14.4: مقارنة مع أنظمة الكواكب الأخرى
- Page ID
- 197589
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف كيف توفر ملاحظات أقراص الكواكب الأولية دليلاً على وجود أنظمة كوكبية أخرى
- شرح الطريقتين الأساسيتين للكشف عن الكواكب الخارجية
- قارن الخصائص الرئيسية لأنظمة الكواكب الأخرى مع ميزات النظام الشمسي
حتى منتصف التسعينيات، ركزت الدراسة العملية لأصل الكواكب على مثالنا الوحيد المعروف - النظام الشمسي. على الرغم من وجود قدر كبير من التكهنات حول الكواكب التي تدور حول النجوم الأخرى، إلا أنه لم يتم اكتشاف أي منها بالفعل. من الناحية المنطقية، في غياب البيانات، افترض معظم العلماء أن نظامنا الخاص من المحتمل أن يكون نموذجيًا. لقد كانوا في انتظار مفاجأة كبيرة.
اكتشاف أنظمة الكواكب الأخرى
في كتاب «ولادة النجوم واكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية»، نناقش تكوين النجوم والكواكب بشيء من التفصيل. تتشكل النجوم مثل شمسنا عندما تشعر المناطق الكثيفة في السحابة الجزيئية (المصنوعة من الغاز والغبار) بقوة جاذبية إضافية وتبدأ في الانهيار. هذه عملية جامحة: مع انهيار السحابة، تزداد قوة الجاذبية، وتركز المادة على شكل بروتوستار. ما يقرب من نصف الوقت، سوف يتجزء النجم الأولي أو يرتبط بالجاذبية بنجوم أولية أخرى، مكونًا نظامًا ثنائيًا أو متعدد النجوم - نجوم مرتبطة بالجاذبية وتدور حول بعضها البعض. في بقية الوقت، ينهار النجم الأولي في عزلة، كما كان الحال بالنسبة لشمسنا. في جميع الحالات، كما رأينا، يؤدي الحفاظ على الزخم الزاوي إلى دوران النموذج الأولي المنهار، مع تسطيح المواد المحيطة به في قرص. اليوم، يمكن بالفعل ملاحظة هذا النوع من البنية. يمكّن تلسكوب هابل الفضائي، بالإضافة إلى التلسكوبات الأرضية الجديدة القوية، علماء الفلك من دراسة أقرب هذه الأقراص المحيطية النجمية مباشرة في مناطق الفضاء التي تولد فيها النجوم اليوم، مثل سديم أوريون (الشكل\(\PageIndex{1}\)) أو منطقة تكوين نجوم برج الثور.
تُظهر العديد من الأقراص المحيطية التي اكتشفناها بنية داخلية. يبدو أن الأقراص على شكل دونات، مع وجود فجوات قريبة من النجمة. تشير هذه الفجوات إلى أن الغاز والغبار في القرص قد انهارت بالفعل لتشكيل كواكب كبيرة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). الكواكب الأولية المولودة حديثًا صغيرة جدًا وخافتة بحيث لا يمكن رؤيتها مباشرة، لكن نضوب المواد الخام في الفجوات يشير إلى وجود شيء غير مرئي في الجزء الداخلي من القرص المحيط بالنجوم - وأن شيئًا ما هو بالتأكيد كوكب واحد أو أكثر. لطالما دعمت النماذج النظرية لتكوين الكواكب، مثل تلك التي تظهر على اليمين في الشكل\(\PageIndex{2}\)، فكرة أن الكواكب ستزيل الفجوات عند تكوينها في الأقراص.
يُظهر الشكل الخاص بنا HL Tau، نجم «حديث الولادة» يبلغ من العمر مليون عام في منطقة تشكيل النجوم في برج الثور. تم تضمين النجم في غطاء من الغبار والغاز يحجب رؤيتنا للضوء المرئي لقرص محيطي حول النجم. في عام 2014، حصل علماء الفلك على رؤية مثيرة لقرص HL Tau المحيطي باستخدام الموجات المليمترية، التي تخترق شرنقة الغبار حول النجم، وتظهر ممرات الغبار التي تم نحتها بواسطة العديد من الكواكب الأولية المشكلة حديثًا. ومع زيادة كتلة الكواكب الأولية، فإنها تنتقل في مداراتها بسرعات أسرع من الغبار والغاز في القرص المحيط بالنجوم. عندما تحرث الكواكب الأولية عبر القرص، يبدأ مدى جاذبيتها في تجاوز مساحة المقطع العرضي لها، وتصبح فعالة جدًا في مسح المواد والنمو حتى تزيل الفجوة في القرص. \(\PageIndex{2}\)توضح لنا صورة الشكل أن عددًا من الكواكب الأولية تتشكل في القرص وأنها كانت قادرة على التكون بشكل أسرع مما اقترحته أفكارنا السابقة - كل ذلك في المليون سنة الأولى من تكوين النجوم.
