دوران "نوجوانی" پر تلاطم سیارات فراخورشیدی: سامانه TOI-2076 تأثیر ستاره را آشکار می‌سازد

چین - خبرگزاری اخباری

دوران "نوجوانی" پر تلاطم سیارات فراخورشیدی: سامانه TOI-2076 تأثیر ستاره را آشکار می‌سازد

سامانه خورشیدی پایدار که امروز در آن زندگی می‌کنیم، محصول میلیاردها سال تکامل کیهانی است. این سامانه همیشه اینقدر منظم نبوده است؛ مدارهای سیاره‌ای برای تثبیت شدن به زمان نیاز داشتند و جو سیارات برای تکامل و تغییر، هزاران سال وقت لازم داشتند. رقص پیچیده بین مکانیک مداری و تکامل جوی، جنبه‌ای بنیادی از آنچه یک سامانه خورشیدی را تعریف می‌کند، و یک نیروی محرکه کلیدی در این فرآیند، پدیده‌ای است که به "تبخیر نوری" (photoevaporation) معروف است.

تبخیر نوری فرآیندی را توصیف می‌کند که طی آن تابش پرانرژی، به ویژه انتشار فرابنفش (UV) و اشعه ایکس از ستاره میزبان، گازها را در جو یک سیاره یا درون دیسک پیش‌سیاره‌ای گرم و یونیزه می‌کند. این انرژی شدید می‌تواند این گازها را پراکنده کند و به طور موثر آنها را از بین ببرد. این کاهش جرم، یک رویداد جزئی نیست؛ بلکه به طور قابل توجهی بر اندرکنش‌های گرانشی بین سیارات تأثیر می‌گذارد، مسیرهای مداری آنها را تحت تأثیر قرار می‌دهد و به طور بالقوه منجر به ناپایداری یا بازآرایی می‌شود.

این مرحله، اگرچه در مقیاس زمانی بزرگ وجود یک سامانه خورشیدی کوتاه است، اما حیاتی است. این مرحله نشان‌دهنده گذار از یک مرحله اولیه آشفته و سرشار از گاز به یک پیکربندی بالغ‌تر و بالقوه پایدار است. سامانه خورشیدی خود ما میلیاردها سال پیش این مرحله را پشت سر گذاشته است و راه را برای مدارهای نسبتاً قابل پیش‌بینی که امروز مشاهده می‌کنیم هموار کرده است.

برای درک بهتر این دوره شکل‌گیری، محققان توجه خود را به سامانه‌های ستاره‌ای جوان‌تر که هنوز در مراحل رشد خود هستند، معطوف کرده‌اند. یکی از این سامانه‌ها، با نام TOI-2076، اخیراً موضوع مطالعات فشرده بوده است. این سامانه که اولین بار توسط ماهواره کاوش سیارات فراخورشیدی در حال عبور (TESS) ناسا در سال 2020 کشف شد، توسط دانشمندان به عنوان یک سامانه خورشیدی "نوجوان" توصیف می‌شود و پنجره‌ای منحصر به فرد به مراحل پایانی تبخیر نوری ارائه می‌دهد.

یک مطالعه جدید که در مجله معتبر Nature Astronomy منتشر شده و توسط مو-تیان وانگ از دانشکده نجوم و علوم فضایی دانشگاه نانجینگ هدایت می‌شود، تحلیلی جامع از سامانه TOI-2076 ارائه می‌دهد. این مقاله با عنوان "یک سامانه سیاره‌ای نوجوان و تقریباً تشدیدی در نزدیکی پایان تبخیر نوری"، اهمیت این سامانه را برجسته می‌کند. نویسندگان می‌نویسند: "ما یک توصیف کامل از سامانه TOI-2076 ارائه می‌دهیم که سن نوجوانی آن حدود 210 ± 20 میلیون سال، آن را به یک نشانه کلیدی برای مطالعه تکامل دینامیکی و فرسایش جوهای اولیه تبدیل می‌کند."

سامانه‌های خورشیدی جوان اغلب ویژگی‌هایی مانند تشدیدهای حرکت متوسط (MMR) را نشان می‌دهند، که در آن دوره‌های مداری چندین سیاره در نسبت‌های صحیح ساده قرار دارند. این تشدیدها می‌توانند پیکربندی‌های پایدار ایجاد کنند، اما همچنین مستعد اختلال هستند. مدل‌های نظری، مانند مدل تأثیرگذار نیس (Nice model)، پیش‌بینی می‌کنند که مهاجرت سیارات که توسط اندرکنش‌های گرانشی هدایت می‌شوند، می‌توانند این تشدیدها را بی‌ثبات کنند. مدل نیس، به عنوان مثال، فرض می‌کند که سیارات غول‌پیکر در سامانه خورشیدی ما به طور قابل توجهی مهاجرت کرده‌اند، که به طور بالقوه منجر به رویدادهایی مانند "بمباران سنگین دیر هنگام" (Late Heavy Bombardment)، دوره‌ای از برخوردهای شدید سیارکی شده است.

این دوره ناپایداری اغلب پس از پراکنده شدن دیسک پیش‌سیاره‌ای و از بین رفتن جوهای سیاره‌ای از طریق تبخیر نوری رخ می‌دهد. از دست دادن جرم جوی، گرانش سیاره‌ای را تغییر می‌دهد، که به نوبه خود می‌تواند تعادل‌های مداری ظریف را مختل کرده و تشدیدهای برقرار شده را بشکند.

