغيوم. الائتمان: NASA و ESA و CSA و D. Player (STScI)

مشكلة الضباب

مفتاح اكتشاف مكونات نبتون الإضافية وكيف تشكلت هو استكشاف غلافها الجوي. لكن الحصول على رؤية واضحة ليس بالأمر السهل.

طريقة تحليل فعالة للغاية புறக்கோள் الغلاف الجوي هو تقنية تسمى التحليل الطيفي للإرسال. عندما يمر الكوكب عبر نجمه ، يتم ترشيح أطوال موجية معينة (ألوان) من الضوء النجمي بواسطة الغازات الموجودة في الغلاف الجوي للكوكب. نظرًا لأن كل نوع من الغاز له “توقيع” فريد أو مجموعة أطوال موجية يمتصها ، فمن الممكن تحديد ما يتكون منه الغلاف الجوي بناءً على الأنماط في طيف الإرسال.

نجحت هذه التقنية مع العديد من الكويكبات ، ولكن ليس لمعظم نبتون المساعدة. توضح إليزا كيمبتون من ماريلاند كوليدج بارك ، المتخصصة في النمذجة النظرية للأغلفة الجوية للكواكب الخارجية ، أن “ملاحظات الغلاف الجوي لكواكب نبتون الفرعية محدودة للغاية”. “معظمهم غير راضين عن حقيقة أن الأطياف لا يتم التعبير عنها كثيرًا في طريقة الميزات الطيفية التي تسمح باكتشاف الغازات في الغلاف الجوي.”

طيف الإرسال المحتمل لكوكب خارج المجموعة الشمسية الساخنة الفرعي نبتون TOI-421 ب. يُظهر طيف الإرسال كمية الضوء النجمي بأطوال موجية مختلفة (ألوان) يحجبها الغلاف الجوي للكوكب. يستخدم الباحثون نماذج الكمبيوتر للتنبؤ بالطيف من خلال التنبؤ بظروف جوية معينة يمكن الاعتماد عليها ، مثل درجة الحرارة وضغط الغازات المختلفة وأنواع الهباء الجوي الموجودة. الائتمان: ناسا ، وكالة الفضاء الأوروبية ، وكالة الفضاء الكندية ، داني بلاير (STScI) ، إليزا كيمبتون (UMD)

يبدو أن مشكلة الهباء الجوي والجزيئات الصغيرة والقطرات التي تشكل السحب أو الضباب هي المشكلة. تبعثر هذه الجسيمات الضوء النجمي ، مما يؤدي إلى تآكل القمم الطيفية الرئيسية إلى اهتزازات دقيقة ، مما يجعل الطيف غير فعال تقريبًا في تحديد تكوين الغاز.

لكن مع الويب ، يعتقد الباحثون أن هناك رؤية أوضح لنبتون الفرعي تلوح في الأفق. سيستخدم برنامجان للمراقبة بقيادة بين وكيمتون وكوكبين بحجم نبتون من المتوقع في السنة الأولى من عملية الويب قدرات ويب القوية الفريدة: GJ 1214 b ، وهو نبتون الفرعي الداعم للقوس ؛ و TOI-421 b ، أحدث اختراع.

Sub-Neptune ArcDybe: GJ1214b

كان GJ 1214 b ، رفيقًا حارًا يدور حول نجم قزم أحمر بالقرب من نبتون ، موضوعًا لعشرات الدراسات. إن مدته المدارية القصيرة ، وحجمه الكبير بالنسبة إلى نجمه ، وقربه المماثل من الأرض يجعل من السهل مراقبته بفعالية (مع مرور الكواكب الخارجية) ، في حين أن مقياس Sub-Neptune – ووفقًا لبين ، “نعرف أكثر الأشياء غموضًا” – يستحق التحقيق.

يوضح هذا الرسم التخطيطي المبسط لمنحنى طور الكواكب الخارجية التغيير في السطوع الكلي لنظام كوكبي نجمي عندما يدور الكوكب حول النجم. سيكون الكمبيوتر أكثر سطوعًا عندما يواجه الجانب المتوهج من الكوكب التلسكوب (المرحلة الكاملة) ويصبح باهتًا عندما يواجه الجانب المظلم التلسكوب (المرحلة الجديدة). الائتمان: ناسا ، وكالة الفضاء الأوروبية ، وكالة الفضاء الكندية ، داني بلاير (STScI)

سيقوم الفريق بالتحديق في نظام GJ 1214 لمدة 50 ساعة تقريبًا باستخدام أداة Webb’s Mid-Infrared (MIRI) حيث يكمل الكوكب أكثر من مدار كامل. سيقومون بتحليل البيانات بثلاث طرق مختلفة لتقليل التوليفات المحتملة للغازات والهباء الجوي التي تشكل الغلاف الجوي لـ GJ 1214 b.

