کشف قمر خارجی به اندازه‌ی نپتون که به دور سیاره‌ای به اندازه‌ی مشتری می‌چرخد

یافتن سیاره‌های خارج از منظومه‌ی شمسی کار دشوار و طاقت‌فرسایی است. اما وقتی بحث سیاره‌های فراخورشیدی(خارج از منظومه‌ی شمسی) مطرح می‌شود، یکی از چالش‌های پیش‌ رو، تشخیص قمر خارجی (خارج از منظومه‌ی شمسی) این سیارات است. با این حال، مطالعه‌ی قمرهای خارجی هم درست مثل مطالعه‌ی سیاره‌های خارجی، فرصت‌های بسیار خوبی برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد کیهان فراهم می‌کند.

از میان تمام کاندید‌اهای احتمالی، جدیدترین (و قابل بحث‌ترین) کشف در جولای ۲۰۱۷ اعلام شد. این قمر موسوم به Kepler-1625 b-i، حول محور یک غول گازی می‌چرخد که در فاصله‌ی ۴۰۰۰ سال نوری از زمین قرار گرفته است. اما بر اساس یک بررسی جدید، اندازه‌ی تقریبی این قمر خارجی تقریبا با سیاره‌ی نپتون برابر است. در این صورت این بررسی، اولین  نمونه‌ای است که در آن یک غول گازی به دور یک غول گازی دیگر می‌چرخد!

این بررسی با عنوان «ماهیت قمر خارجی غول‌آسا، Kepler-1625 b-i»، اخیرا در مجله‌ی علمی ستاره‌شناسی و اخترفیزیک (Astronomy and Astrophysics) منتشر شده است. این مطالعه توسط رنه هلر، اخترفیزیک‌دان مؤسسه‌ی پژوهش‌های منظومه‌ی شمسی مکس پلنک انجام شد. او با استفاده از منحنی‌های نوری به‌دست‌آمده از مأموریت کپلر، به بررسی جرم قمر خارجی و ماهیت واقعی آن پرداخته است.

تصور هنرمند از قمر خارجی قابل سکونت که به دور یک غول گازی می‌چرخد.

قمرهای موجود در منظومه‌ی شمسی اطلاعاتی درباره‌ی نحوه‌ی شکل‌گیری و تکامل سیاره‌ی میزبان خود می‌دهند. به همین طریق، مطالعه‌ی قمرهای خارجی دیدگاه‌هایی درباره‌ی سیستم‌های سیاره‌ای خارج از منظومه‌ی شمسی ارائه می‌کند. به گفته‌ی دکتر هلر، این مطالعه‌ها می‌توانند تأیید یا ردی بر سیاره‌های قابل سکونت در منظومه‌های دیگر باشند:

بررسی قمرها برای مطالعه‌ی شکل‌گیری و تکامل سیاره‌های منظومه‌ی شمسی بسیار سودمند بوده است. برای مثال ماه، کلیدی برای تعیین شرایط اولیه‌ی اخترفیزیکی مثل جرم کلی و وضعیت چرخش اصلی زمین به شمار می‌رود و دلیلی برای قابل سکونت بودن زمین ارائه می‌دهد. به‌عنوان یک مثال دیگر، قمرهای گالیله‌ای مشتری برای بررسی شرایط قرص برافزایشی حول مشتری مورد مطالعه قرار گرفتند، قرصبرافزایشی یک ساختار دیسک مانند از ماده است که به شکل حلقوی به دور یک جسم خاص می‌چرخد. جرم این سیاره در ۴.۵ میلیارد سال پیش، از این قرص به‌ دست آمده است. این قرص مدت زیادی است از بین رفته؛ اما قمرهایی که در آن شکل گرفته‌اند باقی مانده‌اند. و  در نتیجه با استفاده از این قمرها به‌ویژه محتوای آب و ترکیب آن‌ها، می‌توان به مطالعه‌ی شکل‌گیری سیاره‌ی مشتری در گذشته‌ی دور پرداخت.

