يوضح كبلر 36 أن أنظمة الكواكب أقل قابلية للتنبؤ مما توقعنا

بالتعاون مع براندون ويغل

في السنوات الأولى من علم الكواكب الخارجية ، علم الفلكيون بنظام واحد فقط متعدد الكواكب: النظام الشمسي. لقد كانت لديهم نماذج ومحاكاة ، بالطبع ، ولكن طوال التسعينيات ، كانت النظرية وراء هذه النماذج تعتمد بشكل أساسي على نظامنا الكوكبي. على الرغم من عدم وجود أي نقاط بيانات أخرى ، فقد بدا أنه من المعقول افتراض أن معظم أنظمة الكواكب الخارجية الأخرى قد تم هيكلتها مثل نظيرتنا: مجموعة من الكواكب الأرضية تدور بالقرب من النجم المضيف ، مع كواكب عملاقة مشابهة لكوكب المشتري وزحل تدور بعيدًا.

بدأ هذا النموذج في الانهيار في منتصف التسعينيات ، عندما تحول اكتشاف كوكب المشتري الحار 51 Pegasi b إلى الحكمة التقليدية. عمالقة الغاز الضخمة ببساطة لا ينبغي أن تدور بالقرب من النجوم المضيفة لهم! ببطء ولكن بثبات ، فقد ثبت أن الكثير من افتراضاتنا حول بنية أنظمة الكواكب خاطئة تمامًا ، حيث نكتشف أمثلة عكسية للأفكار القديمة حول تكوين الكوكب.

بفضل التلسكوب الفضائي Kepler ، نعرف أنظمة متعددة الكواكب مثل Kepler-62 ، التي لديها خمسة كواكب خارجية مؤكدة. حتى هذا النظام ، رغم ذلك ، ليس غامضًا للغاية - مقارنةً بالآخرين التي وجدناها. الصورة الائتمان: ناسا

واحدة من أحدث المفاجآت تدور حول النجم العملاق كبلر 36. إنه ليس كوكبًا واحدًا ، ولكن كوكبان خارجيتان يُطلق عليهما Kepler-36b و Kepler-36c ، مع محاور شبه رئيسية تبلغ 0.115 AU و 0.128 AU. هذا يعني أن الكوكبين الخارجيين معبأان بالقرب من بعضهما البعض. هذا في حد ذاته ليس غريبًا جدًا ؛ الأمر الغريب هو أن الكواكب يجب أن تكون متشابهة إلى حد ما ، قادمة من نفس المنطقة من القرص الكوكبي الأولي - لكنها ليست كذلك. أحدهما عبارة عن كوكب أرضي كثيف يشبه الأرض ، بينما الآخر كوكب نبتون صغير يحتوي على غلاف غازي من الهيدروجين والهيليوم.

فكيف تتشكل كوكبتان خارجيتان مختلفتان تمامًا في نفس المكان بشكل أساسي؟ هذا سؤال جيد - وتبين أن إجابته حاسمة لفهمنا لماذا تتنوع الكواكب الخارجية بشكل مذهل. مع Brandon Weigel ، أقوم هذا الأسبوع بالتحري عن سبب اختلاف أنظمة الكواكب في الكون أكثر مما كنا نظن.

العثور على أنظمة متعددة الكواكب أمر صعب!

قام كبلر بمسح جزء صغير فقط من المجرة ، لكنه لا يزال يكتشف الآلاف من الكواكب الخارجية.

على مدار مهمته التي استغرقت تسع سنوات ، رصد تلسكوب كيبلر الفضائي أكثر من نصف مليون نجم بالقرب من الشمس. استخدم Kepler طريقة العبور للكشف عن الكواكب الخارجية. بحثت عن الانخفاضات الصغيرة في سطوع النجم. إذا تكررت تلك الانخفاضات بشكل منتظم ، فقد كان ذلك دليلًا قويًا على أنها نجمت عن كوكب خارج المجموعة الشمسية في مدار يمر بين كيبلر والنجم. عادةً ما يكون تمشيط بيانات مرشح الكواكب الخارجية بسيطًا مثل البحث عن الانخفاضات التي لها فترات واضحة ؛ ترى كل مجموعة الفجوات بين العبور.

بالنسبة للنجوم ذات الكواكب الخارجية العابرة المتعددة ، فإن الأمور تصبح صعبة. عادةً ما تنتج هذه الأنظمة منحنيات ضوئية مختلطة يمكن أن يخطئ بسهولة في الظواهر الأخرى ، مثل نقاط النجوم - أو يمكن تفويت العبور كليًا. في حالة كبلر 36 ، كانت هناك مشكلة إضافية. إن الكوكبين الخارجيين على كوكب الأرض قريبان تمامًا من بعضهما البعض ، ولذا فإنهما ينتجان اختلافات في توقيت العبور ، أو تلفزيونات TTV - وهي تغييرات في أوقات العبور المتوقعة الناتجة عن الجاذبية المتبادلة بينهما.

