عند دراسة البيانات من تلسكوب كبلر الفضائي ، اكتشف باحثو معهد فلاترون أن تقلص الكواكب على مدى مليارات السنين يفسر لغزًا طويل الأمد: الكواكب ضعف حجم الأرض.
كانت هناك نقطة تحول في حالة الكواكب المفقودة.
على الرغم من أن مهمات البحث عن الكواكب تجد الآلاف من العوالم التي تدور حول نجوم بعيدة ، إلا أن هناك نقصًا حادًا في الكواكب الخارجية التي يبلغ نصف قطرها 1.5 إلى ضعف قطر الأرض. إنها الأرض الوسطى بين الأرض الصخرية الفائقة والكواكب الكبيرة المغطاة بالغاز والمعروفة باسم Mini-Neptunes. منذ اكتشاف “فجوة الشعاع” في عام 2017 ، اكتشف العلماء سبب وجود العديد من الأجرام السماوية متوسطة الحجم.
نشأت أدلة جديدة من الطريقة الجديدة للنظر إلى البيانات. درس فريق من الباحثين بقيادة تريفور ديفيد من معهد بلاترون ما إذا كانت فجوة نصف القطر تتغير مع عمر الكواكب. قاموا بتقسيم الكواكب الخارجية إلى مجموعتين ، صغيرة وكبيرة ، وأعادوا تقييم الفجوة. كانت الأشعة الكوكبية الأقل شيوعًا من المجموعة الأصغر أصغر في المتوسط من تلك الأقل شيوعًا من المجموعة الأقدم. على الرغم من أن عجز الكواكب الأصغر يبلغ حوالي 1.6 ضعف نصف قطر الأرض ، إلا أنه يبلغ حوالي 1.8 ضعف نصف قطر الأرض في الشيخوخة.
يقترح الباحثون أن بعض النبتون الصغيرة تتقلص بشكل حاد على مدى مليارات السنين ، وأن غلافها الجوي يتسرب ، تاركًا فقط لبًا صلبًا. بفقدان غازها ، تصبح النبتون الصغيرة “قفزًا” عبر فجوة نصف قطر الكوكب. مع مرور الوقت ، تصبح فجوة نصف القطر أكبر وأكبر نبتون صغيرة ، والتي تصبح أكبر وأكبر من الأرض الفائقة. بعبارة أخرى ، هذه الفجوة هي الفجوة بين أكبر كواكب الأرض الفائقة وأصغر كوكب نبتون ، والذي لا يزال بإمكانه الاحتفاظ بغلافيه الجوي. أبلغ الباحثون عن النتائج التي توصلوا إليها في 14 مايو 2021 مجلة علم الفلك.
مخطط يصف تباعد نصف قطر كوكب خارج المجموعة الشمسية. الائتمان: مؤسسة سيمونز
قال ديفيد ، زميل أبحاث في معهد فلاترون للفيزياء الفلكية الحاسوبية (CCA) في مدينة نيويورك: “الشيء المهم هو أن الكواكب ليست مجالات ثابتة من الصخور والغازات. في بعض نماذج الغلاف الجوي المقترحة سابقًا ، “بعض هذه الكواكب أكبر بعشر مرات في بداية حياتها”.
توفر هذه النتائج مصداقية للمشتبهين اللذين اقترحهما سابقًا في هذه الحالة: الحرارة المتبقية من تكوين الكواكب والإشعاع المكثف من النجوم المضيفة. تضيف كلتا الظاهرتين الطاقة إلى الغلاف الجوي للكوكب حتى يتمكن الغاز من الهروب إلى الفضاء. يقول ديفيد ، “نحتاج إلى نماذج أكثر تطورًا لنحدد مقدار مساهمة كل منهما ومتى يساهمان في دورة حياة الكوكب.
زميلة أبحاث CCA ، غابرييلا كونتاردو ، وعالمة الأبحاث المشاركة في CCA ، روث أنجوس ، وعالمة أبحاث CCA ميجان بيديل ، وعالم أبحاث مشارك في CCA دانييل فورمان-ماكي ، وباحث CCA Guest Samuel Grunplot هو أحد المؤلفين المشاركين لهذه الدراسة.
استخدمت الدراسة الجديدة البيانات التي جمعتها مركبة الفضاء كبلر لقياس الضوء من النجوم البعيدة. عندما كوكب خارج المجموعة الشمسية يتحرك الضوء المرصود من النجم بين النجم والأرض. من خلال تحليل مدى سرعة دوران الكوكب حول نجمه ، وحجم النجم ، وكمية الضباب ، يمكن لعلماء الفلك تقدير حجم كوكب خارج المجموعة الشمسية. أدت هذه التحليلات في النهاية إلى اكتشاف فجوة نصف القطر.
