كيف يمكن للحلقات الحديدية الثلاث أن تعيد تعريف تكوين الكوكب

نظام ثلاثي الحلقات في منطقة تشكل الكواكب في القرص المحيط بالنجم، حيث تعمل المعادن والمعادن كمستودع لوحدات بناء الكواكب.

اكتشف فريق بحث، يضم علماء فلك من معهد ماكس بلانك لعلم الفلك (MPIA)، ثلاث حلقات في حضانة الكواكب في القرص الداخلي الذي يشكل الكوكب لنجم شاب. يقترح هذا الإطار اثنين يوم الخميستتشكل الكواكب ذات الكتلة في الفضاء بين الحلقات. يتوافق التحليل التفصيلي مع حبيبات الحديد الصلبة الوفيرة التي تكمل تركيبة الغبار. ونتيجة لذلك، يحتوي القرص على معادن ومعادن مشابهة لتلك الموجودة في الكواكب الأرضية في النظام الشمسي. وهو يوفر ظروفًا مشابهة لتلك التي كانت موجودة في النظام الشمسي المبكر قبل أربعة مليارات سنة أثناء تكوين الكواكب الصخرية مثل عطارد. كوكب الزهرةوالأرض.

ثلاث حلقات حديدية في قرص تشكل كوكبًا

إن أصول الأرض والنظام الشمسي تلهم العلماء والجمهور على حد سواء. ومن خلال دراسة الحالة الحالية لكوكبنا والأجسام الأخرى في النظام الشمسي، تمكن الباحثون من تكوين صورة مفصلة للظروف قبل حوالي 4.5 مليار سنة عندما تشكلت الشمس الطفلة من قرص من الغبار والغاز.

ثلاث حلقات تشير إلى كوكبين

لقد تم إحراز تقدم مذهل في أبحاث تكوين النجوم والكواكب التي تستهدف الأجرام السماوية البعيدة، وأصبح من الممكن الآن فحص الظروف في البيئات المحيطة بالنجوم الشابة ومقارنتها بتلك التي تم الحصول عليها من النظام الشمسي المبكر. باستخدام المرصد الأوروبي الجنوبي (إسو) تلسكوب كبير جداً مقياس التداخل (VLDI) هو ما فعله فريق دولي من الباحثين بقيادة جوزيف فارجا من مختبر كونكولي في بودابست، المجر. ولاحظوا القرص المكون للكوكب للنجم الشاب HD 144432، على بعد حوالي 500 سنة ضوئية.

منظر جوي للتلسكوب الكبير جدًا (VLT) التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي فوق سيرو بارانال في صحراء أتاكاما، تشيلي. يجمع مقياس التداخل VLT (VLTI) الضوء الصادر من أربعة تلسكوبات لتمكين التصوير عالي الدقة للأجرام السماوية البعيدة. حقوق الصورة: G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

يقول روي فان بوجل: “أثناء دراسة توزيع الغبار في الجزء الداخلي من القرص، اكتشفنا لأول مرة بنية معقدة يتراكم فيها الغبار في ثلاث حلقات متحدة المركز في مثل هذه البيئة”. وهو عالم في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك (MPIA) في هايدلبرغ، ألمانيا، ومؤلف مشارك لورقة البحث الأساسية المنشورة في المجلة. علم الفلك والفيزياء الفلكية. ويضيف فان بوجل: “تتوافق هذه المنطقة مع منطقة تكوين الكواكب الصخرية في النظام الشمسي”. بالمقارنة مع النظام الشمسي، فإن الحلقة الأولى حول HD 144432 تقع في مدار عطارد، بينما الثانية دائرية. يوم الثلاثاءمسار كما أن الحلقة الثالثة تتوافق تقريبًا مع مدار كوكب المشتري.

حتى الآن، اكتشف علماء الفلك مثل هذه الهياكل بشكل رئيسي على نطاقات واسعة. قعد يدور حول الشمس. تشير الأنظمة الحلقية الموجودة في الأقراص حول النجوم الشابة عادةً إلى تشكل الكواكب داخل الفجوات مع تراكم الغبار والغاز في طريقها. ومع ذلك، HD 144432 هو المثال الأول لنظام حلقات معقد قريب جدًا من نجمه المضيف. ويحدث في المنطقة المتربة، وهي لبنة بناء الكواكب الصخرية مثل الأرض. وبافتراض أن الحلقات تشير إلى وجود كوكبين يتشكلان داخل الفجوات، فقد قدر علماء الفلك أن كتلتهما تشبه تقريبًا كوكب المشتري.

قد تكون الظروف مشابهة لتلك التي كانت موجودة في النظام الشمسي المبكر

وحدد علماء الفلك تركيبة الغبار عبر القرص حتى انفصل عن النجم المركزي، وهو ما يتوافق مع بعد المشتري عن الشمس. النتائج التي توصلوا إليها مألوفة للعلماء الذين يدرسون الأرض والكواكب الصخرية في النظام الشمسي: السيليكات المختلفة (مركبات المعدن والسيليكون والأكسجين) والمعادن الأخرى الموجودة في قشرة الأرض ووشاحها، والحديد المعدني الموجود على عطارد والأرض. الأجنة. وإذا تم تأكيد هذه الدراسة، فستكون أول دراسة تكتشف الحديد في قرص تشكيل الكوكب.