الشكل 1 ، كارتر وآخرون. 2012. يبدو منحنى الضوء الخام الذي ينتج عن التلسكوب (أعلى) ممتلئًا بتراجعات عشوائية ، ولكن هناك شيء غير عشوائي بشكل واضح في العمل: اثنين من الكواكب الخارجية العابرة ، Kepler-36b (أسفل اليسار) و Kepler-36c (أسفل اليمين).

في البداية ، غاب عن خوارزمية البحث المستخدمة من قبل Kepler تماما Kepler-36b ، والتي أنتجت الانخفاضات فقط حوالي 17 ٪ قوية مثل تلك الناتجة عن Kepler-36c. في النهاية ، اكتشفتها خوارزمية ثانية ، تأخذ التلفزيونات المحتملة في الحسبان ، لتكشف عن نظام أكثر ثراءً مما كان يعتقد الفلكيون في الأصل (كارتر وآخرون ، 2012). في الواقع ، انتهى الأمر بتلفزيونات TTV ، بعيدًا عن كونه تهديدًا ، إلى أن يصبح كنزًا من المعلومات. عادة ، لا ينتج عن العبور بواسطة كوكب خارج المجموعة الشمسية الوحيد سوى تقدير نصف قطره ، لكن أجهزة التلفزيون TTV سمحت للفريق بنمذجة قوى الجاذبية بين الكواكب بالنسبة إلى كتل التجربة المختلفة - وبالتالي استمدت كتلها الفعلية ، والتي بدورها وفرت نافذة على الكواكب الخارجية التراكيب.

كشفت الملاحظات الأولية عن كتل من 4.45 و 8.08 من كتل الأرض لـ Kepler-36b و Kepler-36c ، على التوالي ، ونصف القطر المقابل في 1.486 و 3.679 من نصف قطر الأرض. يكشف الحساب البسيط عن كثافات 7.46 جرام لكل سنتيمتر مكعب - أكثر كثافة من الأرض - و 0.89 جرام لكل سنتيمتر مكعب ، وهو قريب من زحل. كانت الآثار واضحة: Kepler-36b هو عالم صخري ذو قلب غني بالحديد ، في حين أن Kepler-36c غني بالمواد المتطايرة ويتمسك بجو يتكون أساسًا من الهيدروجين والهيليوم.

الشكل 3 ، كارتر وآخرون. 2012. إن رسم نقاط البيانات على مخطط دائرة نصف قطرها يوضح أن Kepler-36b ، بالقرب من أسفل ، هو عالم صخري ، في حين أن Kepler-36c ، بالقرب من القمة ، غازي.

كانت هذه مفاجأة. على الرغم من الدوران حول 0.01 فقط من الاتحاد الأفريقي ، كان العالم الداخلي أكثر تسع مرات من نظيره الخارجي. تتنبأ النماذج التقليدية لتشكيل النظام الكوكبي بأن هذا النوع من التناقض الهائل يجب أن يكون مستحيلاً. يجب أن يكون الكواكب الخارجية اثنين متشابهين تمامًا. ومع ذلك ، فإن البيانات تحكي قصة مختلفة.

حل البدائي لمشكلة البدائية

لم يكن الفلكيون يشعرون بالصدمة الكاملة لهذا اللغز. كارتر وآخرون. نظر باختصار في حلين محتملين للمشكلة: الهجرة أو التآكل الجوي. تشير فرضية الترحيل ، التي تم تطويرها في الأصل لتوضيح موضع كوكب المشتري الحار غير المتوقع ، إلى أن الكواكب الخارجية المدمجة في أقراص الكواكب الأولية يمكن أن تتحرك بشكل كبير من المناطق الخارجية إلى مدارات قريبة حول النجم. يمكن أن يحدث هذا من خلال تفاعلات المد والجزر مع القرص أو الاضطرابات مع الكواكب الأخرى. في هذا السيناريو ، كانت Kepler-36c قد تشكلت بعيدًا ، حيث تراكمت المواد المتطايرة ومظروف كبير من الهيدروجين / الهيليوم ، قبل أن يتم دفعها إلى مدار ضيق حول نجمها المضيف.

كان لوبيز وفورتني 2013 مهتمين باستكشاف الإمكانية الثانية. قد تتراكم الكواكب الأولية من جميع الأشكال والأحجام مع مغلفات كبيرة من الهيدروجين والهيليوم أثناء حياتها المبكرة ، لكن الكواكب الصغيرة منخفضة الكتلة القريبة من النجوم المضيفة تفقد غالبًا هذه الأجواء ، وتحتفظ بالغازات الثقيلة مثل الأكسجين والنيتروجين. الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة (XUV) تؤين الغاز في الغلاف الجوي العلوي وتسخنه ؛ هذا التأثير - المسمى photevaporation - أكثر وضوحا على الجزيئات الأخف وزنا ، مثل الهيدروجين والهيليوم ، وبالتالي فإن الهيئات التي تعاني من تدفقات عالية XUV تميل إلى فقدان هذه الغازات بسرعة إلى حد ما.

