کشف سیاره‌ای داغ با جوی از اکسید تیتانیوم

جستجوی ما برای کشف سیارات خارج از منظومه شمسی به سطح کاملا تازه‌ای رسیده است. ما تا به حال موفق به انجام کشفیاتی قابل‌توجه شده است. از کشف سیاراتی شبیه زمین که تنها در فاصله چهار سال نوری با ما فاصله دارند، همچون پروکسیما بی (نزدیک‌ترین سیاره خارج از منظومه شمسی شبیه زمین) تا هفت سیاره سنگی معروف منظومه تراپیست-۱.

در تحقیقات اخیر اخترشناسان موفق به کشف موارد بسیاری از سیاراتی موسوم به مشتری‌های داغ شده‌اند. مشتری‌های داغ، غول‌های گازی هستند که در مداری تنگ به دور ستاره میزبان خود می‌چرخند، به این دلیل دارای دمای سطحی بالایی هستند. این نوع خاص از سیارات فراخورشیدی از مورد علاقه‌ترین سیارات مورد مطالعه دانشمندان‌اند. چرا که فرضیه‌های کنونی در مورد غول‌های گازی را به چالش می‌گیرند.

محققان یک تیم بین‌المللی از رصدخانه جنوب اروپا با استفاده از تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) رصدخانه پارانال در شیلی، موفق شده‌اند که نگاهی دقیق به سیاره‌ای به نام WASP-19b بیندازند، این مشتری داغ، ۸۱۵ سال نوری با ما فاصله دارد. محققان در طول این مشاهدات دریافتند که جو این سیاره حاوی ذراتی از عنصر اکسید تیتانیوم است و این اولین بار است که این ترکیب در جو یک غول گازی مشاهده می‌شود.

محققان به تازگی نتایج یافته‌های خود را با عنوان «شناسایی اکسید تیتانیوم در جو یک مشتری داغ» در نشریه نیچر منتشر کرده‌اند. این محققان با استفاده از اطلاعات تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) که در خلال یک سال اخیر جمع‌آوری شده بود، غول گازی WASP-19b را بررسی کرده‌اند. این مطالعه به رهبری الیار صداقتی، محقق ایرانی ‌الاصل دانشگاه فنی برلین و یکی از همکارانش در رصدخانه جنوب اروپا انجام گرفته است.

WASP-19b همانند همه مشتری‌های داغ، دارای جرمی به اندازه مشتری است و در مداری نزدیک به ستاره مادر خود می‌چرخد. دوره مداری این سیاره فراخورشیدی، بسیار کوتاه است، این سیاره تنها طی ۱۹ روز به دور ستاره میزبان خود می‌چرخد. دمای سطحی این سیاره حدود ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد تخمین زده می‌شود. این دما در واقع چهار برابر دمای سطحی سیاره زهره است که دومین سیاره منظومه شمسی محسوب می‌شود و به قدری گرم است که می‌تواند فلزات را به حالت مذاب دربیاورد. به همین ترتیب، دمای WASP-19b به‌اندازه‌ای داغ است که ذرات سیلیکات و پلاتین را از بین ببرد.

تصویری هنری از سیاره‌ی دوردست WASP-19، این کشف با استفاده از ابزارهای پیشرفته رصدخانه جنوب اروپا امکان‌پذیر شد

محققان در این مطالعه از وجود ابزار بسیار پیشرفته کاهنده فاصله کانونی و طیف نگار پراکندگی کم (FORS2) بهره بردند. این ابزار بسیار قوی که در تلسکوپ بسیار بزرگ نصب شده است، دستگاه نوری چندحالته‌ای است که قادر به تصویربرداری، طیف‌سنجی و مطالعه نور پولاریزه است. اکنون اخترشناسان با استفاده از این ابزار و مشاهده این سیاره در هنگام عبور از مقابل ستاره میزبانش (همان روش ترانزیتی) اطلاعات مهمی از جو این سیاره خارج از منظومه شمسی به دست آورده‌اند. آن‌ها پس از آنالیزهای نوری دقیق ابرهای بخارآلود این سیاره، موفق به یافتن مقدار کمی اکسید تیتانیوم (و همچنین سدیم و آب) شدند که در نوع خود کشفی غیرمنتظره محسوب می‌شود.

