ستاره‌شناسان نشان دادند که چگونه سیارات بدون اینکه نابود شوند در سیستم‌های دوتایی تشکیل می‌شوند
برداشت هنری از سیاره‌ای در اطراف Alpha Centauri B. اعتبار: ESO/L. Calçada/N. Risinger
ستاره‌شناسان واقعي‌ترين مدل را برای تشكيل سياره در سيستم‌هاي دوتايي ستاره‌اي تهيه كرده‌اند.
محققان دانشگاه کمبریج و موسسه فیزیک فرازمینی ماکس پلانک، نشان داده‌اند که چگونه سیارات فراخورشیدی در سیستم‌های ستاره‌ای دوتایی مانند سیارات “تاتوئین” بوجود آمده‌اند که توسط تلسکوپ فضایی کپلر ناسا مشاهده شده‌اند، بدون اینکه نابود شوند.
آنها نوعی سیستم دوتایی را مطالعه کردند که در آن ستاره همدم کوچکتر تقریباً هر 100 سال یکبار به دور ستاره بزرگتر می‌چرخد - نزدیکترین همسایه ما، آلفا قنطورس، نمونه‌ای از چنین سیستمی است.
دکتر رومان رافیکوف از گروه ریاضیات کاربردی و فیزیک نظری کمبریج گفت: “سیستمی مانند این معادل یک خورشید دوم است که در آن اورانوس قرار دارد که باعث می‌شد منظومه شمسی خودمان بسیار متفاوت به نظر برسد.”
رافیکوف و همکار وی دکتر کدرون سیلزبی از انستیتوی فیزیک فرازمینی ماکس پلانک دریافتند که برای تشکیل سیارات در این سیستمها، کوچکترین سیارات – بلوکهای ساختمانی سیاره‌ای که به دور یک ستاره جوان می‌چرخند – باید حداقل 10 کیلومتر قطر دارد و دیسک گرد و غبار و یخ و گاز پیرامون ستاره‌ای که سیارات در آن شکل می‌گیرند، باید تقریباً دایره‌ای باشد.
این تحقیق که در کتاب نجوم و اخترفیزیک منتشر شده است، مطالعه شکل‌گیری سیارات در دوتایی‌ها را به سطح جدیدی از واقع گرایی می‌رساند و توضیح می‌دهد که چگونه می‌توان چنین سیاراتی را کشف کرد، تعدادی از آنها کشف شده است.
اعتقاد بر این است که تشکیل سیاره در یک دیسک پیش سیاره‌ای – عمدتا از هیدروژن، هلیوم و ذرات ریز یخ و گرد و غبار – ساخته شده و در حال چرخش به دور یک ستاره جوان است. طبق نظریه پیشرو فعلی در مورد چگونگی شکل‌گیری سیارات، معروف به تجمع هسته، ذرات گرد و غبار به یکدیگر می‌چسبند و در نهایت اجسام جامد بزرگتر و بزرگتری تشکیل می‌شوند. اگر روند کار زودهنگام متوقف شود، نتیجه آن می‌تواند یک سیاره سنگی مانند زمین باشد. اگر این سیاره از زمین بزرگتر شود، گرانش آن برای به دام انداختن مقدار زیادی گاز از دیسک کافی است و منجر به تشکیل یک غول گازی مانند مشتری می‌شود.
رافیکوف گفت: “این تئوری برای سیستم‌های سیاره‌ای شکل گرفته در اطراف یک ستاره معقول است، اما تشکیل سیاره در سیستم‌های دوتایی پیچیده‌تر است، زیرا ستاره همدم مانند یک همزن غول‌پیکر عمل می‌کند و دیسک پیش‌سیاره‌ای را به صورت پویا تحریک می‌کند.”
