کشف بخار آب و متان در اتمسفر سیاره‌ای فراخورشیدی

به گزارش خبرنگار نجوم خبرگزاری علم و فناوری آنا، تلسکوپ فضایی جیمزوب، زمانی که  سیاره فراخورشیدیWASP-80 b هر سه روز یک بار به دور ستاره مادری‌اش می‌چرخید، در اتمسفر آن مولکول‌‌های بخار آب و متان را شناسایی کرد.

این  سیاره مشتری‌سان گرم در فاصله ۱۶۳ سال نوری از زمین قرار دارد. ستاره‌شناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی مادون قرمز قدرتمند جیمزوب، گذر سیاره فراخورشیدی WASP80 b  از مقابل ستاره مادری‌اش را رصد و مولکول‌های متان و بخارآب را  کشف کردند.

تاکنون اخترشناسان موفق شده‌اند بخار آب را در اتمسفر دوازده سیاره فراخورشیدی مشاهده کنند اما کشف متان - اگرچه معمولاً در جو سیارات منظومه شمسی مانند مشتری، زحل، اورانوس و نپتون یافت می‌شود  - با استفاده از طیف‌سنجی فضایی بسیار نادر است.

ولبنکس از محققان این پژوهش درباره اکتشاف اخیر گفت: این نخستین بار است که ما چنین ویژگی طیفی واضحی از متان را با چشمان خود در سیارات فراخورشیدی در حال گذر مشاهده کردیم. این طیف مشابه طیف سیارات غول پیکر منظومه شمسی می‌باشد که در نیم قرن گذشته مشاهده شده است.

البته این اولین بار نیست که جیمزوب متان را در جو سیاره‌ای دیگر کشف می‌کند. به عنوان مثال، این رصدخانه فضایی در اوایل سال ۲۰۲۳ چنین مولکول هایی را در اطراف سیاره فراخورشیدی K12-18b کشف کرد.

سوزنی در انبار کاه کیهانی

سیاره WASP-80 b در گروه سیارات «مشتری‌مانند گرم» طبقه بندی می‌شود، زیرا به ستاره مادری خود زیاد نزدیک نیست که مشتری‌مانند داغ نامیده شود، بااینحال همچنان به ستاره والد خود نزدیک‌تر از مشتری‌های به اصطلاح سرد است. سیاره مشتری، بزرگترین سیاره منظومه شمسی ما یک غول گازی و از نظر علمی یک «مشتری سرد» است.

به دلیل این نزدیکی نسبی، تمایز WASP-80 b از ستاره کوتوله قرمز آن کار شاقی نیست. در واقع، این از توانایی‌های تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری  جیمزوب است؛ مشابه دیدن یک تار موی انسان از فاصله  حدود ۱۵ کیلومتری.

برای مشاهده اتمسفر این سیاره، اخترشناسان منتظر ماندند تا WASP-80 b از مقابل دیسک ستاره کوتوله قرمزی که به دور آن می‌چرخد عبور کند، سپس طیف مشترک ستاره با این سیاره را بررسی کردند.

از آنجایی که عناصر و مولکول‌های شیمیایی نور را در طول موج‌های مشخص جذب می‌کنند، با مشاهده طیف‌های ترکیبی و مقایسه آن با طیف‌های انفرادی ستاره، اثر انگشت‌های مشخصی از مولکول‌های خاص در جو یک سیاره آشکار می‌شود.

در هنگام گذر، زمانی که سیاره از  مقابل ستاره خود عبور می‌کند، نور ستاره‌ کمتر می‌شود. این شبیه زمانی است که شخصی از مقابل یک منبع نور مصنوعی عبور کرده و شدت نور را برای لحظاتی کاهش دهد.

ولبنکس گفت: «در این مدت، حلقه نازکی از جو سیاره توسط ستاره روشن شده، طول موج‌های خاصی از نور توسط مولکول‌های موجود در جو سیاره جذب می‌شوند، بنابراین اتمسفر غلیظ‌تر به نظر می‌رسد و نور بیشتری از ستاره‌ مسدود می‌شود.» این پژوهشگر توضیح داد: «این روش به اخترشناسان کمک می‌کند تا بفهمند جو سیاره از چه ترکیباتی ساخته شده.»