للحصول على شرح لملاحظات ALMA الرائدة لـ HL Tau وما تكشفه عن تكوين النبات، شاهد هذا الفيديو من المرصد الجنوبي الأوروبي.
اكتشاف الكواكب الخارجية
قد تعتقد أنه باستخدام التلسكوبات وأجهزة الكشف المتقدمة التي يمتلكها علماء الفلك اليوم، يمكنهم تصوير الكواكب مباشرة حول النجوم القريبة (التي نسميها الكواكب الخارجية). ومع ذلك، فقد ثبت أن هذا الأمر صعب للغاية، ليس فقط بسبب ضعف الكواكب الخارجية، ولكن أيضًا لأنها تضيع عمومًا في الوهج اللامع للنجم الذي تدور حوله. كما نناقش بمزيد من التفصيل في «ولادة النجوم» و «اكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية»، فإن تقنيات الكشف التي تعمل بشكل أفضل هي تقنيات غير مباشرة: فهي تراقب تأثيرات الكوكب على النجم الذي يدور حوله، بدلاً من رؤية الكوكب نفسه.
التقنية الأولى التي أسفرت عن العديد من اكتشافات الكواكب هي التحليل الطيفي النجمي عالي الدقة. يسمح تأثير دوبلر لعلماء الفلك بقياس السرعة الشعاعية للنجم: أي سرعة النجم، نحونا أو بعيدًا عنا، بالنسبة للراصد. إذا كان هناك كوكب ضخم في مدار حول النجم، فإن جاذبية الكوكب تتسبب في اهتزاز النجم، وتغيير سرعته الشعاعية بمقدار صغير ولكن يمكن اكتشافه. لا تهم مسافة النجم، طالما أنها مشرقة بما يكفي لأخذ أطياف عالية الجودة.
يمكن أن تخبرنا قياسات التباين في السرعة الشعاعية للنجم أثناء دوران الكوكب حول النجم عن الكتلة والفترة المدارية للكوكب. في حالة وجود العديد من الكواكب، يمكن فصل آثارها على السرعة الشعاعية، بحيث يمكن فك تشفير النظام الكوكبي بأكمله - طالما أن الكواكب ضخمة بما يكفي لإنتاج تأثير دوبلر قابل للقياس. تعتبر تقنية الكشف هذه أكثر حساسية للكواكب الكبيرة التي تدور بالقرب من النجم، حيث تنتج هذه الكواكب أكبر تذبذب في نجومها. تم استخدامه في التلسكوبات الأرضية الكبيرة لاكتشاف مئات الكواكب، بما في ذلك واحدة حول Proxima Centauri، أقرب نجم إلى الشمس.
تعتمد التقنية الثانية غير المباشرة على التعتيم الطفيف للنجم عندما يمر أحد كواكبه أو يعبر وجه النجم، كما يُرى من الأرض. لا يرى علماء الفلك الكوكب، لكنهم يكتشفون وجوده فقط من خلال القياسات الدقيقة للتغير في سطوع النجم على مدى فترات طويلة من الزمن. إذا تكررت الانخفاضات الطفيفة في السطوع على فترات منتظمة، يمكننا تحديد الفترة المدارية للكوكب. من كمية ضوء النجوم المحجوبة، يمكننا قياس حجم الكوكب.
وفي حين تم قياس بعض عمليات العبور من الأرض، فإن التطبيق الواسع النطاق لتقنية العبور هذه يتطلب وجود مقراب في الفضاء، فوق الغلاف الجوي وتشويهه لصور النجوم. تم تطبيقه بنجاح كبير من مرصد ناسا كيبلر الفضائي، الذي تم بناؤه لغرض وحيد هو «التحديق» لمدة 5 سنوات في جزء واحد من السماء، ومراقبة الضوء باستمرار من أكثر من 150،000 نجم. كان الهدف الأساسي لكبلر هو تحديد وتيرة حدوث الكواكب الخارجية ذات الأحجام المختلفة حول فئات مختلفة من النجوم. مثل تقنية دوبلر، تفضل ملاحظات العبور اكتشاف الكواكب الكبيرة والمدارات قصيرة المدى.
