آشكار سازي جهان هاي دور

آشكار سازي جهان هاي دور

http://www.hupaa.com/upload/thumb/thumb_5293375.jpgتاسال 1999 ،ستاره شناسان قاطعانه وجود30 سیاره فراخورشیدی را تصدیق کرده بودند. اما ما واقعاً هیچ چیز درباره ی آنهابه جز جرم و مدارشان نمی دانستیم . برای اینکه حتی به آسانترین سوالات درباره خصوصیات فیزیکی آنها پاسخ دهیم، می بایست سیاره ای دارای گذر (Transit) کشف می کردیم....

[ نجوم و اخترفيزيك ]

لازم به ذكر است اين نويسنده( Sara Seager) اختر فيزيكدان عضو دانشگاه كارنيج (Carnegie) واشنگتن و متخصص مطالعه بر روي سيارات فراخورشيدي است

http://cph-theory.persiangig.com/1728-2.gifhttp://cph-theory.persiangig.com/1728-1.jpg


ستاره شناسان تا كنون بيش از 160 سياره بيرون از منظومه خورشيدي كشف كرده اند.واقعاً اين دنياها چه شكلي هستند؟
تاسال 1999 ،ستاره شناسان قاطعانه وجود30 سياره فراخورشيدي را تصديق كرده بودند. اما ما واقعاً هيچ چيز درباره ي آنهابه جز جرم و مدارشان نمي دانستيم . براي اينكه حتي به آسانترين سوالات درباره خصوصيات فيزيكي آنها پاسخ دهيم، مي بايست سياره اي داراي گذر (Transit) كشف مي كرديم كه از مقابل ستاره ي اصلي بگذرد به طوري از روي زمين قابل مشاهده باشد. طبق قوانين احتمالات و تعداد در حال افزايش سيارات بيروني (فرا خورشيدي )، مي دانستيم كه جسم عبور كننده بالاخره در هر زماني كشف خواهد شد. من(نويسنده مقاله) آن قدر به اين يقين داشتم كه بعد از تعطيلاتي يك ماهه ودوري از تلفن،ايميل و روزنامه،اولين سوالي كه پرسيدم اين بود: آيا در اين مدت ستاره شناسان سياره اي داراي ترانزيت كشف كرده اند؟!
حالا ما بيش از 160 سياره ي بيروني پيدا كرده ايم و ميل ما براي توصيف آنها شدت يافته است.نزديك30مشتري مانندداغ مثل51فرس b شناخته شده اند.
كشفيات اخير اين طبقه بندي را به اجرام داغ هم جرم نپتون و حتي اجرام داغ باجرم فوق زمين گسترش داده است.
برخلاف همدمان منظومه اي آنان، بيشتر اين سيارات مداراتي با خروج از مركز خيلي بالا دارند و به طور شگفت انگيزي به ستاره ي مادر نزديكند- در فضاي كوچكي براي سيارات كوچك مثل زمين. مطلب مورد اشتراك تمام اين كشفيات اين است كه ساختار اين سيارات گوناگون وتصادفي است، ظاهراً اين احتمالات ، جرم، اندازه، فاصله از ستاره و خصوصيات ديگر را شامل مي شود. تقريباً تمام سيارات بيروني به طور غيرمستقيم و از طريق روش اثر داپلر كشف شدند، روشي كه دو شخص با نامهاي آرپاول باتلرR.paul Butler) )و جفري دابليو مارسي(Geoffrey W.Marcy) از طريق آن ،ستاره اي را براي بررسي حركت جزيي تحريك شده توسط سياره اش، مورد مطالعه قرار دادند. نوسان يك ستاره تنها به مدار و حداقل جرم سيارات شناخته نشده آن باز مي گردد. اين اندازه گيري ها سوالات زيادي را بي پاسخ مي گذارند. آيا اين سيارات،گازي واصولاً شبيه برجيس و كيوان هستند يا سنگي و مثل سيارات زميني يا چيزي بين اين دو هستند ؟ اگر در صفحه اي مستدير،آنگونه كه درفرضيه شكل گيري ستارگان لازم است ،شكل گرفته اند ،چگونه داراي خروج از مركزي به اين بالايي هستند ؟ آيا به مكان فعلي خود مهاجرت كرده اند؟ طبيعت و تركيبات اتمسفر آنان چگونه است؟ آيا مشتري مانندهاي داغ،اتمسفرهاي ضخيم دارند،يا اينكه اتمسفر آنان توسط گرماي ستاره ي مادر شان بخارشده؟آيا داراي حلقه ياقمرهايي هستند؟بااين احتمالات جالب،ستاره شناسان مي خواهند فقط از دانستن اينكه اين سيارات وجود دارند فراتر روند. ما مي خواهيم اين داده ها را مثل سيارات منظومه ي خودمان، به جهان واقعي تعميم دهيم. متاسفانه ما فعلاً نمي توانيم از ابزار معمولي مان براي مطالعات اجرام دوراستفاده كنيم-همچون طيف سنجي-چون درخشندگي و تشعشعات زياد ستارگان همجوار تابش ضعيف اين سيارات را مي پوشاند. براي بدست آوردن طيف يك سياره ي بيروني در طول موجهاي مرئي، يك تلسكوپ با آينه هايي جندين هزار بار صاف تر و تكنيكهايي يك ميليون بار بهتر از تكنيكهاي سد كننده ي نور ستارگان نسبت به تلسكوپهاي فعلي نياز است. خوشبختانه طبيعت با دسته اي از سياراتش خيلي سخاوتمند است و مجموعه اي از سيارات داراي ترانزيت فراهم مي كند كه ما مي توانيم قبل از عكسبرداري مستقيم و انجام طيف سنجي ، مطالعاتي انجام دهيم.
در اواخر سال 1999، اخترشناسان اعلام كردند كه سياره ي اچ دي 209458 بي از مقابل ستاره اش عبور مي كند. با داشتن دوره ي تناوب 3.5 روزه به دور ستاره اي درخشان(قدر 7.6)،Rosetta stone براي نشان دادن مشخصه هاي سيارات فرا منظومه اي تبديل شده است. و تعداد در حال افزايش سيارات داراي گذر اين شكل را كامل مي كند.

