ولم تعد الملاحظات الجديدة التي أجراها تلسكوب جيمس ويب الفضائي تستبعد وجود غلاف جوي حول الكوكب الصخري الذي يبلغ حجمه حجم الأرض. ومع ذلك، فإن وجود كوكب نشط جيولوجيًا يفسر هذه البيانات أيضًا.
ألقت القياسات الأخيرة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) بظلال من الشك على الفهم الحالي لطبيعة الكوكب الخارجي Trappist-1 bs. حتى الآن، كان من المفترض أن يكون كوكبًا صخريًا مظلمًا بدون غلاف جوي، وقد تشكل نتيجة تأثير كوني للإشعاع والنيازك على مدى مليار عام. ويبدو أن العكس هو الصحيح. لا يُظهر السطح أي علامات للعوامل الجوية، مما قد يشير إلى نشاط جيولوجي مثل البراكين وتكتونية الصفائح. وبدلاً من ذلك، فإن الكوكب ذو الغلاف الجوي الضبابي المكون من ثاني أكسيد الكربون يكون قابلاً للحياة أيضًا. توضح النتائج التحديات التي تواجه تحديد خصائص الكواكب الخارجية ذات الأجواء الرقيقة.
Trappist-1 b هو واحد من سبعة كواكب صخرية تدور حول النجم Trappist-1، ويقع على بعد 40 سنة ضوئية. يعد نظام الكواكب فريدًا من نوعه لأنه يسمح لعلماء الفلك بدراسة سبعة كواكب شبيهة بالأرض من مسافة قريبة نسبيًا، ثلاثة منها في ما يسمى بالمنطقة الصالحة للسكن. هذه هي المنطقة في النظام الكوكبي حيث يمكن أن يحتوي الكوكب على ماء سائل على السطح. حتى الآن، استهدفت عشرة برامج بحثية هذا النظام باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) لمدة 290 ساعة.
الدراسة الحالية، التي شارك فيها باحثون من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك (MPIA) في هايدلبرغ، قادتها إلسا دوكروت من مفوضية الطاقات الذرية (CEA) في باريس، فرنسا. تستخدم هذه الدراسة قياسات الأشعة تحت الحمراء الحرارية – الإشعاع الحراري بشكل أساسي – لكوكب Trappist-1 b مع MIRI (تصوير الأشعة تحت الحمراء المتوسطة) في تلسكوب جيمس ويب الفضائي وقد تم نشرها الآن في المجلة علم الفلك الطبيعة. ويتضمن نتائج العام الماضي، والتي استندت إليها الاستنتاجات السابقة، والتي تصف ترابيست-1 بي بأنه كوكب صخري داكن بدون غلاف جوي.
من الممكن أن تكون قشرة Trappist-1 b نشطة جيولوجيًا.
– ومع ذلك، فإن فكرة وجود كوكب صخري ذو سطح شديد التعرض للعوامل الجوية دون غلاف جوي لا تتفق مع القياس الحالي، كما يقول عالم الفلك في MPIA جيروين بومان، الذي كان مسؤولاً بشكل مشترك عن برنامج المراقبة. – ولذلك نعتقد أن الكوكب مغطى بمواد غير متغيرة نسبياً. – عادة ما يتعرض السطح للتجوية بسبب إشعاع النجم المركزي وتأثيرات النيازك. ومع ذلك، تشير النتائج إلى أن عمر الصخور الموجودة على السطح يبلغ حوالي 1000 عام على الأكثر، أي أقل بكثير من عمر الكوكب نفسه، والذي يقدر تاريخه إلى عدة مليارات من السنين.
قد يشير هذا إلى أن قشرة الكوكب تخضع لتغيرات جذرية، والتي يمكن تفسيرها بالنشاط البركاني الشديد أو تكتونية الصفائح. وحتى لو كان هذا السيناريو لا يزال افتراضيا حاليا، فإنه مع ذلك معقول. الكوكب كبير بما يكفي لأن باطنه ربما احتفظ بالحرارة المتبقية من تكوينه، كما هو الحال مع الأرض. قد يؤدي تأثير المد والجزر للنجم المركزي والكواكب الأخرى أيضًا إلى تشويه Trappist-1 b بحيث يولد الاحتكاك الداخلي الناتج حرارة – على غرار ما نراه في قمر المشتري Io. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصور التسخين الاستقرائي بواسطة المجال المغناطيسي للنجم القريب.
