تلسکوپ فضایی جیمز وب از جو سیارات فراخورشیدی نقشه برداری خواهد کرد

نمایشی هنری از 10 مشتری داغ که با تلسکوپ فضایی هابل و اسپیتزر مورد مطالعه قرار گرفت. اعتبار NASA/ESA

سیارات فراخورشیدی، سیاراتی که به دور ستارگانی غیر از خورشید می‌چرخند، در فواصل بسیار دور از زمین یافت می‌شوند. به عنوان مثال، فاصله نزدیکترین سیاره فراخورشیدی به ما، پروکسیما قنطورسb، 4.2 سال نوری یا 265000 برابر فاصله زمین و خورشید است.

با چشم غیرمسلح، سیارات منظومه شمسی به صورت نقاط درخشان ظاهر می‌شوند. با این حال، با استفاده از تلسکوپ، این نقاط ستاره‌ای متمایز می‌شوند و ساختارهایی مانند لکه قرمز بزرگ مشتری، حلقه‌های زحل یا کلاهک‌های یخی مریخ را نشان می‌دهند.

اگرچه وجود چنین پدیده‌هایی در سیارات فراخورشیدی مورد انتظار است، اما فاصله آنها از زمین ما را از شناخت سطوح آنها باز می‌دارد. با این وجود، راه‌هایی برای یادگیری بیشتر در مورد ساختار جو آنها و نقشه برداری از آنها وجود دارد.

انتظار می‌رود تلسکوپ فضایی جیمز وب که در 25 دسامبر 2021 به فضا پرتاب شد، انقلابی در حوزه علم فراسیاره‌ای ایجاد کند.

شناسایی سیارات فراخورشیدی

جدا از چند مورد خاص که می‌توان مستقیماً نور یک سیاره را مشاهده کرد، اکثر سیارات فراخورشیدی با استفاده از روش‌های غیرمستقیم شناسایی می‌شوند. یک روش غیر مستقیم شامل مشاهده تأثیر حضور سیاره بر نور ساطع شده از ستاره آن است.

روش گذر منجر به بیشترین تعداد کشف سیارات فراخورشیدی شده است. گذر زمانی اتفاق می‌افتد که از دید ما، یک سیاره فراخورشیدی از مقابل ستاره میزبان خود عبور کند. در طول گذر، نور ستاره کاهش می‌یابد زیرا سطح ستاره تا حدی توسط سیاره پنهان می‌شود.

نور به طیفی از طول موج‌ها تقسیم می‌شود که با رنگهای مختلف مطابقت دارد. هنگامی که یک گذر در چندین طول موج مشاهده می‌شود، می‌توان ترکیب جوی سیاره فراخورشیدی را اندازه‌گیری کرد. برای مثال، مولکول‌های آب به شدت نور را در طول موج‌های فروسرخ جذب می‌کنند و سیاره را بزرگ‌تر نشان می‌دهند، زیرا جو آن بخش بزرگ‌تری از نور ستاره‌اش را مسدود می‌کند. به روشی مشابه، اندازه‌گیری دمای جو و تشخیص وجود ابرها نیز امکان‌پذیر است.

علاوه بر این، یک سیاره در حال عبور نیز می‌تواند از پشت ستاره خود عبور کند. این پدیده که در آن فقط نور ستاره مشاهده می‌شود، خسوف ثانویه نامیده می‌شود. با مشاهده این پدیده، می‌توان نوری را که فقط از سیاره می‌آید جدا کرد و در نتیجه اطلاعات بیشتری در مورد جو آن به دست آورد.

روش گذر به حضور ابرها حساس‌تر است، در حالی که روش کسوف ثانویه اطلاعات بیشتری در مورد دمای جو ارائه می‌دهد.

شماتیک یک سیاره در اطراف ستاره خود و نوری که از منظومه بر اساس موقعیت آن می‌آید. اعتبارESA

به طور کلی اتمسفر یک سیاره فراخورشیدی در هنگام تجزیه و تحلیل آن یک جسم تک بعدی در نظر گرفته می‌شود. یعنی ترکیب و دمای آن تنها با ارتفاع متفاوت است (نه با موقعیت آن در طول و عرض جغرافیایی). برای در نظر گرفتن این سه بعد به طور همزمان نیاز به مدلهای پیچیده و همچنین درجه بالایی از دقت مشاهده است. با این حال، صرفاً در نظر گرفتن ارتفاع ممکن است تقریبی ایجاد کند که معتبر نباشد. به عنوان مثال، در زمین، درجه حرارت در استوا بسیار بیشتر از در قطب است.