هذا الرسم التوضيحي عبارة عن رسم تخطيطي للقرص HD 144432 الذي تمت ملاحظته باستخدام VLTI. تتوافق البيانات مع بنية ثلاث حلقات متحدة المركز. وتشير الفجوات بين الحلقات عادة إلى أن الكواكب العملاقة تتشكل عن طريق تراكم الغبار والغاز في مداراتها حول النجم المضيف. توجد معادن السيليكات في المقام الأول على شكل بلورات في المناطق الاستوائية الداخلية. لا يمكن لملاحظات VLTI تقييد القرص الخارجي البارد. الائتمان: © ج. فارجا وآخرون. / MPIA

يشرح فان بوجل: “لقد أوضح علماء الفلك حتى الآن ملاحظات الأقراص المغبرة بمزيج من غبار الكربون والسيليكات، وهي الأشياء التي نراها في كل مكان تقريبًا في الكون”. ومع ذلك، من وجهة نظر كيميائية، يكون مزيج الحديد والسيليكات أكثر قبولًا في مناطق القرص الداخلية الساخنة. في الواقع، وجد فارجا، المؤلف الرئيسي لورقة البحث المبتكرة، أن النموذج الكيميائي المطبق على البيانات أنتج نتائج أفضل عندما تم إدخال الحديد بدلاً من الكربون.

كما أن الغبار الموجود في قرص HD 144432 يمكن أن يصل إلى 1800 كلفن (حوالي 1500 درجة). درجة مئوية) عند الحافة الداخلية ومعتدلة بالخارج عند حوالي 300 كلفن (حوالي 25 درجة مئوية). يتم صهر المعادن والحديد وإعادة تكثيفهما في المناطق الساخنة القريبة من النجم، وغالبًا ما يتحولان إلى بلورات. وبدورها فإن حبيبات الكربون لا تتحمل الحرارة، بل تتحمل أول أكسيد الكربون أو غاز ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، قد يظل الكربون مكونًا مهمًا للجسيمات الصلبة الموجودة في القرص الخارجي البارد، والتي لم تتمكن الملاحظات المقدمة لهذه الدراسة من اكتشافها.

الغبار الغني بالحديد والفقير بالكربون مناسب تمامًا لظروف النظام الشمسي. عطارد والأرض كوكبان غنيان بالحديد، بينما الأرض منخفضة الكربون. يقول فان بويجل: “نعتقد أن القرص HD 144432 قد يكون مشابهًا جدًا للنظام الشمسي المبكر الذي قدم الكثير من الحديد للكواكب الصخرية التي نعرفها اليوم”. “دراستنا هي مثال آخر يوضح أن تكوين نظامنا الشمسي قد يكون شائعا جدا.”

قياس التداخل يحل التفاصيل الصغيرة

لا يمكن استرجاع النتائج إلا من خلال عمليات رصد عالية الدقة بشكل استثنائي، على النحو المنصوص عليه من قبل VLDI. من خلال الجمع بين التلسكوبات الأربعة VLT التي يبلغ قطرها 8.2 متر في مرصد بارنال التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي، يمكن لعلماء الفلك حل تفاصيل مشابهة لاستخدام تلسكوب بمرآة أساسية يبلغ قطرها 200 متر. حصل فارجا وفان بوجل ومعاونوهم على البيانات باستخدام ثلاث أدوات لتحقيق تغطية واسعة النطاق للطول الموجي من 1.6 إلى 13 ميكرومتر، وهو ما يمثل ضوء الأشعة تحت الحمراء.

قدمت MPIA مكونات تقنية مهمة لجهازين، GRAVITY والتجربة الطيفية للأشعة تحت الحمراء المتوسطة ذات الفتحات المتعددة (MATISSE). أحد أهداف ماتيس الأساسية هو دراسة المناطق الصخرية التي تشكل الكواكب حول النجوم الشابة. يقول توماس هينينج: “من خلال النظر إلى المناطق الداخلية لأقراص الكواكب الأولية حول النجوم، نهدف إلى التحقق من أصل المعادن المختلفة الموجودة في القرص – المعادن التي ستشكل لاحقًا المكونات الصلبة للكواكب الشبيهة بالأرض”. Co-PI لأداة MATISSE.

ومع ذلك، فإن إنتاج صور بمقياس تداخل مماثل لما اعتدنا الحصول عليه من تلسكوب واحد ليس بالأمر السهل ويمكن أن يستغرق وقتًا طويلاً. الاستخدام الأكثر كفاءة لوقت المراقبة الثمين لفهم بنية الكائن هو مقارنة البيانات المتناثرة بعينات من التكوينات المستهدفة المحتملة. على القرص HD 144432، تمثل البنية ثلاثية الحلقات البيانات بشكل أفضل.