الشكل 2 ، لوبيز وفورتني 2013. أجرى الفلكيون 6000 محاكاة لمجموعة من الكتل الجوهرية والتدفقات والتراكيب والقصور الذاتي الحراري في محاولة لشرح نظام كبلر 36.

Kepler-36b و Kepler-36c قريبان جدًا معًا ، وإذا لم تحدث عملية الترحيل ، فيجب أن يكونا قد تلقيا نفس الكمية من تدفق XUV. إذن ، ما الذي يمكن أن يتسبب في فقدان المرء لمعظم جوه؟ اقترح لوبيز وفورتني أن الشرط الأولي البسيط كان يمكن أن يكون مختلفًا: الكتلة الأساسية. من المحتمل أن يكون Kepler-36b قد بدأ في البداية ككوكب أولي أقل ضخامة قليلاً من جارته ، مما يعني أنه كان لديه سرعة هروب أقل تقابلًا ، وبالتالي كان من السهل عليه فقدان الغاز.

قرر المنظرون اختبار ذلك. لقد قاموا بمحاكاة مجموعة كبيرة من نماذج الكواكب الخارجية ، والتي تغطي مجموعة واسعة من الكتل الأساسية والتراكيب. بعد محاكاة خسائر التبخير الضوئي على مدار 7 مليارات عام - عمر النظام - وجدوا معلمات تعيد إنتاج الخصائص المستمدة من الكواكب الخارجية. بدأت Kepler-36b بكتلة أساسية من 4.45 كتلة أرضية - تقريبًا نفس الكتلة الحالية - وفقدت كميات هائلة من الهيدروجين والهيليوم خلال المائة مليون عام الأولى. بعد ملياري سنة ، اختفى غلاف الهيدروجين / الهيليوم بالكامل.

الشكل 1 ، لوبيز وفورتني 2013. تطورت كيبلر -36 بي وكيبلر -36 سي ، في الوقت الذي بدأت فيهما بنفس التركيب ، بطرق مختلفة تمامًا خلال المائة مليون سنة الأولى من تكوينهما.

من ناحية أخرى ، احتفظ Kepler-36c بكمية كبيرة من غلافه بعد البدء بكتلة أساسية من 7.4 كتل أرضية. كما فقدت الكتلة بفضل عملية التبخير الضوئي ، ولكن ببطء أكبر ، وليس بشكل كبير. وهذا ما يجعله ينتهي به المطاف ككائن يشبه نبتون مع جو من الهيدروجين / الهيليوم ، يختلف كثيرًا عن جاره. حتى لو كان الكواكب قد بدأا بنفس التركيبة - 22٪ هيدروجين وهيليوم - كان الفرق في الكتلة الأساسية كافياً لإرسالهما على مسارين مختلفين تمامًا.

ماذا يعني هذا لعلم الكواكب الخارجية؟

فرضية الكتلة الأساسية مغرية للغاية. إذا كان هذا صحيحًا ، فهذا يعني أن العشوائية في الأقراص الكواكب الأولية يمكن أن تشكل الأنظمة بطرق مختلفة. إنه يزيل الحاجة إلى الترحيل - عملية دقيقة - لشرح هذا النوع من التباين في الكثافة. أخيرًا ، يجب أن يكون ذلك ممكنًا في أي نظام كوكبي أولي - وهو محظوظ ، لأن نفس التباين في الكثافة الغريبة لوحظ منذ ذلك الحين في أزواج أخرى من الكواكب الخارجية (انظر Kipping et al. 2014). في الوقت الحالي ، قد يكون من أبرز المرشحين لشرح نظام كبلر 36.

بغض النظر عن الآلية الكامنة وراء هذا الزوج من الكواكب الخارجية الغريبة ، فإنها تظهر أنه يمكن وجود أنظمة متنوعة للغاية من الكواكب الخارجية. لا أقصد أن أقول إن أي مزيج من الجماهير والتركيبات والمدارات يمكن أن يوجد ، لكن لا يزال يتعين علينا أن نتوقع اكتشاف أنظمة غريبة لن تكون في مكانها ، مثل ، حرب النجوم. لن يكون أمرًا مستحيلًا بالنسبة لأنواع تعيش في عالم الغاب أن تقفز في مركبة فضائية وتنتقل إلى عملاق غاز صغير قريب في غضون بضعة أشهر.

هل ما زلت مهتمًا بنوع الأنظمة الغريبة التي أتحدث عنها؟ كتب براندون ويغل مقالة رائعة حول الكواكب الخارجية التي قد تجدها - عوالم المحيطات والكواكب الحديدية وغيرها الكثير. تحقق من ذلك!