هل من الممكن أن يكون لدى Trappist-1 b غلاف جوي بعد كل شيء؟
-تسمح البيانات أيضًا بحل مختلف تمامًا، كما يقول توماس هينينج، المدير الفخري لـ MPIA. لقد كان أحد المهندسين الرئيسيين لأداة MIRI. – على عكس الأفكار السابقة، هناك ظروف يمكن أن يتمتع فيها الكوكب بغلاف جوي سميك غني بثاني أكسيد الكربون (CO2) – يضيف. الدور الرئيسي في هذا السيناريو هو الضباب الناتج عن المركبات الهيدروكربونية، أي الضباب الدخاني، في الغلاف الجوي العلوي.
تم تصميم برنامجي الرصد، اللذين يكملان بعضهما البعض في الدراسة الحالية، لقياس سطوع Trappist-1 b عند أطوال موجية مختلفة في نطاق الأشعة تحت الحمراء الحراري (12.8 و15 ميكرومتر). كانت الملاحظة الأولى حساسة لامتصاص الأشعة تحت الحمراء للكوكب بواسطة طبقة من ثاني أكسيد الكربون2. ومع ذلك، لم يتم قياس أي تعتيم، مما دفع الباحثين إلى استنتاج أن الكوكب ليس له غلاف جوي.
أجرى فريق البحث حسابات نموذجية توضح أن الضباب يمكن أن يعكس التقسيم الطبقي لدرجة الحرارة لثاني أكسيد الكربون2-جو غني. عادةً ما تكون الطبقات السفلية على مستوى الأرض أكثر دفئًا من الطبقات العليا بسبب الضغط العالي. وبينما يمتص الضباب ضوء النجوم ويسخن، فإنه بدلاً من ذلك يسخن طبقات الغلاف الجوي العليا، مدعومة بتأثير الاحتباس الحراري. ونتيجة لذلك، يصدر ثاني أكسيد الكربون هناك الأشعة تحت الحمراء نفسها.
نرى شيئًا مشابهًا يحدث على قمر زحل تيتان. ومن المرجح أن تتشكل طبقة الضباب هناك تحت تأثير إشعاع الشمس فوق البنفسجي المنبعث من الغازات الغنية بالكربون في الغلاف الجوي. قد تحدث عملية مماثلة على Trappist-1 b بسبب انبعاث نجم كبير للأشعة فوق البنفسجية.
انها معقدة.
وحتى لو كانت البيانات تناسب هذا السيناريو، فإن علماء الفلك ما زالوا يعتبرونه أقل احتمالا بالمقارنة. فمن ناحية، من الصعب، وإن لم يكن من المستحيل، إنتاج مركبات هيدروكربونية تشكل ضبابًا من الغلاف الجوي الغني بثاني أكسيد الكربون2. ومع ذلك، يتكون الغلاف الجوي لتيتان بشكل أساسي من غاز الميثان. من ناحية أخرى، تظل المشكلة هي أن النجوم القزمة الحمراء النشطة، والتي تشمل ترابيست-1، تنتج إشعاعات ورياحًا يمكن أن تؤدي بسهولة إلى تآكل الغلاف الجوي للكواكب القريبة على مدى مليارات السنين.
يعد Trappist-1 b مثالًا حيًا على مدى صعوبة اكتشاف وتحديد الأغلفة الجوية للكواكب الصخرية – حتى بالنسبة لـ JWST. فهي رقيقة مقارنة بالكواكب الغازية ولا تنتج سوى توقيعات ضعيفة قابلة للقياس. استمرت الملاحظتان لدراسة Trappist-1 b، والتي قدمت قيم السطوع عند طولين موجيين، لمدة 48 ساعة تقريبًا، وهو ما لم يكن كافيًا لتحديد ما إذا كان للكوكب غلاف جوي أم لا.
الخسوف والغيبات كأداة
استفادت عمليات الرصد من الميل الطفيف لمستوى الكوكب نحو خط رؤيتنا لـ Trappist-1. ويؤدي هذا التوجه إلى مرور الكواكب السبعة أمام النجم وإخفائها قليلاً خلال كل مدار. وينتج عن ذلك التعرف على طبيعة الكواكب وأجواءها بعدة طرق.
لقد أثبت ما يسمى بالتحليل الطيفي العابر أنه طريقة موثوقة. يتضمن ذلك قياس إعتام النجم بواسطة كوكبه، اعتمادًا على الطول الموجي. بالإضافة إلى الاحتجاب بواسطة الجسم الكوكبي المعتم، والذي يحدد علماء الفلك حجم الكوكب من خلاله، تمتص غازات الغلاف الجوي ضوء النجوم بأطوال موجية محددة. ومن هذا يمكنهم استنتاج ما إذا كان للكوكب غلاف جوي وما يتكون منه. لسوء الحظ، هذه الطريقة لها عيوب، خاصة بالنسبة للأنظمة الكوكبية مثل Trappist-1. غالبًا ما تظهر النجوم القزمة الحمراء الباردة بقعًا نجمية كبيرة وانفجارات قوية، مما يؤثر بشكل كبير على القياس.
