تلسكوب ويب الفضائي التابع لناسا مهيأ لكشف أسرار أكثر كواكب مجرة ​​غموضًا

رسم توضيحي يوضح الشكل الذي يمكن أن يبدو عليه كوكب خارج المجموعة الشمسية GJ 1214 b بناءً على المعلومات الحالية. GJ 1214 b ، كوكب خارجي دافئ بحجم نبتون يقع على بعد 48 سنة ضوئية تقريبًا من الأرض ، وهو أحد أكثر الكواكب الخارجية التي تمت دراستها في المجرة. تشير الملاحظات الطيفية السابقة إلى أن الكوكب محاط بالهباء الجوي (السحب أو الضباب) ، مما جعل من المستحيل حتى الآن تحديد تكوين الغازات التي يتكون منها غلافه الجوي السميك. الائتمان: NASA و ESA و CSA و D. Player (STScI)

استعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا لرفع الضباب المحيط بنبتون الفرعية

ستوفر الدراسات التفصيلية للغلاف الجوي رؤى أساسية حول بعض الكواكب الأكثر شيوعًا – والغموض – المعروفة في المجرة.

ال درب التبانة مليء بالكواكب الغامضة الأكبر من الأرض ولكنها أصغر إلى حد ما نبتون، يتسابق حول نجومهم أسرع وأقرب من عطارد يدور حول الشمس. على بعد سنوات ضوئية ، محجوبًا بالضباب أو الغيوم ، ولا يوجد شيء يمكن مقارنته في نظامنا الشمسي ، تظل الطبيعة الدقيقة لهذه الكواكب شبه بحجم نبتون شبه المنتشرة في كل مكان لغزًا. من ماذا صنعوا؟ كيف تشكلوا؟ وماذا يمكن أن يخبرونا عن الكواكب وتطور الكواكب بشكل عام؟

بفضل قدرته التي لا مثيل لها على قياس الاختلافات الدقيقة للغاية في سطوع ولون ضوء الأشعة تحت الحمراء الخافت ، ناسا‘س تلسكوب جيمس ويب الفضائي مُعد لرفع الضباب المحيط بطبيعة وأصل أكثر أنواع الكواكب شيوعًا التي لوحظت في مجرة ​​درب التبانة.

رسم توضيحي يقارن أحجام الكواكب الخارجية الفرعية لنبتون TOI-421 b و GJ 1214 b بالأرض ونبتون. يقع كل من TOI-421 b و GJ 1214 b بين الأرض ونبتون من حيث نصف القطر والكتلة والكثافة. تشير الكثافة المنخفضة لكوكبين خارج المجموعة الشمسية إلى أنه يجب أن يكون لهما غلافان جويان سميكان. الكواكب مرتبة من اليسار إلى اليمين بترتيب زيادة نصف القطر والكتلة:
صورة الأرض من مرصد المناخ في الفضاء السحيق: الأرض كوكب صخري يبلغ متوسط ​​نصف قطره حوالي 6370 كيلومترًا ، وتبلغ كتلته حوالي 6 مليارات تريليون طن متري ، وبكثافة تبلغ 5.5 أضعاف كثافة الماء.
شكل توضيحي لـ TOI-421 b: TOI-421 b هو كوكب خارجي ساخن شبه نبتون نصف قطره 2.68 مرة الأرض ، وكتلة 7.2 مرة الأرض ، وكثافة 2.05 مرة من الماء.
شكل توضيحي لـ GJ 1214 b: GJ 1214 b هو كوكب خارجي دافئ من شبه نبتون نصف قطره 2.74 مرة الأرض ، وكتلة 8.2 مرة من الأرض ، وكثافة 2.2 مرة من الماء.
صورة نبتون من فوييجر 2: نبتون هو عملاق جليدي يبلغ نصف قطره 3.88 ضعف قطر الأرض (مما يمنحه حجمًا يقارب 58 ضعف حجم الأرض) ، وكتلة 17 مرة من الأرض ، وكثافة 1.6 مرة من الماء فقط.
يوضح الرسم التوضيحي قياس الكواكب من حيث نصف القطر ، ولكن ليس الموقع في الفضاء أو المسافة من نجومها. بينما تدور الأرض ونبتون حول الشمس ، يدور TOI-421 b حول نجم شبيه بالشمس على بعد 244 سنة ضوئية تقريبًا ، ويدور GJ 1214 b حول نجم قزم أحمر صغير على بعد حوالي 48 سنة ضوئية.
الائتمان: NASA و ESA و CSA و D. Player (STScI)

أكثر من نصف الأنظمة النجمية الشبيهة بالشمس التي تم مسحها في مجرة ​​درب التبانة تؤوي نوعًا غامضًا من الكواكب لا مثيل له في نظامنا الشمسي.

أكبر من الأرض ، وأصغر من نبتون ، وتدور حول نجومها أقرب من كوكب عطارد يدور حول الشمس ، هذه الكواكب الفرعية من دافئة إلى ساخنة هي النوع الأكثر شيوعًا من الكواكب التي لوحظت في المجرة. ولكن على الرغم من أن الباحثين تمكنوا من قياس الخصائص الأساسية – بما في ذلك الحجم والكتلة والمدار – لمئات من هذه الكواكب ، إلا أن طبيعتها الأساسية لا تزال غير واضحة.

