على بعد 200 سنة ضوئية من الأرض ، يوجد نجم تسلسل رئيسي من النوع K اسمه TOI (كائن TESS مثير للاهتمام) 178. عندما لاحظه Adrian Leleu ، عالم الفيزياء الفلكية في مركز الفضاء والسكن في جامعة برن ، يبدو أن لهما كوكبان يدوران حوله على نفس المسافة تقريبًا. لكن تبين أن هذا غير صحيح. في الواقع ، ستة كواكب خارجية تدور حول النجم الصغير.
وخمسة من هؤلاء الستة محبوسون في تكوين مداري غير متوقع.
تشارك خمسة من الكواكب في رقصة إيقاعية نادرة حول النجم. من الناحية الفلكية ، هم في حالة غير عادية الرنين المداري، مما يعني أن مداراتهم حول نجمهم تعرض أنماطًا متكررة. هذه الخاصية تجعلها موضوعًا مثيرًا للدراسة ويمكن أن تخبرنا كثيرًا عن كيفية تشكل الكواكب وتطورها.
“من خلال المزيد من الملاحظات ، أدركنا أنه لم يكن هناك كوكبان يدوران حول النجم على نفس المسافة تقريبًا منه ، ولكن هناك كواكب متعددة في تكوين خاص للغاية.”
Adrian Leleu ، مركز الفضاء والسكن ، جامعة برن.
يقود Adrian Leleu فريقًا من الباحثين الذين درسوا هذه الظاهرة غير العادية. قدموا النتائج التي توصلوا إليها في ورقة بعنوان “ستة كواكب عابرة وسلسلة من صدى لابلاس في TOI-178. ” تم نشر الورقة في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية.
في الملاحظات الأولية للفريق ، ظهر أنه لم يكن هناك سوى كوكبين ، حيث يتحرك خمسة منهم بطريقة تخدع العين. لكن المزيد من الملاحظات أظهرت أن شيئًا آخر كان يحدث في النظام. قال المؤلف الرئيسي Leleu: “من خلال المزيد من الملاحظات ، أدركنا أنه لم يكن هناك كوكبان يدوران حول النجم على نفس المسافة تقريبًا منه ، ولكن هناك كواكب متعددة في تكوين خاص جدًا”
يشبه الرنين المداري لـ TOI-178 رنينًا مداريًا مألوفًا آخر هنا في نظامنا الشمسي. يشمل ذلك أقمار المشتري أيو ويوروبا وجانيميد.
الرنين المداري المشترك بين Ganymede و Europa و Io بسيط إلى حد ما. يصنع آيو أربعة مدارات كاملة لكل مدار واحد من جانيميد ومدارين كاملين لمدار أوروبا الكامل. لكن علاقة الكواكب حول TOI-178 أكثر تعقيدًا.
الكواكب الخارجية الخمسة لـ TOI-178 موجودة في سلسلة صدى 18: 9: 6: 4: 3. الأول في السلسلة والثاني من النجم يكمل 18 دورة ، والثاني في السلسلة والثالث من النجم يكمل 9 مدارات ، ويستمر من هناك. أقرب كوكب للنجم ليس جزءًا من السلسلة.
لكي يدور نظام حول نجمه بطريقة منظمة ويمكن التنبؤ بها ، يجب أن تكون الظروف هادئة نسبيًا في هذا النظام. الآثار العملاقة أو هجرات الكواكب كانت ستؤدي إلى تعطيله. أوضح المؤلف المشارك يان أليبرت من جامعة برن أن “المدارات في هذا النظام منظمة بشكل جيد للغاية ، مما يخبرنا أن هذا النظام قد تطور بلطف شديد منذ ولادته”.
لكن هناك المزيد.
في نظامنا الشمسي ، الكواكب الداخلية صخرية ، والكواكب خارج حزام الكويكبات ليست كذلك ؛ إنها غازية. هذه واحدة من تلك الحالات التي قد نميل فيها إلى الاعتقاد بأن نظامنا الشمسي يمثل نوعًا من القاعدة. لكن نظام TOI-178 مختلف كثيرًا. لم يتم تحديد الكواكب الغازية والصخرية كما هو الحال في نظامنا.