چه چيز مخفي مانده است؟

سيارات داراي ترانزيت تنها اجرامي هستند كه ستاره شناسان خصوصيات فيزيكي آنان را مي توانند اندازه بگيرند. چگالي(جرم بر حجم) اساسي ترين پارامتر فيزيكي در بين تمامشان هست، چرا كه به ما درباره ي تركيبات عمده ي سياره مي گويد. اخترشناسان مي توانند جرم سياره ي ترانزيت كننده را از انداره گيريهاي سرعت شعاعي سياره تعيين كنند و مقدار تضعيف نور ستاره به ما اندازه ي سياره را مي دهد.

http://cph-theory.persiangig.com/1728-3.jpg

از اين روش ما فهميديم كه 8 تا از 9 سياره ي داراي ترانزيت چگاليهاي كمي دارند پس بايد اجرام گازي باشند كه از تركيب هليوم و هيدروژن اند( مثل مشتري و زحل).اما دو تا از سيارات بيروني چنان عجيب و غريب هستند كه جرقه اي براي تحقيقاتي گسترده اند. اولين كشف شده ها، اچ دي 209458 بي، قطرهايي 35% بيشتر از قطر مشتري و جرمهايي دو سوم مشتري دارتد. اين اعداد نشان دهنده ي چگالي كم 0.33 گرم در هر سانتيمتر مكعب است (كم چگاليترين سياره ي منظومه ي ما سياره كيوان است،كه چگالي اش 0.69 g/cm3 است).اچ دي 209458 بي، نسبت به وزنش خيلي بزرگ است.
غولهاي گازي داغ و بزرگ متولد مي شوند، اما در پيري سرد و منقبض مي شوند. اين سياره هم احتمالاً قريب به اندازه و دماي برجيس منقبض و سرد شده است،اما منبع گرمايي ديگر(علاوه بر ستاره نزديكش) كه مستمراً به داخل سياره منتقل مي شود محتمل ترين راه براي متورم ماندن سياره است. منبع اين انرژي از كجاست؟ شايد بادهاي ستاره اي كسر كوچكي از انرژي ستاره را به سياره منتقل مي كنند. عمل همرفتي هم مي تواند اين انرژي را به مركز سياره منتقل كند. ولي چرا چنين فرايندگرمسازي كلي برديگرسيارات داراي ترانزيت شناخته شده تاثير نمي گذارد . محتمل ترين توضيح گرم سازي كشندي است. با اين مجاورت نزديك، ستاره ي مادر برآمدگي كشندي در اتمسفر مشتري مانند داغ ايجاد مي كند. با استمرار اين تورم طي ميليونها سال، ستاره ، مشتري مانند داغ را به كسب مداري مستدير وادار مي كند. در بيشتر موارد ستاره تكاني سخت و شديد به محور چرخشي سياره وارد مي كند كه آنرا عمودي كرده و به صفحه اي مداري تبديل مي كند. اچ دي 209458 بي مداري دايره اي دارد، همانطور كه انتظار مي رفت، ولي انحراف محوري اش اندازه گرفته نشده است. اگر محور سياره در اثر تشديدكج شده باشد، تورم كشندي توسط ستاره اي كه مي خواهد جنوب و شمال سياره را در تمام 3.5 روز سال آن در هم ريزد، بالا مي رود، و باندازه كافي گرماي دروني براي متورم نگاه داشتن سياره را توليد مي كند. به ندرت عواملي مثل تاريخ جابجايي سياره، زمان تصادم و وجود سيارات اضافي يك مشتري مانند داغ را به اين حالت غيرعادي در مي آورد، كه مي تواند توضيح دهد كه چرا اچ دي 209458 بي تنها سياره ي داراي ترانزيت بيروني با اين چگالي است. اخترشناسان حتي از دومين سياره ي غول پيكر داراي ترانزيت غيرعادي، بهت زده تر شدند،اچ دي 149026 بي- عجيبترين حيوان در باغ وحش سيارات است. اين سياره به طور شگفت انگيزي نسبت به حجمش چگال است(1.4 g/cm3) كه بايد 50 تا 70 درصدش از عناصر سنگين تشكيل شده باشند.اچ دي 149026 بي اين قدر با سياره ي ترانزيت كننده تفاوت دارد،كه به طور برجسته از هيدروژن و هليوم تشكيل شده اند. اخترشناسان هنوز به توافق نرسيده اند كه چگونه اج دي 149026 بي مي تواند با چنين مواد سنگيني شكل گرفته باشد(قابل قياس با تمام موادي كه در سيارات منظومه ي شمسي ما تركيب شده اند). اين يك نمونه مخالف با فرضيات متداول است كه تمام سيارات بيروني پرجرم غولهاي گازي مانند مشتري و زحل هستند.