هل هي كرات كثيفة تشبه الأرض من الصخور والحديد ، مغطاة بطبقات سميكة من الهيدروجين وغاز الهليوم؟ أو الخلائط الأقل كثافة من الصخور والجليد ، وتحيط بها أجواء مشبعة بالبخار وغنية بالمياه؟ مع محدودية البيانات وعدم وجود كواكب ذات حجم ومدار مماثل في نظامنا الشمسي لاستخدامها في المقارنة ، كان من الصعب الإجابة على هذه الأسئلة.

“ما هي هذه الكواكب؟ كيف يتشكلون؟ لماذا لا يحتوي نظامنا الشمسي عليها؟ هذه أسئلة أساسية ، “يشرح جاكوب بين ، عالم الفلك في جامعة شيكاغو الذي قاد العديد من الملاحظات للكواكب الخارجية.

رسم توضيحي للشكل الذي قد يبدو عليه كوكب خارج المجموعة الشمسية TOI-421 b. TOI-421 b هو كوكب خارجي ساخن بحجم نبتون يدور حول نجم شبيه بالشمس على بعد 244 سنة ضوئية تقريبًا من الأرض. يُعتقد أن TOI-421 b تتمتع بجو صافٍ خالٍ من الضباب والغيوم. الائتمان: NASA و ESA و CSA و D. Player (STScI)

مشكلة الضباب

المفتاح لمعرفة ما هي مكونات نبتون الفرعية وكيف تشكلت هو فحص الغلاف الجوي الخاص بهم. لكن الحصول على رؤية واضحة لم يكن بالأمر السهل.

الطريقة الأكثر فعالية للتحليل كوكب خارج المجموعة الشمسية الغلاف الجوي هو تقنية تعرف باسم التحليل الطيفي للإرسال. عندما يمر الكوكب بنجمه ، يتم تصفية بعض الأطوال الموجية (الألوان) من ضوء النجوم بواسطة الغازات الموجودة في الغلاف الجوي للكوكب. نظرًا لأن كل نوع من الغاز له “توقيع” فريد ، أو مجموعة من الأطوال الموجية التي يمتصها ، فمن الممكن معرفة ما يتكون منه الغلاف الجوي بناءً على أنماط طيف الإرسال.

نجحت هذه التقنية في العديد من الكواكب الخارجية ، ولكن ليس لمعظم الكواكب الفرعية لنبتون. توضح إليزا كيمبتون من جامعة ماريلاند-كوليدج بارك ، والمتخصصة في النمذجة النظرية للأغلفة الجوية للكواكب الخارجية: “كان هناك عدد قليل جدًا من ملاحظات الغلاف الجوي لكواكب نبتون الفرعية”. “وكان معظم هؤلاء غير راضين لأن الأطياف لم تكشف كثيرًا في طريق الميزات الطيفية التي من شأنها أن تسمح لنا بتحديد الغازات في الغلاف الجوي.”

طيف الإرسال المحتمل لكوكب نبتون خارج المجموعة الشمسية الساخنة TOI-421 ب. يُظهر طيف الإرسال مقدار ضوء النجوم بأطوال موجية مختلفة (ألوان) يحجبها الغلاف الجوي للكوكب. يستخدم الباحثون نماذج حاسوبية للتنبؤ بالشكل الذي سيبدو عليه الأطياف بافتراض ظروف جوية معينة معقولة مثل درجة الحرارة ووفرة الغازات المختلفة وأنواع الهباء الجوي الموجودة. الائتمان: ناسا ، وكالة الفضاء الأوروبية ، وكالة الفضاء الكندية ، داني بلاير (STScI) ، إليزا كيمبتون (UMD)

يبدو أن المشكلة هي الهباء الجوي والجسيمات الدقيقة والقطرات التي تشكل السحب أو الضباب. تبعثر هذه الجسيمات ضوء النجوم ، مما يؤدي إلى تآكل القمم الطيفية البارزة إلى تموجات دقيقة وتجعل الطيف عديم الفائدة تقريبًا من حيث تحديد تكوين الغاز.

ولكن مع Webb ، فإن الباحثين واثقون من أن هناك رؤية أوضح بكثير عن نبتون الفرعية تلوح في الأفق. سيستخدم برنامجان للمراقبة بقيادة مشتركة بين Bean و Kempton ومن المقرر إجراؤهما في العام الأول من عمليات Webb قدرات Webb القوية الفريدة لاستكشاف كواكب فرعية بحجم نبتون: GJ 1214 b ، النموذج الأصلي الفرعي Neptune ؛ و TOI-421 b ، اكتشاف أحدث.

نموذج نبتون الأصلي: GJ 1214 ب

كان GJ 1214 b ، وهو شبه نبتون دافئ يدور حول نجم قزم أحمر قريب ، موضوع عشرات التحقيقات. إن الفترة المدارية القصيرة ، والحجم الكبير بالنسبة إلى نجمها ، والقرب المقارن من الأرض ، تجعل من السهل (كما تذهب الكواكب الخارجية) المراقبة الفعالة ، في حين أن وضعها كمعيار فرعي لنبتون – ووفقًا لبين ، “أكثر الكواكب الخارجية غموضًا التي نعرفها “- اجعلها هدفًا يستحق التحقيق.