وقتی بحث سیستم ستاره‌ای Kepler 1625 مطرح می‌شود، مطالعات قبلی بر اساس سه گذار مشاهده‌شده در مقابل ستاره‌ی این منظومه، تخمین‌هایی در مورد Kepler 1625 b و قمر احتمالی آن ارائه دادند. منحنی‌های نوری که توسط این گذارها تولید شده‌ بودند یکی از شواهد وجود قمر خارجی Kepler 1625 بودند که در فاصله‌‌ی ۲۰ برابر شعاع این سیاره به دور آن در گردش است.

اما دکتر هلر در مطالعه‌ی خود نشان داد در اندازه‌گیری‌ها، سرعت اولیه‌ی شعاعی ستاره‌ی میزبان (Kepler 1625) درنظر گرفته نشده‌ است، و همین مسئله تخمین‌های جرمی را برای هر دو بدنه به دنبال داشت. هلر برای توجیه این مسئله، نظام‌های جرمی مختلف و اندازه‌ی قمر و سیاره را بر اساس مشاهدات در نظر گرفت. فراتر از این، او تلاش کرد این سیاره و قمر را در دسته‌ی شکل‌گیری قمرهای منظومه‌ی شمسی طبقه‌بندی کند.

تصور هنرمند از قمر خارجی که به دور یک غول گازی در گردش است (چپ) و یک سیاره‌ی خارجی به اندازه‌ی نپتون (راست).

اولین مرحله به‌گفته‌ی هلر، تخمین جرم احتمالی قمر خارجی و سیاره‌ی میزبان آن بر اساس ویژگی‌ منحنی‌های نوری به‌دست‌آمده از کپلر بود. وی اشاره می‌کند:

یک تفسیر دینامیک از داده‌ها نشان می‌دهد سیاره‌ی میزبان دقیقا  یک کوتوله‌ی قهوه‌ای هم اندازه‌ی مشتری (منظور از اندازه، قطر است) و جرم آن ۱۸ برابر مشتری است. با این حال به‌دلیل اختلال‌هایی در داده‌های کپلر و تعداد اندک گذارها (سه عدد)، ابهام در نتایج بالا است. در واقع سیاره‌ی  میزبان می‌تواند یک سیاره‌ی مشتری‌مانند یا حتی یک کوتوله‌ی قهوه‌ای با اندازه‌ی متوسط و جرمی ۳۷ برابر مشتری باشد. جرم قمر این سیاره هم هم بین چند برابر جرم زمین و جرم نپتون متغیر است.

هلر در ادامه به مقایسه‌ی جرم نسبی ماه خارجی و Kepler 1625 b و مقایسه‌ی آن با سیاره‌ها و قمرهای مختلف منظومه‌ی شمسی پرداخت. اهمیت این مرحله در این بود که قمرهای منظومه‌ی شمسی بر اساس جرم سیاره‌ها و در مقایسه با نسبت‌های جرمی قمر به سیاره در دو گروه مجزا قرار می‌گیرند. این مقایسه‌ها نشان می‌دهند که جرم یک قمر رابطه‌ی نزدیکی با نحوه‌ی شکل‌گیری آن دارد.

برای مثال، قمر‌هایی که بر اثر برخورد شکل می‌گیرند، نسبتا سنگین هستند، از این دسته می‌توان به ماه یا شارون، قمر پلوتون اشاره کرد، ولی قمرهایی که از قرص برافزایشی یک سیاره شکل می‌گیرند، نسبتا سبک هستند. با این که گانیمه (قمر مشتری) بزرگ‌ترین قمر در منظومه‌ی شمسی است اما نسبت به خود مشتری که بزرگ‌ترین بدنه‌ی منظومه‌ی شمسی به شمار می‌رود، بسیار کوچک است.

تصور هنرمند از نمای یک قمر فرضی، حو یک سیاره‌ی خارجی که به دور یک منظومه‌ی ستاره‌ای سه‌تایی در حال چرخش است.

در نهایت، دکتر هلر نتایج جذابی را اثبات می‌کند. این نتایج نشان می‌دهند قمر Kepler 1625 b-i در این گروه‌های قمری قرار نمی‌گیرد (قمرهای برخوردی سنگین، قمرهای برافزایشی سبک‌تر). به گفته‌ی هلر:

منطقی‌ترین سناریوها نشان می‌دهند قمر مورد بررسی، یک قمر سنگین است که بر اثر برخورد شکل گرفته؛ ولی در صورت وجود، یک قمر گازی است. قمرهای منظومه‌ی شمسی معمولا سنگی یا یخی هستند و پوشش گازی قابل توجهی ندارند (تیتان یک اتمسفر ضخیم دارند اما جرم آن قابل اغماض است). پس چگونه ممکن است یک قمر گازی بر اثر برخورد شکل گرفته باشد؟ مشخص نیست.