“يبدو أن هناك كوكبًا كثيفًا مثل الأرض بجوار كوكب رقيق جدًا بنصف كثافة نبتون ، يليه كوكب بكثافة نبتون. قال ناثان هارا من جامعة جنيف بسويسرا ، وهو أحد الباحثين المشاركين في الدراسة ، “هذا ليس ما اعتدنا عليه”.
“هذا التناقض بين التناغم الإيقاعي للحركة المدارية والكثافات غير المنتظمة يتحدى بالتأكيد فهمنا لتشكيل وتطور أنظمة الكواكب ،” يقول Leleu.
استخدم الفريق بعضًا من أكثر أدوات المرصد الأوروبي تقدمًا ورائدة في هذا العمل. ال إسبرسو أداة على VLT و NGTS و سبيكولوس الأدوات في مرصد بارانال ESO. كما استخدموا وكالة الفضاء الأوروبية رقائق ساتل خارج المجموعة الشمسية. تتخصص جميع هذه الأدوات بطريقة أو بأخرى في دراسة الكواكب الخارجية ، والتي يكاد يكون من المستحيل اكتشافها باستخدام تلسكوب “منتظم”.
الكواكب الخارجية بعيدة جدًا عن الأرض ، والضوء الغامر الصادر عن نجومها يجعلها غير مرئية تقريبًا في التلسكوب البصري العادي.
تكتشف الأدوات المستخدمة في هذه الدراسة الكواكب الخارجية وتميزها بطريقتين مختلفتين. لكن الأمر كله يتعلق باكتشاف الضوء. طريقة العبور المستخدمة من قبل NGTS (مسح العبور من الجيل التالي) ، CHEOPS (توصيف القمر الصناعي للكواكب الخارجية) ، و SPECULOOS (البحث عن الكواكب الصالحة للسكن التي تخرج من نجوم ULtra-cOOl) تكتشف الانحدار في ضوء النجوم عندما يمر كوكب خارج المجموعة الشمسية أمام نجمه. تكتشف طريقة السرعة الشعاعية التي يستخدمها ESPRESSO التحولات في الطيف الطبيعي لضوء النجم عندما يجر كوكب خارج المجموعة الشمسية النجم ويغير موقعه بشكل طفيف للغاية.
باستخدام أدوات متعددة بطرق وإمكانيات مختلفة ، تمكن الفريق من وصف النظام بالتفصيل. الكوكب الأعمق في النظام ، والذي لا يتوافق مع الكواكب الأخرى ، يتحرك بشكل أسرع. يكمل مداره في يومين فقط من الأرض. أبطأ كوكب يتحرك أبطأ بعشر مرات من ذلك. تتراوح أحجام الكواكب من واحد إلى ثلاثة أحجام للأرض ، وتتراوح كتلتها من 1.5 إلى ثلاثين ضعف كتلة الأرض.
الرنين المداري للكواكب في توازن رائع. يكتب المؤلفون أن “التكوين المداري لـ TOI-178 هش للغاية بحيث لا يمكنه تحمل الصدمات العملاقة ، أو حتى المواجهات القريبة المهمة … يمكن أن يؤدي التغيير المفاجئ في فترة أحد الكواكب التي يقل عدد الكواكب فيها عن 0.01 د إلى الفوضى. ” يكتبون أيضًا أن بياناتهم “… توضح أن تعديل محور فترة واحد يمكن أن يكسر البنية الرنانة للسلسلة بأكملها.”
هذا الاكتشاف يعني المزيد من العمل لعلماء الفلك. يعني الرنين المداري غير المعتاد ومواقع الكواكب أنها بحاجة إلى إعادة التفكير في بعض نظرياتنا حول تكوين وتطور الكواكب والأنظمة الشمسية.