يوضح هذا الرسم التخطيطي المبسط لمنحنى طور كوكب خارج المجموعة الشمسية التغير في السطوع الكلي لنظام النجوم والكواكب عندما يدور الكوكب حول النجم. يبدو النظام أكثر إشراقًا عندما يواجه جزء أكبر من الجانب المضاء من الكوكب التلسكوب (طور كامل) ، ويصبح باهتًا عندما يواجه الجانب المظلم التلسكوب (المرحلة الجديدة). الائتمان: ناسا ، وكالة الفضاء الأوروبية ، وكالة الفضاء الكندية ، داني بلاير (STScI)

سيستخدم الفريق أداة Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) للتحديق في نظام GJ 1214 بشكل مستمر تقريبًا لما يقرب من 50 ساعة حيث يكمل الكوكب أكثر بقليل من مدار واحد كامل. سيقومون بعد ذلك بتحليل البيانات بثلاث طرق مختلفة لتضييق نطاق التوليفات الممكنة من الغازات 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 الإرسال. لا ينبغي أن يتشتت ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة بواسطة الهباء الجوي بنفس طريقة تشتيت الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة.

مطياف الانبعاث الحراري: سيوفر ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة المنبعث من الكوكب نفسه معلومات حول درجة حرارة الكوكب وانعكاسه ، وكلاهما يتأثر بالغلاف الجوي. على سبيل المثال ، سيكون الكوكب المحاط بضباب داكن وهادئ وممتص للضوء أكثر دفئًا من كوكب مغطى بالغيوم الساطعة العاكسة.

رسم خرائط درجة حرارة منحنى المرحلة: على الرغم من أن Webb لن يكون قادرًا على مراقبة GJ 1214 b مباشرة (الكوكب قريب جدًا من نجمه) ، إلا أنه حساس بدرجة كافية لقياس التغيرات الطفيفة جدًا في الكمية الإجمالية للضوء من النظام أثناء دوران الكوكب حول النجم. سيستخدم الباحثون منحنى الطور GJ 1214 b ، وهو رسم بياني للسطوع مقابل الطور (أي مقدار جانب اليوم من الكوكب الذي يواجه التلسكوب) لرسم خريطة لمتوسط ​​درجة حرارة الكوكب مع خط الطول. سيوفر هذا معلومات إضافية حول دوران الغلاف الجوي وتكوينه.

Hot Sub-Neptune TOI-421 ب

ليس من الواضح ما الذي تصنع منه الهباء الجوي المحيط بنبتونات الفرعية الدافئة مثل GJ 1214 b ، ولكنها يمكن أن تكون مماثلة لتلك التي تشكل ضبابًا يشبه الضباب الدخاني الموجود على زحلقمر تيتان. لاختبار هذه الفرضية ، قرر الباحثون استهداف TOI-421 b ، وهو كوكب مشابه في الحجم والكثافة لـ GJ 1214 b ، ولكن يُعتقد أنه حار جدًا بحيث لا يوجد ضباب كثيف.

سوف يلاحظ Webb TOI-421 b مرتين أثناء مروره بنجمه ، مرة واحدة باستخدام مصور الأشعة تحت الحمراء القريبة وطيف الشق (NIRISS) ومرة ​​أخرى باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec) ، لإنتاج طيف إرسال كامل للأشعة تحت الحمراء القريبة من كوكب. إذا كانت الفرضية صحيحة وكانت سماء TOI-421 b صافية ، فيمكن استخدام الطيف لقياس وفرة الجزيئات مثل الماء والميثان وثاني أكسيد الكربون. إذا اتضح أن TOI-421 b بها مشكلة الهباء الجوي بعد كل شيء ، فسيستخدم الفريق البيانات لفهم مكونات هذه الهباء بشكل أفضل.

إن كيمتون وبين واثقان من أنه من خلال فحص أجواء نبتون الفرعية المراوغة بعدد من الطرق المختلفة باستخدام ويب ، سيبدأ العلماء أخيرًا في فهم ليس فقط هذين الجسمين المحددين ، ولكن فئة كاملة 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 المراقبين العامين بشكل تنافسي باستخدام نظام مراجعة مزدوج مجهول الهوية ، وهو نفس النظام المستخدم لتخصيص الوقت على هابل.

سيكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي المرصد الأول لعلوم الفضاء في العالم عندما يتم إطلاقه في عام 2021. سيحل Webb الألغاز في نظامنا الشمسي ، ويتطلع إلى ما وراء ذلك إلى عوالم بعيدة حول النجوم الأخرى ، ويستكشف الهياكل والأصول الغامضة لكوننا ومكاننا فيه. Webb هو برنامج دولي تقوده وكالة ناسا وشركائها ESA (وكالة الفضاء الأوروبية) ووكالة الفضاء الكندية.