كاهش نور ستاره
فراتر ازاندازه گيري چگالي اختر شناسان مي توانند اتمسفرهاي سيارات مشتري گون داغ داراي ترانزيت راشناسايي كنند.وقتي يك سياره ازجلوي ستاره مادرش عبورمي كند، مقدار كمي ازنور ستاره بااتمسفر بالايي برخورد مي كند.گازهاي اتمسفري،كمي ازاين نور را در طول موجهاي خاصي جذب مي كنند كه خطوط جذبي خيلي ضعيفي روي طيف ستاره ايجاد مي كند.با مقايسه ي طيفهاي گرفته شده قبل و در طول ترانزيت، ستاره شناسان مي توانند مواد شيميايي در اتمسفر سياره را شناسايي كنند.با پيش بيني هاي جسورانه در شناسايي اتمسفر يك سياره ي بيروني،من (نويسنده مقاله)در سال1999مقاله اي درهاروارد-اسميت سونيان(Harvard-Smithsonian) مركز دانشگاه اخترفيزيك ديميتار ساسلوف) نوشتم. ما پيش بيني كرديم كه سديم تركيبي بسيار قوي است، اگر تركيب عمده ي جذب شده در طول موجهاي مرئي نباشد. ما اساس پيش بيني را اساساً دماي سياره قرار داديم.
يك گوي گازي بايددمايي برابر ْ1000 تا1500ْ كلوين در فاصله مشتري مانند داغ با ستاره ي مادر داشته باشد. در اين دماها، بخار آب، مونوكسيد كربن، فلزات قليايي و احتمالاً متان بايد گازهاي اصلي جذب كننده نور ستاره باشند. اما فقط سديم فلزات قليايي و پتاسيم،نور را قوياً در طول موجهاي مرئي جذب مي كنند.فقط دو سال بعد ديويدچاربوناوDavid Charbonneau) ) از مركز اخترفيزيك هاروارداسميت سونيان و تيموثي براون( Timothy Brown)از مركز ملي تحقيقات اتمسفري و همكارانشان شناسايي اولين اتمسفر يك سياره بيروني را اعلام كردند. بعد از ساختن مدلهاي كامپيوتري از اتمسفرهاي مشتري مانندهاي داغ در طول چند سال ، من از يك رصد جدي،خيلي هيجان زده شدم. با استفاده از تلسكوپ فضايي هابل، گروه كاربناو و براون در اتمسفر سياره ي اچ دي 209458 بي سديم را همانطور كه ما پيش بيني كرده بوديم ،شناسايي كردند. اين كشف مهم در تاريخ به ما اولين دسته بندي از اتمسفر مشتري مانندهاي داغ را داد.شناسايي سديم تصوير اساسي ما از اين جهانها را حمايت مي كرد. اما همانگونه كه انتظار مي رفت، اندازه گيري به ما نشان داد كه مدل نمونه ما اشتباه و خط جذبي سديم از آنچه پيش بيني مي شد خيلي ضعيفتر بود. ابرهاي داغ متشكل از غبار سيليكات يا غبار آهن مايع مي توانست با جلوگيري از مشاهده قسمت عظيمي از جو ، نشان سديم را كاهش دهد(مثل تكه اي از ابر كه از ديد يك هواپيما جلوي مشاهده زمين را مي گيرد. دوران اتمسفري سردتر از دماهايي كه انتظار مي رفت ،اثرات شيميايي از تشعشعات پرتو فرابنفش ستاره مادر، يا مقدار كمي سديم مي توانست عمل جذب راكاهش دهد، اما هنوز اطلاعات كافي براي تعيين توضيحات درست در دست نيست.
كشف اخير يك مشتري مانند داغ داراي ترانزيت در كنار ستاره ي قدر هشتم HD 189733 به ما فرصتي طلايي براي مطالعه ي اتمسفر سياره هاي فراخورشيدي، با استفاده از مزاياي كسوف ثانويه، اهدا مي كند.