برخی از سیارات فراخورشیدی نیز تغییرات فضایی شدیدی در جو خود دارند. مشتری‌های داغ، از نظر اندازه مشابه مشتری، بسیار نزدیک به ستاره میزبان خود می‌چرخند و بنابراین می‌توانند به دمای چند هزار درجه سانتیگراد برسند.

علاوه بر این، این سیارات عموماً با همان سرعتی به دور خود می چرخند که به دور ستاره خود می‌چرخند. این بدان معناست که در این سیارات، یک روز و یک سال طول یکسانی دارند. همانطور که ما فقط می‌توانیم یک طرف ماه را از زمین ببینیم، فقط یک طرف مشتری داغ دائماً رو به ستاره خود است. این پدیده می‌تواند منجر به اختلاف دمای زیادی بین سمت روز که توسط ستاره روشن می‌شود و سمت شب شود که همیشه در تاریکی است.

روش‌های نقشه‌برداری

اگرچه مشاهده مستقیم سطح یک سیاره فراخورشیدی غیرممکن است، اما اندازه‌گیری تغییرات فضایی جو با استفاده از دو روش امکان‌پذیر است: تجزیه و تحلیل منحنی فاز و نقشه‌برداری گرفت ثانویه.

منحنی فاز تغییر نور از سیستم ستاره-سیاره در طول یک دوره است. از آنجایی که سیاره در طول مدارش روی خود می‌چرخد، بخشهای مختلفی از جو آن به طور متوالی برای ما قابل مشاهده است. از این سیگنال می‌توان شدت نور ساطع شده از سیاره را در طول جغرافیایی ترسیم کرد. در مورد مشتری‌های داغ، که سمت روز آنها عموماً گرمتر است، حداکثر نور سیاره نزدیک به گرفت ثانویه است. به طور مشابه، حداقل منحنی نزدیک به گذر است، زیرا آن سمت شب است که مشاهده می‌شود.

در نقشه‌برداری گرفت ثانویه، سمت روز سیاره فراخورشیدی مشخص می‌شود. همانطور که سیاره از دید ما از پشت ستاره خود به داخل و خارج می‌شود، بخش‌هایی از آن پنهان می‌شوند و به ما اجازه می‌دهند نور ساطع شده از یک بخش معین از جو آن را جدا کنیم. با اندازه‌گیری مقدار نور ساطع شده توسط هر بخش، می‌توان سمت روز جو را بر اساس طول و عرض جغرافیایی ترسیم کرد.

ورود تلسکوپ فضایی جیمز وب

تا به امروز، تجزیه و تحلیل منحنی فاز برای چندین سیاره با استفاده از تلسکوپ‌های فضایی، از جمله تلسکوپهای فضایی هابل، کپلر و تس استفاده شده است. نقشه‌برداری گرفت ثانویه تنها بر روی یک سیاره فراخورشیدی، مشتری داغ HD189733 b، از رصد با تلسکوپ فضایی اسپیتزر اعمال شده است. با این حال، این مشاهدات معمولاً در یک طول موج انجام می‌شوند و تصویر کاملی از فرآیندهای جوی در این سیارات فراخورشیدی ارائه نمی‌دهند.

با یک آینه 6.5 متری، در مقایسه با آینه 2.4 متری هابل، تلسکوپ وب مشاهدات دقیق بی‌سابقه‌ای را در طیف وسیعی از طول موج‌ها ارائه می‌دهد. چهار ابزار، از جمله NIRISS کانادا (تصویرگر مادون قرمز نزدیک و طیف‌نگار بدون شکاف)، در محدوده مادون قرمز رصد خواهند کرد و جو بسیاری از سیارات فراخورشیدی را مشخص می‌کنند.

با تلسکوپ وب، می‌توان از روش‌های نقشه‌برداری موجود برای اندازه‌گیری تغییرات سه‌بعدی جو سیارات فراخورشیدی استفاده کرد. این اندازه‌گیری‌ها به ما این امکان را می‌دهد که دانش خود را در مورد فرآیندهای جوی بیشتر کنیم.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

The James Webb Space Telescope will map the atmosphere of exoplanets

by Louis-Philippe Coulombe, The Conversation JANUARY 7, 2022

https://phys.org/news/2022-01-james-webb-space-telescope-atmosphere.html