از زاویه‌ای دیگر، درسناریو سوم، قمر Kepler 1625 b-i ممکن است از طریق جذب شکل گرفته باشد؛ ولی این فرضیه هم نشان‌دهنده‌ی یک سیستم سیاره‌ای دوتایی بزرگ است و این قمر از این سیستم وارد مدار دور سیاره‌ی Kepler 1625 b و همتای سیاره‌ای آن از سیستم خارج شده است.

نکته‌ی جذاب در این مورد، تخمین‌های جرمی Kepler 1625 b است که هلر آن را ۱۹ برابر جرم مشتری تخمین می‌زند؛ اما جرم آن می‌تواند حتی به اندازه ی ۱۱۲ برابر مشتری هم باشد؛ یعنی اینکه سیاره‌ی میزبان یک غول گازی و اندکی بزرگ‌تر از زحل یا یک کوتوله‌ی قهوه‌ای یا حتی یک سیاره‌ی کم جرم است (VLMS). پس به‌جای اینکه بگوییم یک غول گازی حول یک غول گازی دیگر می‌چرخد، می‌توانیم بگوییم یک غول گازی به دور یک ستاره‌ی کوچک می‌چرخد و این دو جرم هر دو حول یک ستاره‌ی بزرگ‌تر می‌چرخند!

تصور هنرمند از یک کوتوله‌ی قهوه‌ای نوع T

از این قضیه می‌توان برای یک داستان تخیلی الهام گرفت! با اینکه بررسی نمی‌تواند محدودیت‌های جرمی دقیقی در رابطه با Kepler 1625 b و قمر احتمالی آن ارائه کند، اما اهمیت آن غی رقابل انکار است. این مطالعه فراتر از ارائه‌ی یک نمونه‌ی احتمالی خوب از یک قمر گازی غول‌آسا به اخترفیزیک‌دان‌ها تا زمانی که مطالعه‌ی سیستم‌های سیاره‌ای خارجی مطرح باشد، بسیار حائز اهمیت است. اگر وجود Kepler 1625 b I  ثابت شود، اطلاعات زیادی درباره‌ی شکل‌گیری میزبان خود ارائه می‌دهد.

در حال حاضر، مشاهدات بیشتری برای اثبات یا رد وجود این قمر لازم است. مشاهده‌ی اخیر در آخرین گذار Kepler 1625 b در تاریخ ۲۹ اکتبر ۲۰۱۷ توسط تلسکوپ هابل اجرا شد! بر اساس منحنی‌های خروجی از ستاره، دانشمند ایده‌ی بهتری از واقعی بودن و شکل اصلی این قمر به دست خواهد آورد. به گفته‌ی هلر:

اگر این قمر به شکل شبح وار در داده‌ها ظاهر شود، بسیاری از این مطالعات بر سیستم Kepler 1625 قابل پیاده‌سازی نخواهند بود. با این حال این مقاله یک مطالعه‌ی نمونه از نحوه‌ی طبقه‌بندی قمرهای خارجی آینده و قرار دادن آن‌ها در دسته‌ی منظومه‌ی شمسی ارائه خواهد داد. اگر Kepler 1625 b I  یک قمر خارجی واقعی باشد، مطالعه‌ی من نشان می‌دهد که یک نوع قمر جدید را کشف کردیم که تاریخچه‌ی شکل‌گیری آن بسیار متفاوت از قمرهایی است که تاکنون می‌شناختیم. این قطعا یک معمای بدیع برای اخترفیزیک‌دان‌ها خواهد بود.

مطالعه‌ی سیستم‌های سیاره‌ای خارجی مثل کندن پوست یک پیاز در  اتاق تاریکی با چراغ‌های خاموش است. با افشای هر لایه توسط دانشمندان، رازهای بیشتری سر بر می‌آورند و با توسعه‌ی تلسکوپ‌های نسل بعدی در آینده‌ای نزدیک، رازهای بیشتری کشف خواهند شد!