سیلزبی گفت: “در سیستمی با یک ستاره، ذرات موجود در دیسک با سرعت کم در حال حرکت هستند، بنابراین هنگام برخورد به راحتی به هم می‌چسبند و به آنها امکان رشد می‌دهد.” “اما به دلیل تأثیر گرانشی”همزن”ستاره همدم در یک سیستم دوتایی، ذرات جامد آنجا با سرعت بسیار بالاتری با یکدیگر برخورد می‌کنند. بنابراین، هنگام برخورد، یکدیگر را نابود می‌کنند.”
بسیاری از سیارات فراخورشیدی در سیستم‌های دوتایی مشاهده شده‌اند، بنابراین سوال این است که چگونه آنها به آنجا رسیده‌اند. حتی برخی از ستاره‌شناسان گفته‌اند که شاید این سیارات در فضای بین ستاره‌ای شناور بودند و به عنوان مثال توسط جاذبه یک دوتایی مکیده می‌شدند.
رافیکوف و سیلزبی برای کمک به حل این رمز و راز مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌ها را انجام دادند. آنها یک مدل ریاضی دقیق از رشد سیارات را در یک دوتایی تهیه کردند که از ورودی‌های فیزیکی واقع‌گرایانه استفاده می‌کند و فرایندهایی را که غالباً نادیده گرفته می‌شوند، مانند تأثیر گرانشی دیسک گاز بر روی حرکتهای کره زمین در آن، مورد استفاده قرار می‌دهد.
سیلزبی گفت: “همانطور که شناخته شده است این دیسک مستقیماً از طریق کشش گاز روی کره زمین تأثیر می‌گذارد و مانند نوعی باد عمل می‌کند.” “چند سال پیش، ما متوجه شدیم که علاوه بر کشش گاز، گرانش دیسک به طور چشمگیری دینامیک کره زمین را تغییر می‌دهد، در برخی موارد به سیارات اجازه می‌دهد حتی با وجود اغتشاشات گرانشی ناشی از همدم ستاره‌ای، تشکیل شوند.”
رافیکوف گفت: “مدلی که ما ساخته‌ایم این کار را به همراه سایر کارهای قبلی برای آزمایش تئوری‌های تشکیل سیاره جمع می‌کند.”
مدل آنها نشان داد که سیارات می‌توانند در سیستم‌های دوتایی مانند آلفا قنطورس شکل بگیرند، به شرط آنکه اندازه خرده‌سیاره‌ها حداقل از 10 کیلومتری شروع می‌شود و دیسک پیش‌سیاره شبیه دایره باشد، بدون اینکه بی‌نظمی عمده‌ای داشته باشد. با رسیدن به این شرایط، سیارات کوچک در قسمتهای خاصی از دیسک در نهایت به آرامی نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند که به جای تخریب یکدیگر، بهم می‌چسبند.
این یافته‌ها از مکانیسم خاصی برای شکل‌گیری سیارات، به نام ناپایداری جریانی، بخشی جدایی‌ناپذیر از روند تشکیل سیاره است. این ناپایداری یک اثر جمعی است و ذرات جامد زیادی را در حضور گاز درگیر می‌کند که قادر است دانه‌های گرد و غبار به اندازه سنگ ریزه به تخته سنگ را متمرکز کند تا چند سیاره بزرگ تولید کند که در بیشتر برخوردها سالم می‌ماند.
نتایج این کار بینش مهمی برای نظریه‌های شکل‌گیری سیاره در اطراف هر دو ستاره دوتایی و منفرد و همچنین شبیه‌سازی هیدرودینامیکی دیسک‌های پیش سیاره در دوتایی‌ها فراهم می‌کند. در آینده، این مدل همچنین می‌تواند برای توضیح منشأ سیارات “تاتوئین” – سیارات فراخورشیدی در مدار هر دو مولفه یک دوتایی مورد استفاده قرار گیرد – حدوداً ده مورد از آنها توسط تلسکوپ فضایی کپلر ناسا شناسایی شده است.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Astronomers show how planets form in binary systems without getting crushed
by Sarah Collins, University of Cambridge
https://phys.org/news/2021-07-astronomers-planets-binary.html