يتحايل علماء الفلك إلى حد كبير على هذه المشكلة من خلال مراقبة جانب كوكب خارجي يسخن بواسطة النجم في ضوء الأشعة تحت الحمراء الحرارية، كما هو الحال في الدراسة الحالية مع Trappist-1 b. من السهل بشكل خاص رؤية الجانب المشرق من النهار قبل وبعد اختفاء الكوكب خلف النجم. تحتوي الأشعة تحت الحمراء التي يطلقها الكوكب على معلومات حول سطحه وغلافه الجوي. ومع ذلك، فإن مثل هذه الملاحظات تستغرق وقتًا أطول من التحليل الطيفي العابر.
ونظرًا لإمكانات ما يسمى بقياسات الكسوف الثانوية، وافقت وكالة ناسا مؤخرًا على برنامج مراقبة واسع النطاق لدراسة الغلاف الجوي للكواكب الصخرية حول النجوم القريبة منخفضة الكتلة. يتضمن هذا البرنامج الاستثنائي، “Rocky Worlds-“، 500 ساعة من المراقبة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي.
اليقين بشأن Trappist-1 ب
يتوقع فريق البحث أن يكون قادرًا على الحصول على تأكيد نهائي باستخدام متغير مراقبة آخر. وهو يسجل مدار الكوكب الكامل حول النجم، بما في ذلك جميع مراحل الإضاءة من الجانب الليلي المظلم عند المرور أمام النجم إلى الجانب النهاري المشرق قبل فترة وجيزة وبعد تغطيته بالنجم. سيسمح هذا النهج للفريق بإنشاء ما يسمى بمنحنى الطور الذي يشير إلى اختلاف سطوع الكوكب على طول مداره. ونتيجة لذلك، يمكن لعلماء الفلك استنتاج توزيع درجة حرارة سطح الكوكب.
لقد أجرى الفريق بالفعل هذا القياس باستخدام Trappist-1 b. ومن خلال تحليل كيفية توزيع الحرارة على الكوكب، يمكنهم استنتاج وجود غلاف جوي. وذلك لأن الجو يساعد على نقل الحرارة من الجانب النهاري إلى الجانب الليلي. وإذا تغيرت درجة الحرارة بشكل مفاجئ عند الانتقال بين الجانبين، فهذا يدل على عدم وجود الغلاف الجوي.
معلومات إضافية
يتألف فريق MPIA المشارك في هذه الدراسة من جيروين بومان وتوماس هينينج وأوليفر كراوس وسيلفيا شيتاور.
ومن بين الباحثين الآخرين إلسا دوكروت (LESIA، مرصد باريس، CNRS، جامعة باريس ديدرو، جامعة بيير وماري كوري، مودون، فرنسا وجامعة باريس ساكلاي، جامعة باريس سيتي، CEA، CNRS، AIM، Gif-sur-Yvette، فرنسا). [CEA])، بيير أوليفييه لاجاج (CEA)، ميشيل مين (معهد SRON الهولندي لأبحاث الفضاء، ليدن، هولندا) ومايكل جيلون (وحدة أبحاث علم الأحياء الفلكي، جامعة لييج، لييج، بلجيكا)
يتكون اتحاد MIRI من الدول الأعضاء في وكالة الفضاء الأوروبية وهي بلجيكا والدنمارك وفرنسا وألمانيا وأيرلندا وهولندا وإسبانيا والسويد وسويسرا والمملكة المتحدة. تقوم المنظمات العلمية الوطنية بتمويل عمل الكونسورتيوم – في ألمانيا، جمعية ماكس بلانك (MPG) والمركز الألماني للفضاء (DLR). تشمل المؤسسات الألمانية المشاركة معهد ماكس بلانك لعلم الفلك في هايدلبرغ، وجامعة كولونيا، وشركة هينسولدت إيه جي في أوبركوتشن، المعروفة سابقًا باسم كارل زايس أوبترونيكس.
JWST هو المرصد الرائد في العالم لأبحاث الفضاء. إنه برنامج دولي تقوده وكالة ناسا وشركاؤها، وكالة الفضاء الأوروبية (وكالة الفضاء الأوروبية) ووكالة الفضاء الكندية (وكالة الفضاء الكندية).