با این حال، تحقیقات بر روی TOI-2076 نشان می‌دهد که تبخیر نوری خود ممکن است نقشی در تثبیت سامانه‌ها ایفا کند، هرچند به طور غیرمستقیم. با حذف گاز از بین سیارات، می‌تواند اثرات مخربی را که در غیر این صورت MMR را از بین می‌برد، کاهش دهد. هاوارد چن، یکی از نویسندگان همکار از موسسه فناوری فلوریدا، توضیح می‌دهد: "دوره تحول در مقایسه با کل عمر سامانه بسیار کوتاه است. این دوره واقعاً کلید تعیین چگونگی نتیجه‌گیری آن در حالت بالغ است."

سامانه TOI-2076 به ویژه جالب است زیرا میزبان چهار سیاره "زیر-نپتون" است که اندازه‌شان بین 1.4 تا 3.5 برابر شعاع زمین متغیر است. این سیارات در مدارهایی قرار دارند که نزدیک به تشدیدهای حرکت متوسط هستند، اما در آنها قفل نشده‌اند، که نشان‌دهنده یک حالت دینامیکی شکننده است. ستاره میزبان یک ستاره نوع K با قدمتی حدود 210 میلیون سال است.

مشاهدات نشان می‌دهد که سیارات تقریباً در یک توالی منظم قرار گرفته‌اند، که نشان می‌دهد آنها زمانی بسیار نزدیک‌تر به هم بوده‌اند و به آرامی به سمت بیرون مهاجرت می‌کنند. نکته مهم این است که در حالی که هر چهار سیاره به نظر می‌رسد هسته‌های سنگی دارند، ترکیبات جوی آنها به طور قابل توجهی متفاوت است. سیاره‌ای که به ستاره نزدیک‌تر است، به وضوح تمام جو خود را به دلیل تبخیر نوری از دست داده است، در حالی که سه سیاره بیرونی‌تر، اگرچه احتمالاً در شرایط کاهش یافته، بخش بیشتری از آن را حفظ کرده‌اند.

مدل‌های کامپیوتری تکامل سیاره‌ای چن به طرز شگفت‌انگیزی با این مشاهدات مطابقت دارند. شبیه‌سازی‌های او نشان می‌دهند که سیارات به تدریج جو خود را از طریق تبخیر نوری از دست می‌دهند، که سرعت و میزان آن به عواملی مانند فاصله از ستاره و شدت تابش ستاره‌ای بستگی دارد. مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند که سیارات در معرض سطوح بالاتر تابش UV و X، جو خود را سریعتر یا به طور کامل از دست خواهند داد. "این روند با از دست دادن جرم جوی ناشی از تبخیر نوری سازگار است، که پیش‌بینی می‌کند جو سیارات تابیده شده یا به طور کامل فرسایش می‌یابند یا در چند صد میلیون سال اول در سطح باقی‌مانده‌ای از حدود 1% جرم تثبیت می‌شوند، در حالی که سیارات دورتر و کمتر تابیده شده، بیشتر جو اولیه خود را حفظ می‌کنند"، محققان توضیح می‌دهند.

این مطالعه شامل شبیه‌سازی‌های دقیقی است که از دست دادن جرم ناشی از تبخیر نوری برای هر سیاره در سامانه TOI-2076 را نشان می‌دهد، که توسط انتشار اشعه ایکس و UV ستاره هدایت می‌شود. این تجسم‌ها، تکامل شعاع سیارات، کسری از جرم در جو هیدروژن-هلیوم آنها و طول عمر جوی آنها را دنبال می‌کنند.

چن در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: "برای من، تمام هدف مدل‌سازی، توانایی ارتباط با مشاهدات است. شما می‌خواهید مدل‌هایتان درباره دنیای واقعی چیزی بگویند، اما این لزوماً همیشه اینطور نیست. دیدن اینکه مدل در دنیای واقعی کار می‌کند و آنچه را که اتفاق می‌افتد توضیح می‌دهد، بسیار قدرتمند است."

نتایج نشان می‌دهد که پس از این مرحله شدید تبخیر نوری، که معمولاً ظرف 100 میلیون سال اول به پایان می‌رسد، بیشتر سامانه‌های خورشیدی تمایل به تثبیت دارند، بسیار شبیه به سامانه خودمان. با این حال، محققان هشدار می‌دهند که تبخیر نوری تنها معمار سرنوشت یک سامانه سیاره‌ای نیست. مکانیسم‌های دیگر، مانند فرار ناشی از هسته (core-powered escape) که توسط گرمای داخلی سیاره هدایت می‌شود، نیز می‌توانند به از دست دادن جو کمک کنند، به ویژه در سیارات زیر-نپتون، و به طور بالقوه دوره از دست دادن جرم را در مراحل بعدی تاریخ یک سامانه طولانی‌تر کنند.

در نهایت، مطالعه TOI-2076 "شواهد مشاهده‌ای مستقیمی ارائه می‌دهد که بازسازی دینامیکی و جوی سامانه‌های سیاره‌ای فشرده از اوایل شروع می‌شود و لنگر تجربی برای مدل‌های تکامل بلندمدت آنها فراهم می‌کند"، نویسندگان نتیجه‌گیری می‌کنند. این تحقیق درک ما را از سال‌های حیاتی و اغلب خشونت‌آمیز شکل‌گیری سامانه‌های سیاره‌ای در سراسر کیهان عمیق‌تر می‌کند.

خبرگزاری اخباری