كان الاكتشاف الأخير للكواكب الخارجية باستخدام كل من تقنيات دوبلر والعبور ناجحًا بشكل لا يصدق. في غضون عقدين من الزمن، انتقلنا من عدم معرفة الأنظمة الكوكبية الأخرى إلى كتالوج لآلاف الكواكب الخارجية. معظم الكواكب الخارجية الموجودة حتى الآن أكبر حجمًا من الأرض أو أكبر منها. لا يعني ذلك عدم وجود نظائر الأرض. بدلاً من ذلك، يعد النقص في الكواكب الصخرية الصغيرة تحيزًا للمراقبة: يصعب اكتشاف الكواكب الصغيرة.
تشير تحليلات البيانات لتصحيح مثل هذه التحيزات أو تأثيرات الاختيار إلى أن الكواكب الصغيرة (مثل الكواكب الأرضية في نظامنا) هي في الواقع أكثر شيوعًا من الكواكب العملاقة. ومن الشائع نسبيًا أيضًا «الأرض الفائقة»، وهي كواكب تبلغ كتلتها من ضعفين إلى عشرة أضعاف كتلة كوكبنا (الشكل\(\PageIndex{3}\)). ليس لدينا أي من هذه الأشياء في نظامنا الشمسي، ولكن يبدو أن الطبيعة لا تواجه مشكلة في صنعها في مكان آخر. بشكل عام، تشير بيانات كيبلر إلى أن ما يقرب من ربع النجوم لديها أنظمة الكواكب الخارجية، مما يعني وجود ما لا يقل عن 50 مليار كوكب في مجرتنا وحدها.
تكوينات أنظمة الكواكب الأخرى
دعونا ننظر عن كثب إلى التقدم المحرز في اكتشاف الكواكب الخارجية. \(\PageIndex{4}\)يوضح الشكل الكواكب التي تم اكتشافها كل عام من خلال التقنيتين اللتين ناقشناهما. في السنوات الأولى من اكتشاف الكواكب الخارجية، كانت معظم الكواكب متشابهة في الكتلة مع كوكب المشتري. هذا لأنه، كما ذكرنا أعلاه، كان من الأسهل اكتشاف الكواكب الأكثر ضخامة. في السنوات الأخيرة، تم اكتشاف كواكب أصغر من نبتون وحتى قريبة من حجم الأرض.
نحن نعلم أيضًا أن العديد من الكواكب الخارجية موجودة في أنظمة الكواكب المتعددة. هذه إحدى الخصائص التي يشترك فيها نظامنا الشمسي مع الأنظمة البيئية. بالنظر إلى الشكل\(\PageIndex{2}\) ورؤية كيف يمكن لمثل هذه الأقراص الكبيرة أن تؤدي إلى أكثر من مركز تكثيف واحد، فليس من المستغرب جدًا أن تكون أنظمة الكواكب المتعددة نتيجة نموذجية لتكوين الكواكب. حاول علماء الفلك قياس ما إذا كانت أنظمة الكواكب المتعددة تقع جميعها في نفس المستوى باستخدام القياس الفلكي. يعد هذا قياسًا صعبًا باستخدام التكنولوجيا الحالية، ولكنه مقياس مهم يمكن أن يساعدنا في فهم أصل وتطور أنظمة الكواكب.
مقارنة بين النظرية والبيانات
العديد من أنظمة الكواكب المكتشفة حتى الآن لا تشبه نظامنا الشمسي. وبالتالي، كان علينا إعادة تقييم بعض جوانب «النماذج القياسية» لتشكيل أنظمة الكواكب. يعمل العلم أحيانًا بهذه الطريقة، مع بيانات جديدة تتناقض مع توقعاتنا. غالبًا ما تتحدث الصحافة عن عالم يقوم بتجارب «لتأكيد» النظرية. في الواقع، من المريح أن تدعم البيانات الجديدة فرضية أو نظرية وتزيد من ثقتنا في نتيجة سابقة. لكن اللحظات الأكثر إثارة وإنتاجية في العلوم غالبًا ما تأتي عندما لا تدعم البيانات الجديدة النظريات الحالية، مما يجبر العلماء على إعادة التفكير في موقفهم وتطوير رؤى جديدة وأعمق حول الطريقة التي تعمل بها الطبيعة.
