آب و متان در جو یک مشتری گرم کشف شد

تلسکوپ فضایی جیمز وب، آب و متان را در جو یک سیاره فراخورشیدی که اصطلاحا «مشتری گرم» نامیده می‌شود، یافته است.

به گزارش واحد خبر مرکز مطالعات و پژوهش های فلکی نجومی به نقل از ایسنا و به نقل از اسپیس، تلسکوپ فضایی جیمز وب(JWST) متان و بخار آب را در جو یک دنیای مشتری‌مانند که در فاصله ۱۶۳ سال نوری از ما قرار دارد، شناسایی کرده است.

تلسکوپ فضایی فروسرخ قدرتمند ناسا در حالی که این سیاره فراخورشیدی موسوم به WASP-۸۰ b هر سه روز یک بار به دور ستاره میزبانش می‌چرخید، این مولکول‌ها را شناسایی کرد.

ستاره‌شناسان با استفاده از این تلسکوپ فضایی برای تماشای عبور این سیاره فراخورشیدی از روی ستاره کوتوله سرخ مادر خود که تقریباً هر سه روز زمینی یک بار به دور آن می‌چرخد، این کشف را انجام دادند.

اخترشناسان تاکنون بخار آب را در اتمسفر حدود ۱۲ سیاره مشاهده کرده‌اند، اما کشف متان با استفاده از طیف‌سنجی مبتنی بر فضا - اگرچه معمولاً در جو جهان‌های منظومه شمسی مانند مشتری، زحل، اورانوس و نپتون یافت می‌شود - بسیار نادر بوده است.

این همان کاری است که یک تیم پژوهشی شامل لوئیس ولبنکس و مایکل لاین از دانشکده زمین و اکتشاف فضایی دانشگاه ایالتی آریزونا و تیلور بل پژوهشگر از موسسه تحقیقات محیطی BAERI اکنون با تلسکوپ فضایی جیمز وب انجام داده‌اند.

ولبنکس می‌گوید: این اولین باری بود که ما چنین ویژگی طیفی واضحی از متان را با چشمان خود در یک طیف سیارات فراخورشیدی در حال گذر مشاهده می‌کردیم و چندان بی‌شباهت به چیزی که نیم قرن پیش در طیف سیارات غول پیکر منظومه شمسی دیده می‌شد، نبود.

در واقع این اولین بار نیست که جیمز وب متان را در جو یک سیاره کشف می‌کند. به عنوان مثال، این تلسکوپ فضایی اوایل سال جاری چنین مولکول‌هایی را در اطراف یک سیاره فراخورشیدی به نام K۱۲-۱۸b کشف کرد.

سوزنی در انبار کاه کیهان

سیاره فراخورشیدی WASP-۸۰ b به عنوان یک سیاره «مشتری گرم» طبقه‌بندی می‌شود، زیرا مانند مشتری‌های به اصطلاح داغ به ستاره مادر خود نزدیک نیست، اما همچنان از مشتری‌های به اصطلاح سرد به ستاره میزبان خود نزدیک‌تر است. گفتنی است که سیاره مشتری اصلی که بزرگترین سیاره منظومه شمسی ما و یک غول گازی است که نام این دسته از سیارات از آن وام گرفته می‌شود، از نظر فنی در واقع یک «مشتری سرد» است.

به دلیل این نزدیکی نسبی، تمایز WASP-۸۰ b از ستاره کوتوله سرخ آن کار دشواری است و این که این کار انجام شده نشان دهنده توانایی‌های بالای این تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری است، چرا که در این مورد، معادل دیدن یک موی انسان از فاصله ۱۴.۵ کیلومتری است.

خوشبختانه اخترشناسان راهی برای مقابله با این چالش دارند. آنها منتظر ماندند تا WASP-۸۰ b از مقابل ستاره کوتوله سرخی که به دور آن می‌چرخد، عبور کند. سپس طیف جمعی مرتبط با این سیاره را مشاهده کردند.

از آنجا که عناصر و مولکول‌های شیمیایی، نور را در طول موج‌های مشخص جذب می‌کنند، با نگاه کردن به طیف‌های ترکیبی و مقایسه آن با طیف‌های انفرادی ستاره، نشانه‌های مشخصی از مولکول‌های خاص در جو سیاره به نمایش درمی‌آید.

ولبنکس می‌گوید: با استفاده از این روش گذر، هنگامی که سیاره در مقابل ستاره خود حرکت کرد، منظومه را مشاهده کردیم که باعث شد نور ستاره‌ای که می‌بینیم کمی کم شود. این شبیه به زمانی است که شخصی از مقابل یک لامپ عبور می‌کند و نور آن کم می‌شود.

وی افزود: در این مدت، حلقه نازکی از جو سیاره در اطراف مرز روز/شب سیاره توسط ستاره روشن می‌شود و در رنگ‌های خاصی از نور که مولکول‌های موجود در جو سیاره نور را جذب می‌کنند، جو ضخیم‌تر به نظر می‌رسد. و نور ستاره بیشتری را مسدود می‌کند و در مقایسه با سایر طول موج‌هایی که جو شفاف به نظر می‌رسد، تیرگی عمیق‌تری ایجاد می‌کند.

وی ادامه داد: این روش به دانشمندانی مانند ما کمک می‌کند با دیدن اینکه کدام رنگ‌های نور مسدود شده‌اند، بفهمیم جو سیاره از چه ساخته شده است.