الیار صداقتی که خود دو سال اخیر را در رصدخانه جنوب اروپا صرف مطالعه کرده، در مورد این مطالعه در کنفرانسی خبری گفت:

شناسایی چنین مولکول‌هایی کشفی ساده نیست، نه‌تنها چنین کشفی نیاز به اطلاعاتی باکیفیتی بی‌نظیر دارد، بلکه در این مورد آنالیزهای پیچیده ضروری است. ما از الگوریتمی بهره بردیم که میلیون‌ها ترکیب شیمیایی و طیف وسیعی از عوامل مختلف از جمله دما، ویژگی‌های ابرها و بخار را در برمی‌گرفت تا به این نتیجه‌گیری برسیم.

اکسید تیتانیوم ترکیب بسیار نادری است که در جو ستاره‌های سرد وجود دارد. در مقادیر کم، این ترکیب قادر به جذب گرما است و احتمالا به همین دلیل موجب افزایش دمای سیاره‌ی WASP-19b شده است که دارای چنین درجه حرارت بالایی است. در مقادیر بالا هم، می‌تواند از خروج و ورود گرما به جو جلوگیری کند، به همین دلیل، این ترکیب موجب پدیده «وارونگی دما» می‌شود. در این پدیده، دمای هوا در لایه‌های فوقانی جو بالاتر است و در لایه‌های پایین، کم‌تر است. در زمین، لایه‌ی ازون، نقش اساسی در تغییر دما در لایه استراتوسفر جو ایفا می‌کند.

جو زمین دارای دو بخش است که تروپوسفر و استراتوسفر نام دارند. این لایه‌ها به ترتیب، لایه‌های نزدیک به سطح و فوقانی جو زمین هستند. استراتوسفر حاوی ازون است که پرتوهای مضر خورشید را جذب می‌کند و استراتوسفر را گرم می‌کند. این لایه با جذب بین ۹۹.۹ تا ۹۵ درصد پرتوهای فرابنفش موجب ادامه یافتن روند حیات در سیاره‌ی ما می‌شود. با پایین آمدن از لایه‌های جو، در تروپوسفر درجه حرارت کاهش می‌یابد و در استراتوسفر دما بالا می‌رود. اکثر دیگر سیارات منظومه شمسی ما، همچون مریخ، مشتری، زحل و حتی قمرهایی مانند تیتان سیاره زحل، دارای استراتوسفر هستند. اما در غول‌های گازی، چیزی خلاف این مورد رخ می‌دهد. در حالی که مشتری، زحل، اورانوس و نپتون دمای هوای بالایی را دارند، دمای هوا در نزدیکی هسته‌های این سیارات بسیار بالاتر است.

محققان این مطالعه بر این باورند که حضور این ترکیب می‌تواند تاثیر چشم‌گیری روی دما، ساختار و چرخه دمایی این سیاره داشته باشد. علاوه بر این، این واقعیت که محققان قادر به شناسایی این ترکیب در سیاره‌ای خارج از منظومه شمسی شده‌اند، نشان می‌دهد که جستجوی ما برای کشف سیارات فراخورشیدی به سطح جدیدی از جزئیات دست پیدا کرده است. همه این تحقیقات قطعا می‌تواند، تاثیر عمده‌ای روی تحقیقات آینده روی جو سیارات فراخورشیدی داشته باشد.این مطالعه همچنین بدون ابزار FORS2 که در سال‌های اخیر به آرایه تلسکوپ بسیار بزرگ افزوده شده است، ممکن نبود.

هنری بوفین، دانشمند علوم مهندسی که وظیفه رهبری تیم سخت‌افزاری پروژه را بر عهده داشت، گفت:

این کشف مهم نتیجه بازسازی ابزار FORS2 است که دقیقا برای این منظور انجام گرفته است. از آن زمان، FORS2 بهترین ابزار برای انجام این نوع مطالعات بوده است.

به این ترتیب، شناسایی اکسیدهای فلزی و سایر موارد مشابه در جو سیارات خارج از منظومه شمسی، به اخترشناسان امکان مدل‌سازی‌های جوی بسیار بهتری را خواهد داد. با بهره بردن از این ابزار، اخترشناسان قادر به انجام بررسی‌هایی دقیق‌تر و کامل‌تر در مورد جو این سیارات خواهند شد که می‌تواند بررسی سکونت پذیری و حتی وجود حیات در این سیارات دوردست را ساده‌تر کند.

بنابراین در حالی که این سیاره هیچ شانسی برای سکونت پذیری و پشتیبانی از حیات ندارد، اما دانشمندان با این مطالعه یک‌قدم مهم برای یافتن دنیایی جدید که قادر به پشتیبانی از حیات یا به تعبیری تبدیل به زمین-۲ شود، خواهند داشت.