استفاده از طیف‌نگارهای بسیار دقیق تلسکوپ جیمز وب برای بررسی دو سیاره فراخورشیدی جذاب

تصویری از سیاره فراخورشیدی 55 Cancri e، سیاره‌ای سنگی با قطر تقریباً دو برابر زمین که فقط 0.015 واحد نجومی از ستاره خورشید مانند خود می‌چرخد. این سیاره به دلیل مدار تنگش، بسیار گرم است و دمای آن در روز به 4400 درجه فارنهایت (حدود 2400 درجه سانتیگراد) می‌رسد. اعتبار: NASA، ESA، CSA، Dani Player (STScI)

تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا تنها چند هفته تا عملیات کامل فاصله دارد، با بخش‌های آینه‌ای که به زیبایی در یک راستا قرار گرفته‌اند و ابزارهای علمی‌اش در حال بررسی هستند. به زودی پس از آشکار شدن اولین مشاهدات در تابستان امسال، مشاهدات علمی وب آغاز خواهد شد.

در میان تحقیقات برنامه‌ریزی شده برای سال اول، مطالعات دو سیاره فراخورشیدی داغ است که به دلیل اندازه و ترکیب سنگی آنها به عنوان “ابر زمین” طبقه‌بندی شده‌اند: 55 Cancri e پوشیده از گدازه و LHS 3844 b بدون هوا. محققان طیف‌نگارهای وب با دقت بالا را در این سیارات با هدف درک تنوع زمین‌شناسی سیارات در سراسر کهکشان و تکامل سیارات سنگی مانند زمین آموزش خواهند داد.

ابرزمین فوق داغ 55 Cancri e

55 Cancri e کمتر از 1.5 میلیون مایل از ستاره خورشید مانند خود (یک بیست و پنجم فاصله بین عطارد و خورشید) می‌چرخد ​​و یک مدار را در کمتر از 18 ساعت کامل می‌کند. با دمای سطحی بسیار بالاتر از نقطه ذوب کانی‌های معمولی سنگ‌ساز، تصور می‌شود سمت روز سیاره پوشیده از اقیانوس‌های گدازه است.

سیاراتی که به این فاصله نزدیک به ستاره‌شان می‌چرخند، از نظر جزر و مدی قفل می‌شوند و یک طرف آن همیشه رو به ستاره است. در نتیجه، داغ‌ترین نقطه روی سیاره باید نقطه‌ای باشد که مستقیماً با ستاره روبرو می‌شود و مقدار گرمایی که از سمت روز می‌آید نباید در طول زمان تغییر زیادی کند.

اما به نظر نمی‌رسد که اینطور باشد. مشاهدات 55 Cancri e از تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا نشان می‌دهد که داغ‌ترین منطقه از قسمتی است که مستقیم‌ترین سمت ستاره را دارد، در حالی که مقدار کل گرمای شناسایی‌شده از سمت روز متفاوت است.

تصویر مقایسه سیارات فراخورشیدی سنگی LHS 3844 b و 55 Cancri e با زمین و نپتون. اعتبار: NASA، ESA، CSA، Dani Player (STScI)

آیا 55 Cancri e جو غلیظی دارد؟

یک توضیح برای این مشاهدات این است که این سیاره دارای جوی پویا است که گرما را به اطراف منتقل می‌کند. رنیو هو از آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا در جنوب کالیفرنیا که تیمی را رهبری می‌کند که از دوربین مادون قرمز نزدیک (NIRCam) وب و ابزار فروسرخ میانی (MIRI) استفاده خواهد کرد، توضیح داد: “55 Cancri e می‌تواند دارای یک جو غلیظ باشد که تحت سلطه اکسیژن یا نیتروژن برای گرفتن طیف انتشار حرارتی سمت روز سیاره است“. هو افزود: «اگر اتمسفر داشته باشد، [Webb] دارای حساسیت و دامنه طول موج برای تشخیص آن و تعیین اینکه از چه چیزی ساخته شده است، دارد».

با این حال، یکی دیگر از احتمالات جالب این است که 55 Cancri e به طور جزر و مدی قفل نباشد. در عوض، ممکن است مانند عطارد باشد که به ازای هر دو مدار، سه بار می‌چرخد (که به رزونانس 3:2 معروف است). در نتیجه، سیاره یک چرخه روز و شب خواهد داشت.

الکسیس براندکر، محققی از دانشگاه استکهلم که سرپرستی تیم دیگری را که روی این سیاره مطالعه می‌کنند، توضیح می‌دهد: «این امر می‌تواند توضیح دهد که چرا گرم‌ترین نقطه سیاره جابجا می‌شود. درست مانند روی زمین، گرم شدن سطح به زمان نیاز دارد. گرم ترین زمان روز بعد از ظهر است، نه ظهر.

تیم براندکر قصد دارد این فرضیه را با استفاده از NIRCam برای اندازه‌گیری گرمای ساطع شده از سمت روشن 55 Cancri e در طول چهار مدار مختلف آزمایش کند. اگر سیاره رزونانس 3:2 داشته باشد، آنها هر نیمکره را دو بار مشاهده می‌کنند و باید بتوانند هر گونه تفاوت بین نیمکره‌ها را تشخیص دهند.