آينده اي جالب

سيلي از اطلاعات درباره ي HD209458b در سال جديد دسته بندي اتمسفر يك سياره فراخورشيدي را براي اولين بار با جزييات، مقدور مي سازد. با استفاده از سه ابزار تلسكوپ فضايي اسپيتزر، ما مي توانيم به همان خوبي كه دماي سطح سياره را اندازه مي گيريم، به وجود بخار آب، مونوكسيد كربن و متان هم اشاره كنيم. به علاوه تلسكوپ كوچك كانادايي موست most ( Microvariability and Oscillations of STars) هم HD 209458b را در طول موجهاي مرئي و با استفاده از گرفتهاي ثانويه مكرر ،رصد كرده كه نورمنعكس شده سياره راتخمين مي زند. پس از تكميل تجزيه و تحليل، اين مي تواند به ما نشان دهد كه آيا ابري وجوذ دارد يا نه؟ بعلاوه، براون و همكارانش در حال بررسي طيفهاي هابل هستند كه چند سال پيش در هنگام ترانزيتهايي و براي اندازه گيري ميزان بخار آب گرفته شد. اسپيتزر با دو تا از ابزارهايش TrES-1 را هم رصد مي كند.همچنين در ماههاي آتي اسپيتزر هفت مشتري مانند داغ بدون ترانزيت را نيز براي پيدا كردن بروندادهاي مختلف نور در مدارشان رصد مي كنند. اين سيارات مشتري مانند بايد به طرز جزر و مد گونه اي نسبت به ستاره ي مادرشان قرار گرفته باشند، بطوريكه هميشه يك سمت خود را به ستاره مادرشان نشان مي دهند، مثل ماه كه از روي زمين تنها يك سمتش قابل مشاهده است.باقسمتهاي ابدي شب و روز،سياره دو دماي كاملاً متغير راتجربه مي كند . بادهاي خيلي سريع، كه شايد سرعتشان به سرعت صوت نيز برسد، ممكن است گرما را از طرف روز به طرف شب پخش كند. اندازه گيري هر اختلاف مداري مي تواند به اخترشناسان كمك كند كه دريابند انرژي جذب شده ي ستاره اي،در سياره جريان دارد. در چند سال آينده، تحقيقات درباره سيارات ترانزيت دار كه در روي زمين انجام مي گيرد، سيارات فراخورشيدي بسياري آشكار خواهند شد. بويينگ 747 اصلاح شده ي ناسا به نام سوفيا (Stratospheric Ovservatory for Infrared Astronomy) از جايگاهش و از فراز بيشترقسمتهاي جو زمين، و با استفاده از تلسكوپ فروسرخ 2.5 متري اش، سيارات ترانزيت دار را در هنگام كسوف اوليه و ثانويه مورد مطالعه قرار مي دهد. سوفيا ماموريت علمي اش در دو سال آينده آغاز مي شود. فضاپيماي ساخت فرانسه و سازمان فضايي اروپا، كوروت) Corot)در سپتامبر 2006 به بالاي جوزمين پرتاب مي شود، همچنين فضاپيماي كپلر ناسا، كه براي پرتاب در سال 2008 برنامه ريزي شده، به دنبال سيارات ترانزيت دار كوچك مي گردند. فقط تلسكوپهاي فضايي اين دقت را براي شناسايي چنين اجسامي دارند. كپلر اجسام هم اندازه ي زمين را پيدا مي كند،مثل بسياري از سيارات هم اندازه ي مشتري، نپتون و ابر زمين ها در فواصل مختلف از ستاره ي مادرشان.