ما مدى شيوع الأقراص المكونة للكواكب الغنية بالحديد؟

يبدو أن HD 144432 يقدم مثالا آخر على تشكل الكواكب في بيئة غنية بالحديد خارج النظام الشمسي. لكن علماء الفلك لا يتوقفون عند هذا الحد. ويشير فان بوجل إلى أنه “لا يزال هناك بعض المرشحين الواعدين ينتظرون VLDI”. وفي الملاحظات السابقة، وجد الفريق العديد من الأقراص حول النجوم الشابة التي تشير إلى الهياكل التي تحتاج إلى إعادة بلورتها. ومع ذلك، فإن استخدام أحدث أداة VLTI سيكشف عن هيكلها التفصيلي وكيميائها. في نهاية المطاف، سيتمكن علماء الفلك من توضيح ما إذا كانت الكواكب تتشكل عادة في أقراص غبار غنية بالحديد بالقرب من نجومها الأم.

ملحوظة: جي. فارجا، إل بي إف إم ووترز، م. هوجرهايت، R. فان بوكيل، أ. ماتر، ب. لوبيز، ك. بيرات، ل. تشن، د. ناديلا، س. وولف، ج. دومينيك، أ. جوسبال، ب. أبراهام، ج.-سي. أوجيرو، بي. بولي، جي. بورداروت، أ. كاراتي أو جاراتي، إف. كروز ساينز دي ميرا، دبليو سي دانشي، في. غاميز روساس، ث. هينينج، K.-H. هوفمان، إم. هولي، جي دبليو إيسبيل، دبليو. جافي، تي. جوهاسز، في. كيكسكيميثي، جي. كوبوس، إي. كوكولينا، إل. لابادي، إف. ليكو، إف. ميلور، إيه. مور، إن. موروجاو، إي بانتين، د. شيرتل، M. شوك، ل. فان هاستر، ج. ويجيلت، J. وويللس و ب. فويتكي، 8 يناير 2024، علم الفلك والفيزياء الفلكية.
دوى: 10.1051/0004-6361/202347535

الباحثون في MPIA المشاركون في الدراسة هم روي فان بوغل، ومورتن شوك، وتوماس هينينج، وجاكوب دبليو. إيسبل، أغنيس جوسبال (أيضًا مركز أبحاث HUN-REN لعلم الفلك وعلوم الأرض، مختبر كونكولي، بودابست، المجر [Konkoly]; CSFK، مركز MTA للتميز، بودابست، المجر [CSFK]; ELTE Eötvös جامعة لوراند، بودابست، المجر [ELTE]) ، أليسيو كاراتي أو كاراتي (INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte، نابولي، إيطاليا).

مساهمون آخرون: ج. فارجا (كونكولي؛ CSFK؛ مرصد ليدن، هولندا [Leiden])، LBFM Waters (جامعة رادبود، نيميغن، هولندا؛ SRON، ليدن، هولندا)، M. Hogerheijde (ليدن؛ جامعة أمستردام، هولندا) [UVA])، أ. ماتر (مرصد كوت دازور/CNRS، نيس، فرنسا [OCA])، ب. لوبيز (OCA)، ك. بيرات (جامعة غرونوبل ألب/CNRS/IPAG، فرنسا [IPAG])، ل. تشين (كونكولي؛ CSFK)، د. ناتيلا (ليدن)، س. أولف (جامعة كيل، ألمانيا). [UK])، ج. دومينيك (UVA)، ب. أبراهام (كونكولي؛ CSFK؛ ELTE)، J.-C. أوجيرو (IPAG)، P. Boley (OCA)، G. Bourdarot (معهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض، جارشينج، ألمانيا)، F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly؛ CSFK؛ جامعة تولوز، فرنسا)، WC Danchi (ناسا مركز غودارد لرحلات الفضاء، الحزام الأخضر، الولايات المتحدة الأمريكية)، V. ألعاب روزاس (ليدن)، K.-H. هوفمان (معهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي، بون، ألمانيا [MPIfR])، م. هولي (OCA)، دبليو. جافي (ليدن)، د. جوهاس (كونكولي؛ CSFK؛ ELTE)، ضد. كيكشميتي (ELTE)، ج. كوبس (المملكة المتحدة)، إي. كوكولينا (جامعة لييج، بلجيكا؛ OCA)، إل. لبادي (جامعة كولونيا، ألمانيا)، إف. لايكو (كونكولي؛ CSFK)، إف. ميلور (OCA)، أ. مور (كونكولي؛ سي إس إف كيه)، ن. موروجاو (جامعة لشبونة وجامعة بورتو، البرتغال)، ه. Pantin (AIM، CEA/CNRS، Gif-sur-Yvette، فرنسا)، D. Schertl (MPIfR)، L. von Haaster (Leiden)، G. Weigelt (MPIfR)، J. Woillez (المختبر الأوروبي الجنوبي، كارشينج، ألمانيا )، P. Woitke (معهد أبحاث الفضاء، الأكاديمية النمساوية للعلوم، غراتس، النمسا)، تعاون MATISSE وGRAVITY