اما پژوهشگران به همین جا بسنده نکردند. آنها از روش دیگری هم برای سنجش جو WASP-۸۰ b استفاده کردند.

در حین شکار متان، گرم‌تر می‌شود

سیاره WASP-۸۰ b مانند تمام سیارات دیگر، مقداری از نور خود را به شکل تابش گرمایی ساطع می‌کند و هم طول موج و هم شدت این نور به دمای سیاره بستگی دارد.

نزدیکی سیاره WASP-۸۰ b به ستاره‌اش، دمای سطح آن را به ۵۵۲ درجه سانتی‌گراد می‌رساند. این در مقایسه با دمای معمولی یک مشتری داغ(۱۱۷۷ درجه سانتیگراد) و دمای سرد مشتری ما با دمای منفی ۱۴۸ درجه سانتی‌گراد در حد وسط قرار می‌گیرد.

مشتری‌های گرم و داغ به صورت کشندی در مدار ستارگان خود قفل می‌شوند، به این معنی که آنها دارای سمت‌های روز دائمی و گرم‌تر هستند که همیشه رو به ستاره است و یک نیمه‌ی همیشه شب نیز دارند که همیشه رو به فضا و خنک‌تر است.

قبل از اینکه سیاره WASP-۸۰ b از مقابل ستاره خود عبور کند، سمت روز آن هم به سمت ستاره و هم به سمت زمین است، به این معنی که با اندازه‌گیری افت نوری که از ستاره در طول کسوف می‌آید، نور فروسرخ که از سیاره در نتیجه گسیل‌های حرارتی آن می‌آید، آشکار می‌شود. این به ستاره شناسان «طیف خورشید گرفتگی» با الگوهای جذب نور متصل به مولکول‌های موجود در جو سیاره می‌دهد که این الگوها به نوعی به عنوان کاهش نور ساطع شده از سیاره در طول موج‌های خاص ظاهر می‌شوند.

بهترین از هر دو جهان

ترکیب داده‌های کسوف و گذر به تیم این امکان را داد تا ببینند چه مقدار نور توسط جو WASP-۸۰ b در طول موج‌های مختلف مسدود و منتشر شده است. سپس پژوهشگران از دو مدل مختلف برای شبیه‌سازی جو سیاره‌ای مانند WASP-۸۰ b در شرایط متلاطم مشتری گرم استفاده کردند.

یک مدل، سختگیرانه بود که فیزیک و شیمی موجود را برای تعیین سطوح متان و آب که از چنین جهانی می‌توان انتظار داشت، محاسبه می‌کرد. مدل دیگر انعطاف‌پذیرتر بود و میلیون‌ها ترکیب مختلف از متان و آب فراوان و دما را برای یافتن دستور العملی که به بهترین وجه با داده‌ها مطابقت دارد، امتحان کرد. مقایسه داده‌های گذر و کسوف با هر دو مدل، پژوهشگران را به یک نتیجه واضح و یکسان هدایت کرد.

آنها اعلام کردند که به طور قطع متان در جو WASP-۸۰ b وجود دارد.

مایکل لاین توضیح داد: قبل از جیمز وب، متان برخلاف انتظارات مبنی بر اینکه می‌توانست با تلسکوپ فضایی هابل در چند سیاره شناسایی شود، یافت نشد. این فقدان ردیابی‌ها باعث ایجاد انبوهی از ایده‌ها از کمبود ذاتی کربن گرفته تا تخریب فتوشیمیایی آن و اختلاط عمیق گاز متان شده بود.

گام بعدی این است که بررسی کنیم که ترکیب شیمیایی WASP-۸۰ b می‌تواند به دانشمندان در مورد ویژگی‌ها، تاریخچه شکل‌گیری و تکامل این سیاره فراخورشیدی که مربوط به فراوانی متان و آب است، شناخت دهد.

چنین مطالعاتی به این تیم اجازه می‌دهد تا چیزهایی مانند نسبت کربن اتمسفر به اکسیژن را نیز استنباط کند. این نسبت، چیزی است که دقیقاً بر اساس مکان شکل‌گیری سیاره در اطراف یک ستاره متفاوت است. این می‌تواند آشکار کند که آیا WASP-۸۰ b در جایی که اکنون نشسته تشکیل شده است یا اینکه قبل از مهاجرت به سمت ستاره‌اش در فاصله‌ای دورتر متولد شده است.

این تیم همچنین جو مشتری‌های گرم خارج از منظومه شمسی را با اتمسفر سیاراتی که به دور خورشید می‌چرخند، مقایسه خواهد کرد و نمونه‌ها و داده‌های جمع‌آوری شده توسط ماموریت‌های فضایی را که قبلا از مشتری و زحل بازدید کرده‌اند، به کار می‌گیرد.

ولبنکس در پایان گفت: متان نه تنها گاز مهمی در ردیابی ترکیبات جوی و شیمی در سیارات غول‌پیکر است، بلکه فرض بر این است که در ترکیب با اکسیژن، نشانه‌ای از زیست‌شناسی باشد. یکی از اهداف کلیدی مأموریت بعدی ناسا پس از جیمز وب موسوم به «رصدخانه جهان‌های قابل سکونت»، جستجوی گازهایی مانند اکسیژن و متان در سیارات زمین‌مانند در اطراف ستاره‌های خورشیدمانند است.

این پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.