يمكن أن يفسر تقلص الكواكب لغز عوالم الكون المفقودة

كان هناك اختراق في قضية الكواكب المفقودة.

بينما اكتشفت بعثات البحث عن الكواكب آلاف العوالم التي تدور حولها النجوم البعيدة، هناك ندرة شديدة في الكواكب الخارجية التي يتراوح نصف قطرها بين 1.5 و ضعف قطر الأرض. هذا هو الوسط بين الأرض الفائقة الصخرية والأرض الكبيرة المغطاة بالغاز الكواكب يسمى ميني نبتون. منذ اكتشاف “ فجوة نصف القطر ” هذه في عام 2017 ، كان العلماء يبحثون عن سبب وجود عدد قليل جدًا من الأجرام السماوية متوسطة الحجم.

نشأ الدليل الجديد من طريقة جديدة للنظر في البيانات. قام فريق من الباحثين بقيادة تريفور ديفيد من معهد فلاتيرون بالتحقيق فيما إذا كانت فجوة نصف القطر تتغير مع تقدم الكواكب في العمر. قسموا الكواكب الخارجية إلى مجموعتين – صغيرة وكبيرة – وأعادوا تقييم الفجوة. ووجدوا أن أنصاف أقطار الكوكب الأقل شيوعًا من المجموعة الأصغر كانت أصغر في المتوسط ​​من أقلها شيوعًا من المجموعة الأقدم. في حين أن أندر حجم للكواكب الأصغر حجمًا كان حوالي 1.6 مرة نصف قطر الأرض ، إلا أنه يبلغ حوالي 1.8 مرة نصف قطر الأرض في الأعمار الأكبر.

يقترح الباحثون أن المعنى الضمني هو أن بعض النبتون الصغيرة تتقلص بشكل كبير على مدى مليارات السنين مع تسرب غلافها الجوي ، تاركًا وراءه نواة صلبة فقط. بفقدان غازها ، “يقفز” نبتون الصغير فجوة نصف قطر الكوكب ويصبح أرضًا فائقة. مع مرور الوقت ، تتحول فجوة نصف القطر حيث تقوم نبتون صغيرة أكبر وأكبر بالقفزة ، وتتحول إلى كواكب أرضية أكبر وأكبر. بعبارة أخرى ، الفجوة هي الفجوة بين أكبر حجم للأرض الفائقة وأصغر نبتون صغيرة الحجم والتي لا تزال قادرة على الاحتفاظ بغلافها الجوي. أبلغ الباحثون عن النتائج التي توصلوا إليها في 14 مايو المجلة الفلكية.

يقول ديفيد ، زميل باحث في مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية (CCA) التابع لمعهد فلاتيرون (CCA) في مدينة نيويورك: “النقطة الأساسية هي أن الكواكب ليست المجالات الثابتة للصخور والغازات ، فإننا نميل أحيانًا إلى التفكير فيها”. في بعض النماذج المقترحة سابقًا لفقدان الغلاف الجوي ، “كانت بعض هذه الكواكب أكبر بعشر مرات في بداية حياتها”.

تُعطي النتائج مصداقية لاثنين من المشتبه بهم المقترحين سابقًا في الحالة: الحرارة المتبقية من تكوين الكواكب والإشعاع المكثف من النجوم المضيفة. تضيف كلتا الظاهرتين الطاقة إلى الغلاف الجوي للكوكب ، مما يتسبب في هروب الغاز إلى الفضاء. يقول ديفيد: “من المحتمل أن يكون كلا التأثيرين مهمين ، لكننا سنحتاج إلى نماذج أكثر تعقيدًا لمعرفة مقدار مساهمة كل منهما ومتى” في دورة حياة الكوكب.

المؤلفون المشاركون في الورقة البحثية هم غابرييلا كونتاردو ، زميلة أبحاث CCA ، روث أنجوس ، عالمة الأبحاث المشاركة في CCA ، ميجان بيدل ، عالم الأبحاث المشارك دانييل فورمان-ماكي ، وباحث ضيف CCA صمويل جرونبلات.