كبلر 80 وكبلر 223 تقل كثافة الكواكب
عندما تنخفض درجة حرارة التوازن. على عكس أنظمة كبلر الثلاثة ، في نظام TOI-178 ، فإن كثافة الكواكب لا تتزايد
وظيفة درجة حرارة التوازن. يقول الفريق الذي يقف وراء هذه الدراسة أنه إذا تمكنوا من فهم سبب اختلاف نظام TOI-178 ، فقد يصبح نوعًا من حجر رشيد لفك رموز النظام الشمسي وتطور الكواكب. حقوق الصورة: Leleu et al ، 2021.
كما كتب المؤلفون في ورقتهم: “إن تحديد بنية الأنظمة متعددة الكواكب هو أحد الركائز الأساسية لفهم تشكل وتطور الكواكب. تعتبر أنظمة الرنين مهمة بشكل خاص لأن هشاشة تكوينها المداري تضمن عدم حدوث تشتت أو حدث تصادم كبير منذ مرحلة التكوين الأولى عندما كان القرص الكوكبي الأصلي لا يزال موجودًا.
الفرضية السدمية ، وتسمى أيضًا نموذج القرص السديم الشمسي (SNDM) ، هي نظرية العمل لتشكيل نظامنا الشمسي وغيره. وفقًا للنموذج ، تتعرض سحابة جزيئية عملاقة لانهيار جاذبي ، وعندما يتجمع ما يكفي من الغاز معًا ، تبدأ في النهاية بالاندماج ، وتبدأ حياة النجم. سوف يلتقط النجم معظم المواد الموجودة في السحابة ، وفي نظامنا الشمسي ، تمتلك الشمس نصيب الأسد: حوالي 99.86٪.
تشكل المواد المتبقية قرص كوكبي أولي، والتي تدور حول النجم في شكل فطيرة بالارض. عندما تتجمع المواد معًا في قرص كوكبي أولي دوار ، فإنها تشكل كواكب في النهاية. هناك بعض المشاكل في فرضية السديم ، وقد حاولت نظريات أخرى تفسيرها.
لكن هذا النظام يتحدى تلك النظرية. يقترح SNDM أن الكواكب الأرضية الصخرية تتشكل بالقرب من النجم. يبدأون كأجنة كوكبية ومن خلال عمليات الاندماج العنيفة تخلق كواكب مثل الزهرة وعطارد والمريخ والأرض. عمالقة الغاز ، وفقًا لـ SNDM ، تتشكل خارج خط الصقيع في النظام الشمسي ، حيث تتكون أجنة الكوكب من المواد المتطايرة المجمدة.
لكن نظام TOI-178 يتحدى هذا الفهم. إذا اتبعت الكواكب في هذا النظام نظام SNDM ، فستكون الكواكب الغازية بعيدة عن النجم ، وستكون الكواكب الصخرية أقرب. نظرًا لأنهم ليسوا كذلك ، فلا بد أن شيئًا ما قد عطلهم. ولكن إذا عطلهم شيء ما ، فلن يتم تصميم مداراتهم بمثل هذا الإيقاع الرائع. إنه لغز.
وكتبوا: “إن فهم الاضطراب الظاهر في إطار واحد من حيث كثافة الكواكب من جانب والمستوى العالي من النظام الذي شوهد في العمارة المدارية على الجانب الآخر سيكون تحديًا لنماذج تشكيل النظام الكوكبي”.
يصعب فهم أنظمة مثل هذه ، لكنها في النهاية تدفع الباحثين إلى التفكير بجدية أكبر والمراقبة الكاملة.
كما كتب فريق العلماء في استنتاجهم: “يحتوي نظام TOI-178 ، كما كشفت عنه الملاحظات الأخيرة الموضحة في هذه الورقة ، على عدد من الميزات المهمة جدًا: صدى لابلاس، والتباين في الكثافة من كوكب إلى كوكب ، والسطوع النجمي الذي يسمح بعدد من ملاحظات المتابعة (قياس الضوء ، الغلاف الجوي ، والتحليل الطيفي). لذلك من المحتمل أن تصبح واحدة من أحجار رشيد لفهم تكوين الكوكب وتطوره ، وحتى إذا تم اكتشاف كواكب إضافية مستمرة في سلسلة صدى لابلاس وهي تدور داخل المنطقة الصالحة للسكن “.
أكثر:
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”