http://cph-theory.persiangig.com/1728-4.jpg

http://cph-theory.persiangig.com/1728-5.jpg

از اندازه گيري هاي تراكم سيارات سنگينتر و بزرگتر، ما قادر خواهيم بود بر روي تكامل و ساختار عمده ي آنها مطالعه كنيم.در دهه ي بعدي تلسكوپ فضايي فروسرخ جيمز وب(JWST) ناسا كه براي پرتاب در سال 2014 برنامه ريزي شده، سياره اي فراخورشيدي و ترانزيت كننده را به روش اسپيتزر و هابل مطالعه خواهد كرد.
سيارات فراخورشيدي مشتري مانند دور از سيارات مادرشان خيلي جالبند، از اين رو ما مي خواهيم آنها را با غولهاي گازي منظومه ي خود مقايسه كنيم. JWST همچنين قادر به شناسايي تشعشعات گرمايي از نپتون مانند ها و حتي زمين مانند هاي داغ مي باشد . مشخصاً كارهاي زيادي بايد انجام شود قبل از اينكه اخترشناسان قادر به حذف نور ستاره و تصاوير مستقيم از سيارات هم سن منظومه ي شمسي در طي 15 سال آينده يا بيشتر بشوند. براي هزاران سال مردم از خود مي پرسيده اند كه آيا در اين جهان تنها هستند؟
در سال 450 قبل از ميلاد، فيلسوف يوناني اپيكوروس(Epicurus)درباره جهانهاي لايتناهي شبيه و متفاوت با دنياي ما انديشيد. از زمان پرتاب تلسكوپ جوينده ي سيارات فرازميني ناسا و تلسكوپ داروين سازمان فضايي اروپا( NASA's Terrestrial Planet Finder and the European Space Agency's Darwin ) حداقل يك دهه مي گذرد، كه اين تلسكوپها موفق به كشف و مطالعه ي مستقيم روي دنياهاي زمين مانند شده اند، ولي كشفيات اخير نشان داده كه چطور سيارات خارجي مي توانند از نظر جنس و مواد از اجرام شبيه خود در منظومه ي شمسي تفاوت داشته باشند. حتي شايد سيارات غيرعادي بيشتري كه شامل دنياهاي آبي كه نيمي از آن آب مايع اند و سيارات كربني،كه نيمي تركيب شده با كربن و داراي پوسته اي از الماس هستند،آشكار شوند. ما دريافته ايم كه طبيعت ،از نظريه پردازان ماهر ما در ساختن منظومه هاي خورشيدي خلاق تر است. ساليان آينده به ما نشان خواهند داد كه سيارات فراخورشيدي تا چه حد مي توانند عجيب باشند.