لا شيء في أنظمة الكواكب الجديدة يتناقض مع الفكرة الأساسية المتمثلة في أن الكواكب تتشكل من تجميع (تكتل) المواد داخل الأقراص المحيطة بالنجوم. ومع ذلك، فإن وجود «كوكب المشتري الساخن» - الكواكب ذات الكتلة الجوفية الأقرب إلى نجومها من مدار الزئبق - يمثل أكبر مشكلة. بقدر ما نعلم، لا يمكن تكوين كوكب عملاق بدون تكثيف الجليد المائي، والجليد المائي غير مستقر بالقرب من حرارة النجم. يبدو من المحتمل أن جميع الكواكب العملاقة، «الساخنة» أو «العادية»، تشكلت على مسافة عدة وحدات فلكية من النجم، لكننا نرى الآن أنها لم تبقى بالضرورة هناك. وقد أدى هذا الاكتشاف إلى مراجعة فهمنا لتكوين الكوكب الذي يشمل الآن «هجرات الكواكب» داخل القرص الكوكبي الأولي، أو لقاءات الجاذبية اللاحقة بين الكواكب الشقيقة التي تشتت أحد الكواكب إلى الداخل.
تحتوي العديد من الكواكب الخارجية على انحراف مداري كبير (تذكر أن هذا يعني أن المدارات ليست دائرية). لم تكن الانحرافات العالية متوقعة للكواكب التي تتشكل في القرص. يوفر هذا الاكتشاف مزيدًا من الدعم لتشتت الكواكب عندما تتفاعل بالجاذبية. عندما تغير الكواكب حركات بعضها البعض، يمكن أن تصبح مداراتها أكثر غرابة من تلك التي بدأت بها.
هناك العديد من الاقتراحات للطرق التي ربما حدثت بها عملية الترحيل. يتضمن معظمها تفاعلات بين الكواكب العملاقة والمواد المتبقية في القرص المحيط بالنجوم الذي تشكلت منه. كانت هذه التفاعلات ستحدث عندما كان النظام صغيرًا جدًا، بينما لا تزال المواد موجودة في القرص. في مثل هذه الحالات، ينتقل الكوكب بسرعة أسرع من الغاز والغبار ويشعر بنوع من «الرياح المعاكسة» (أو الاحتكاك) التي تجعله يفقد الطاقة ويتدفق إلى الداخل. لا يزال من غير الواضح كيف يتوقف الكوكب المتصاعد قبل أن يغرق في النجم. أفضل تخمين لدينا هو أن هذا الغطس في النجم هو مصير العديد من الكواكب الأولية؛ ومع ذلك، من الواضح أن بعض الكواكب المهاجرة يمكنها إيقاف حركاتها الداخلية والهروب من هذا الدمار، حيث نجد المشتري الساخن في العديد من أنظمة الكواكب الناضجة.
المفاهيم الأساسية والملخص
تم الإعلان عن أول كوكب يدور حول نجم بعيد من النوع الشمسي في عام 1995. بعد عشرين عامًا، تم التعرف على آلاف الكواكب الخارجية، بما في ذلك الكواكب ذات الأحجام والكتل بين الأرض ونبتون، والتي لا نمتلكها في نظامنا الشمسي. تحتوي نسبة قليلة من أنظمة الكواكب الخارجية على «كوكب المشتري الساخن»، والكواكب الضخمة التي تدور بالقرب من نجومها، والعديد من الكواكب الخارجية موجودة أيضًا في مدارات غريبة. تختلف هاتان الخاصيتان اختلافًا جوهريًا عن سمات الكواكب الغازية العملاقة في نظامنا الشمسي وتشير إلى أن الكواكب العملاقة يمكن أن تهاجر إلى الداخل من مكان تكوينها حيث يكون الجو باردًا بدرجة كافية لتكوين الجليد. تشير البيانات الحالية إلى أن الكواكب الصخرية الصغيرة (من النوع الأرضي) شائعة في مجرتنا؛ في الواقع، يجب أن يكون هناك عشرات المليارات من هذه الكواكب الشبيهة بالأرض.
مسرد المصطلحات
- كوكب خارج المجموعة الشمسية
- كوكب يدور حول نجم آخر غير شمسنا