در این سناریو، سطح در طول روز گرم می‌شود، ذوب می‌شود و حتی تبخیر می‌شود و جو بسیار نازکی را تشکیل می‌دهد که وب می‌تواند آن را تشخیص دهد. در غروب، بخار سرد و متراکم می‌شود و قطرات گدازه‌ای را تشکیل می‌دهد که دوباره به سطح می‌بارد و با فرا رسیدن شب دوباره جامد می‌شود.

طیف گسیل حرارتی احتمالی سیاره فراخورشیدی داغ LHS 3844 b که توسط ابزار مادون قرمز میانی وب اندازه‌گیری شده است. یک طیف گسیل حرارتی میزان نوری با طول‌موج های مادون قرمز (رنگ) مختلف را نشان می‌دهد که از سیاره ساطع می‌شود. محققان از مدل‌های رایانه‌ای برای پیش‌بینی این امر استفاده می‌کنند که طیف گسیل حرارتی یک سیاره با فرض شرایط خاصی مانند وجود یا نبودن جو و سطح سیاره از چه چیزی تشکیل شده است. اعتبار: NASA، ESA، CSA، Dani Player (STScI)

ابرزمین LHS 3844 b تا حدودی خنکتر است.

در حالی که 55 Cancri e بینشی در مورد زمین‌شناسی عجیب و غریب دنیای پوشیده از گدازه ارائه می‌دهد، LHS 3844 b فرصتی منحصر به فرد برای تجزیه و تحلیل سنگ جامد در سطح سیاره فراخورشیدی فراهم می‌کند.

LHS 3844 b نیز مانند 55 Cancri e، بسیار نزدیک به ستاره خود می‌چرخد ​​و یک چرخش را در 11 ساعت کامل می‌کند. با این حال، از آنجایی که ستاره آن نسبتا کوچک و خنک است، این سیاره آنقدر داغ نیست که سطح آن مذاب شود. علاوه بر این، مشاهدات اسپیتزر نشان می‌دهد که این سیاره بسیار بعید است که جو قابل توجهی داشته باشد.

سطح LHS 3844 b از چه چیزی ساخته شده است؟

در حالی که نمی‌توانیم مستقیماً از سطح LHS 3844 b با Webb تصویربرداری کنیم، فقدان اتمسفر مبهم، مطالعه سطح را با طیف‌سنجی ممکن می‌سازد.

لورا کریدبرگ در موسسه نجوم ماکس پلانک توضیح داد: «به نظر می‌رسد که انواع مختلف سنگ طیفهای متفاوتی دارند. “شما می‌توانید با چشمان خود ببینید که رنگ گرانیت روشنتر از بازالت است. تفاوتهای مشابهی در نور مادون قرمزی وجود دارد که سنگها را از خود ساطع می‌کنند.”

تصویری از سیاره فراخورشیدی LHS 3844 b، یک سیاره سنگی با قطر 1.3 برابر زمین که به دور 0.006 واحد نجومی از ستاره کوتوله قرمز سرد خود می‌چرخد. این سیاره گرم است و دمای هوای آن در روز بیش از 1000 درجه فارنهایت (بیشتر از حدود 525 درجه سانتیگراد) محاسبه شده است. اعتبار: NASA، ESA، CSA، Dani Player (STScI)

تیم کریدبرگ از MIRI برای گرفتن طیف تابش گرمایی سمت روز LHS 3844 b و سپس مقایسه آن با طیف‌سنگ‌های شناخته شده مانند بازالت و گرانیت برای تعیین ترکیب آن استفاده خواهد کرد. اگر سیاره از نظر آتشفشانی فعال باشد، این طیف می‌تواند وجود مقادیر کمی از گازهای آتشفشانی را نیز آشکار کند.

اهمیت این مشاهدات بسیار فراتر از دو سیاره از بیش از 5000 سیاره فراخورشیدی تایید شده در کهکشان است. کریدبرگ می‌گوید: «آنها به طور کلی دیدگاه‌های جدید فوق‌العاده‌ای را در مورد سیارات مشابه زمین به ما می‌دهند و به ما کمک می‌کنند تا یاد بگیریم که زمین اولیه در زمانی که گرم بود مانند این سیارات امروزی چگونه بوده است».

این مشاهدات 55 Cancri e و LHS 3844 b به عنوان بخشی از برنامه مشاهده‌کنندگان عمومی چرخه 1 وب انجام خواهد شد. برنامه‌های General Observers به ​​صورت رقابتی با استفاده از یک سیستم بازبینی دوگانه ناشناس انتخاب شدند، همان سیستمی که برای تخصیص زمان در هابل استفاده می‌شود.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

Astronomers will train James Webb Telescope’s high-precision spectrographs on two intriguing rocky exoplanets

by Space Telescope Science Institute MAY 27, 2022

https://phys.org/news/2022-05-astronomers-james-webb-telescope-high-precision.html