https://www.youtube.com/watch؟v=30PAydMRmoA
محاكاة حاسوبية لكيفية تغير توزيع أحجام الكواكب مع عمر أنظمة الكواكب. يمكن رؤية فجوة نصف القطر بوضوح عند ضعف مساحة الأرض – اعتمادًا على الفترات المدارية للكواكب. تشير الدلائل إلى أن الفجوة تصبح صغيرة مغلقة بالغاز بمرور الوقتنبتون تفقد الكواكب غلافها الجوي وتترك أرضًا صلبة. يتم تسليط الضوء على كوكب خاضع لهذه العملية (يتم تصويره كمركز مع الغلاف الجوي) ، مسقطًا على اليمين مع تغيير في حجمه. الائتمان: الرسوم المتحركة من قبل إريك بيتيجورا (جامعة كاليفورنيا) ؛ محاكاة جيمس أوين (جامعة لندن الامبرياليه)
اقترح العلماء سابقًا بعض الطرق الممكنة لخلق الفجوة ، كل عملية تحدث خلال فترة زمنية مختلفة. يعتقد البعض أن الفجوات حدثت أثناء تكوين الكواكب عندما تشكلت بعض الكواكب دون وجود غاز كافٍ بالقرب منها لتقليل حجمها. في هذا السيناريو ، سيتم زرع نصف قطر الكوكب ، وبالتالي فجوة نصف القطر ، عند الولادة. فرضية أخرى هي أن الاصطدامات مع الصخور الفضائية يمكن أن تؤدي إلى انفجار الغلاف الجوي الكثيف للكوكب ، مما يمنع كواكب الديناصورات من تراكم كميات كبيرة من الغاز. تستمر آلية الهجوم هذه لحوالي 10 إلى 100 مليون سنة.
تتطلب البدائل الممكنة الأخرى مزيدًا من الوقت. أحد الافتراضات هو أن الأشعة السينية الشديدة والأشعة فوق البنفسجية ستزيل الغاز من النجم المضيف للكوكب بمرور الوقت. تستغرق هذه العملية ، التي تسمى التشغيل الضوئي ، أقل من 100 مليون سنة لمعظم الكواكب ، ولكنها قد تستغرق مليارات السنين بالنسبة للبعض. اقتراح آخر هو أن الحرارة المتبقية من تكوين كوكب ستضيف الطاقة ببطء إلى الغلاف الجوي للكوكب حتى يتمكن الغاز من الهروب إلى الفضاء في مليارات السنين.
حدق ديفيد وزملاؤه في الفجوة وبدأوا تحقيقهم. قد يكون حساب حجم النجوم والكواكب الخارجية أمرًا صعبًا ، لذلك قاموا بتنظيف البيانات لتشمل فقط تلك الكواكب التي كان قطرها معروفًا بثقة. كشفت معالجة البيانات هذه عن مساحات فارغة أكثر مما كان يعتقد سابقًا.
ثم صنف الباحثون الكواكب بناءً على ما إذا كانت أصغر أو أكبر من 2 مليار سنة. (بالمقارنة ، يبلغ عمر الأرض 4.5 مليار سنة). وبما أن النجم وكواكبه تتشكلان في وقت واحد ، فإنهما يحددان عمر كل كوكب بناءً على عمر نجمه.
تشير النتائج إلى أن نبتون الصغيرة لا يمكنها التقاط غازها. على مدى مليارات السنين ، يتم إزالة الغاز ، وغالبًا ما يترك الأرض الصلبة الفائقة. ستستغرق هذه العملية وقتًا أطول في حالة النبتون الصغيرة الأكبر – حيث ستصبح أكبر من الأرض الفائقة – لكنها لن تؤثر على أجمل الكواكب الغازية ، وستكون جاذبيتها قوية بما يكفي للاحتفاظ بغلافها الجوي.
تشير حقيقة أن فجوة نصف القطر تتطور على مدى مليارات السنين إلى أن الجاني ليس اصطدامات الكواكب أو الفكاهة المتأصلة في تكوين الكواكب. يقول ديفيد إن الإزالة التدريجية للحرارة من الكواكب مناسبة ، لكن الإشعاع المكثف من النجوم الأم يمكن أن يساهم أيضًا ، خاصة في البداية. الخطوة التالية هي أن يقوم العلماء بتصميم أفضل لكيفية تشكل الكواكب لمعرفة نوع التفسير الذي يلعب دورًا رئيسيًا. هذا يعني النظر في قضايا إضافية مثل الغلاف الجوي المتطور والتفاعلات بين الحقول المغناطيسية الكوكبية أو محيطات الصهارة.
ملاحظة: Trevor J. ديفيد ، غابرييلا كوناردو ، أنجيلي ساندوفال ، روث أنجوس ، يوتشي (لوسي) لو ، ميجان بيديل ، جايسون ل. كيرتس ، “تطور توزيع حجم الكواكب خارج المجموعة الشمسية لدانيال: إنشاء كواكب أرضية فائقة كبيرة بمليار عام”. فورمان ماجي ، بنيامين ج. فولتون ، صموئيل ك. جرانبلوت وإريك أ. بيتيجورا ، 14 مايو 2021 ، مجلة علم الفلك.
DOI: 10.3847 / 1538-3881 / abf439