استخدمت الدراسة الجديدة البيانات التي جمعتها مركبة الفضاء كبلر ، والتي قامت بقياس الضوء من النجوم البعيدة. عندما يتحرك كوكب خارج المجموعة الشمسية بين نجم وأرض ، يخفت الضوء المرصود من النجم. من خلال تحليل مدى سرعة دوران الكوكب حول نجمه ، وحجم النجم ، ومدى التعتيم ، يمكن لعلماء الفلك تقدير حجم الكوكب خارج المجموعة الشمسية. أدت هذه التحليلات في النهاية إلى اكتشاف فجوة نصف القطر.

اقترح العلماء سابقًا بعض الآليات المحتملة لإنشاء الفجوة ، مع حدوث كل عملية على نطاق زمني مختلف. يعتقد البعض أن الفجوة تحدث أثناء تكوين الكواكب عندما تتشكل بعض الكواكب دون وجود غاز قريب كافٍ لتضخيم حجمها. في هذا السيناريو ، يُطبع نصف قطر الكوكب ، وبالتالي فجوة نصف القطر ، عند الولادة. كانت الفرضية الأخرى هي أن الاصطدامات مع الصخور الفضائية يمكن أن تؤدي إلى تفجير الغلاف الجوي السميك للكوكب ، مما يمنع الكواكب الأصغر من تراكم الكثير من الغاز. ستستغرق آلية التأثير هذه ما يقرب من 10 ملايين إلى 100 مليون سنة.

تتطلب الآليات المحتملة الأخرى مزيدًا من الوقت. أحد الاقتراحات هو أن الأشعة السينية الشديدة والأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن نجم مضيف للكوكب تجرد الغاز بعيدًا مع مرور الوقت. تستغرق هذه العملية ، التي تسمى التبخير الضوئي ، أقل من 100 مليون سنة لمعظم الكواكب ، ولكن قد تستغرق مليارات السنين بالنسبة للبعض. اقتراح آخر هو أن الحرارة المتبقية من تكوين الكوكب تضيف الطاقة ببطء إلى الغلاف الجوي للكوكب ، مما يتسبب في هروب الغاز إلى الفضاء على مدى مليارات السنين.

بدأ ديفيد وزملاؤه تحقيقهم من خلال إلقاء نظرة فاحصة على الفجوة نفسها. قد يكون قياس أحجام النجوم والكواكب الخارجية أمرًا صعبًا ، لذا قاموا بتنظيف البيانات لتشمل فقط الكواكب التي كانت أقطارها معروفة بثقة. كشفت معالجة البيانات هذه عن فجوة فارغة أكثر مما كان يعتقد سابقًا.

ثم قام الباحثون بفرز الكواكب بناءً على ما إذا كانت أصغر أو أكبر من 2 مليار سنة. (للمقارنة ، يبلغ عمر الأرض 4.5 مليار سنة). وبما أن النجم وكواكبه تتشكل في وقت واحد ، فقد حددوا عمر كل كوكب بناءً على عمر نجمه.

تشير النتائج إلى أن نبتون الصغيرة غير قادرة على التمسك بغازها. على مدى مليارات السنين ، يتم تجريد الغاز ، تاركًا وراءه أرضًا عملاقة صلبة في الغالب. تستغرق هذه العملية وقتًا أطول في حالة النبتون الصغيرة – التي تصبح أكبر كواكب أرضية فائقة – ولكنها لن تؤثر على معظم الكواكب الغازية العملاقة ، والتي تكون جاذبيتها قوية بما يكفي لتحافظ على غلافها الجوي.

تشير حقيقة أن فجوة نصف القطر تتطور على مدى مليارات السنين إلى أن الجاني ليس اصطدامات كوكبية أو نزوة متأصلة في تكوين الكواكب. يقول ديفيد إن الحرارة المتبقية من داخل الكواكب التي تزيل الغلاف الجوي تدريجيًا مناسبة تمامًا ، لكن الإشعاع الشديد من الأم النجوم يمكن أن تساهم أيضًا ، خاصة في وقت مبكر. الخطوة التالية هي أن يقوم العلماء بنمذجة أفضل لكيفية تطور الكواكب لمعرفة التفسير الذي يلعب دورًا أكبر. قد يعني ذلك النظر في التعقيدات الإضافية مثل التفاعلات بين الأجواء الوليدة والمجالات المغناطيسية للكواكب أو محيطات الصهارة.

مقدمة من مؤسسة Simons