متان سیاره را گرم می‌کند

مانند تمام سیارات، فراخورشیدی WASP-80 b مقداری از نور دریافتی از ستاره‌اش  را به شکل تابش گرمایی ساطع می کند. طول موج و شدت این نور به دمای سیاره بستگی دارد.

نزدیکی WASP-80 b به ستاره‌اش، دمای سطح سیاره را تا ۵۵۲ درجه سانتیگراد افزایش می‌دهد. این دما در مقایسه با دمای مشتری‌های داغ که تا ۱۱۱۷ درجه سانتیگراد می‌رسد و دمای سیاره مشتری در منظومه ما که منفی ۱۴۸ درجه سانتیگراد است، یک دمای متوسط است.

سیارات مشتری‌‌مانند گرم و داغ دارای قفل مداری هستند، به این معنی که یک سمت این سیارات همیشه رو به ستاره و گرم است، در حالی‌ که سمت رو به فضا همیشه تاریک و سرد است.

درست قبل از اینکه WASP-80 b  از برابر ستاره‌اش عبور کند، سمت روز آن به سوی زمین بود، با اندازه‌گیری افت نور ستاره در طول گذر، طیف فروسرخ حاصل از نشرگرمایی سیاره آشکار می‌شود. این به ستاره‌شناسان «طیف گرفت» 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.

گرفت و گذر راهی برای شناخت ترکیبات اتمسفر سیارات فراخورشیدی

ترکیب داده‌های گرفت و گذر به تیم پژوهش این امکان را می‌دهد تا ببینند چه مقدار نور توسط اتمسفر WASP-80 b در طول موج‌های مختلف جذب و نشر شده است. سپس، محققان از دو مدل مختلف برای شبیه‌سازی جو سیاره‌ای مشتری مانندگرم یعنی سیاره WASP-80 b استفاده کردند.

در یک مدل سختگیرانه، اخترشناسان فیزیک و شیمی موجود برای تعیین سطوح متان و آب که از چنین جهانی می توان انتظار داشت، محاسبه کردند. مدل دیگر انعطاف‌پذیرتر بود و میلیون‌ها ترکیب مختلف از متان و آب فراوان و دما را برای یافتن دستورالعملی که به بهترین وجه با داده‌ها مطابقت دارد، امتحان کردند. مقایسه داده‌های حاصل از گذر و گرفت با هر دو مدل، تیم را به یک نتیجه واضح و یکسان هدایت کرد. آن‌ها قطعا متان را در جو WASP-80 b شناسایی کرده بودند.

گام بعدی بررسی ترکیب شیمیایی WASP-80 b بود. این بررسی‌ها می تواند اطلاعات ارزشمندی  در مورد ویژگی‌ها، تاریخچه شکل‌گیری و تکامل این سیاره فراخورشیدی و فراوانی متان و آب دهد. چنین مطالعاتی اجازه می‌دهد تا نسبت کربن اتمسفر به اکسیژن را نیز بدست آورد. این نسبت چیزی است که دقیقاً بر اساس مکان شکل‌گیری سیاره در اطراف یک ستاره متفاوت است. بدین‌ترتیب می‌توان فهمید که آیا WASP-80 b   از ابتدای پیدایش در مدار کنونی قرار داشت یا دورتر از ستاره‌اش تشکیل شده و به مدار فعلی مهاجرت کرده است.

این تیم همچنین جو مشتری‌های گرم خارج از منظومه شمسی را با اتمسفر سیاراتی که به دور خورشید می‌چرخند مقایسه خواهند کرد.

متان نه تنها گاز مهمی در ردیابی ترکیبات جوی و شیمیایی در سیارات غول‌پیکر است، بلکه فرض بر این است که در ترکیب با اکسیژن، نشانه‌ای از زیست‌شناسی باشد.

گروهی از دانشمندان دانشگاه ایالتی آریزونا، لوئیس ولبنکس و مایکل لاین از دانشکده زمین و اکتشاف فضایی و محققان موسسه تحقیقات محیطی منطقه خلیج (BAERI)، تیلور بل، این پژوهش را انجام دادند‌.