التحليل الطيفي للإرسال: إذا كانت جزيئات مثل الماء أو الميثان أو الأمونيا وفيرة ، فيجب أن تكون واضحة في طيف النقل. لا ينبغي أن يتشتت ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة بواسطة الهباء الجوي مثل ضوء الأشعة تحت الحمراء المرئي والمجاور.

مطياف انبعاث الحرارة: يوفر ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة المنبعث من الكوكب معلومات حول درجة حرارة الكوكب وانعكاسه ، وكلاهما يتأثر بالغلاف الجوي. على سبيل المثال ، كوكب محاط بضباب مظلم ودافئ يمتص الضوء يكون أكثر دفئًا من الكوكب المغطى بالغيوم العاكسة الساطعة.

رسم خرائط درجة حرارة منحنى المرحلة: على الرغم من أن الويب لا يمكنه مراقبة GJ 1214 b مباشرة (الكوكب قريب جدًا من نجمه) ، إلا أنه حساس بدرجة كافية لقياس التغييرات الأكثر دقة في الكمية الإجمالية للضوء القادم من النظام أثناء دورانه حول النجم. سيستخدم الباحثون منحنى الطور GJ 1214 b لرسم خريطة لمتوسط ​​درجة حرارة الكوكب مع خط الطول. سيوفر معلومات إضافية عن الغلاف الجوي وزخرفة الغلاف الجوي.

Hot Sub-Neptune TOI-421 ب

ليس من الواضح ما الذي صنعت منه الهباء الجوي حول نبتون الفرعية الساخنة ، مثل GJ 1214b ، لكنها ربما تشبه الضباب المشكل للدخان. زحلالقمر تيتان. لاختبار هذه الفرضية ، قرر الباحثون استهداف TOI-421 b ، وهو مماثل في الحجم والكثافة لـ GJ 1214 b ، ولكن يُعتقد أنه حار جدًا بحيث لا يكون الفأر ضبابيًا.

يراقب Webb TOI-421b مرتين أثناء مروره عبر نجمه ، باستخدام جهاز التصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة والطيف غير المشقوق (NIRISS) ومرة ​​أخرى مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec) لإنشاء طيف إرسال كامل بالأشعة تحت الحمراء. كوكب. إذا كانت الفرضية صحيحة وكانت سماء TOI-421 b واضحة ، فيمكن استخدام الطيف لقياس وفرة الجزيئات مثل الماء والميثان وثاني أكسيد الكربون. إذا تم العثور على TOI-421b به مشكلة الهباء الجوي ، فسيستخدم الفريق البيانات لفهم سبب هذه الهباء بشكل أفضل.

يأمل كيمبتون وبين أنه من خلال استكشاف أجواء نبتون الفرعية بطرق مختلفة عبر الويب ، سيبدأ العلماء أخيرًا في فهم ليس فقط هذين الكائنين المحددين ، ولكن أيضًا نوعًا كاملاً من الكواكب.

سيتم إجراء كل من ملاحظات MIRI لـ GJ 1214 b و NIRISS و NIRSpec من TOI-421 b كجزء من برنامج Webb’s Cycle 1 General Observers. تم اختيار برامج المراقبة العامة بشكل تنافسي باستخدام طريقة المراجعة المزدوجة المجهولة ، وهو نفس النظام المستخدم لتخصيص الوقت في هابل.

سيكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو مختبر علوم الفضاء الأول في العالم عندما يتم إطلاقه في عام 2021. سيحل الويب ألغاز نظامنا الشمسي ، إلى ما وراء العوالم البعيدة حول النجوم الأخرى ، ويستكشف الهياكل والأصول الغامضة لكوننا وفضائنا. هل فيه. الويب هو مشروع دولي بقيادة شركاء ناسا ESA (وكالة الفضاء الأوروبية) ووكالة الفضاء الكندية.