21.3: دليل على أن الكواكب تتشكل حول نجوم أخرى
- Page ID
- 197173
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- تتبع تطور الغبار المحيط بالنجم الأولي، مما يؤدي إلى تطور الكواكب الصخرية وعمالقة الغاز
- قم بتقدير النطاق الزمني لنمو الكواكب باستخدام ملاحظات الأقراص المحيطة بالنجوم الشابة
- قم بتقييم الأدلة الخاصة بالكواكب المحيطة بتكوين النجوم بناءً على الهياكل التي تظهر في صور أقراص الغبار المحيطة بالنجوم
بعد أن تطورت على كوكب ووجدته ضروريًا لوجودنا، لدينا اهتمام خاص بكيفية تناسب الكواكب مع قصة تكوين النجوم. ومع ذلك، من الصعب للغاية اكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية. تذكر أننا نرى الكواكب في نظامنا فقط لأنها تعكس ضوء الشمس وهي قريبة. عندما ننظر إلى النجوم الأخرى، نجد أن كمية الضوء التي يعكسها الكوكب هي جزء صغير للغاية من الضوء الذي يطلقه نجمه. علاوة على ذلك، تضيع الكواكب من مسافة بعيدة في وهج نجومها الأم الأكثر سطوعًا.
الأقراص حول Protostars: أنظمة الكواكب في التكوين
من الأسهل كثيرًا اكتشاف المواد الخام المنتشرة التي يمكن تجميع الكواكب منها بدلاً من اكتشاف الكواكب بعد تكوينها بالكامل. من خلال دراستنا للنظام الشمسي، نفهم أن الكواكب تتشكل من خلال جمع جزيئات الغاز والغبار معًا في مدار حول نجم حديث الإنشاء. يتم تسخين كل جسيم من الغبار بواسطة البروتوستار الصغير ويشع في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف. قبل تشكل أي كواكب، يمكننا اكتشاف مثل هذا الإشعاع من جميع جزيئات الغبار الفردية المنتشرة والتي من المقرر أن تصبح أجزاء من الكواكب. يمكننا أيضًا اكتشاف صورة ظلية للقرص إذا كان يحجب الضوء الساطع القادم من مصدر خلفه (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
بمجرد أن تتجمع جزيئات الغبار معًا وتشكل بعض الكواكب (وربما بعض الأقمار)، يتم إخفاء الغالبية العظمى من الغبار في الأجزاء الداخلية للكواكب حيث لا يمكننا رؤيتها. كل ما يمكننا اكتشافه الآن هو الإشعاع الصادر من الأسطح الخارجية، والذي يغطي مساحة أصغر بكثير من القرص الضخم المغبر الذي تشكلت منه. لذلك تكون كمية الأشعة تحت الحمراء أكبر قبل أن تتحد جزيئات الغبار في الكواكب. لهذا السبب، يبدأ بحثنا عن الكواكب بالبحث عن الأشعة تحت الحمراء من المواد المطلوبة لصنعها.
يبدو أن قرص الغاز والغبار جزء أساسي من تكوين النجوم. تشير الملاحظات إلى أن جميع النجوم الصغيرة جدًا تقريبًا تحتوي على أقراص وأن الأقراص تتراوح في الحجم من 10 إلى 1000 AU. (للمقارنة، يبلغ متوسط قطر مدار بلوتو، والذي يمكن اعتباره الحجم التقريبي لنظامنا الكوكبي، 80 AU، بينما يبلغ القطر الخارجي لحزام كويبر للأجسام الجليدية الأصغر حوالي 100 AU.) عادةً ما تكون الكتلة الموجودة في هذه الأقراص من 1 إلى 10% من كتلة شمسنا، وهي أكثر من كتلة جميع الكواكب في مجموعتنا الشمسية مجتمعة. تُظهر هذه الملاحظات بالفعل أن جزءًا كبيرًا من النجوم يبدأ حياته بمواد كافية في المكان المناسب لتشكيل نظام كوكبي.
توقيت تكوين الكوكب ونموه
يمكننا استخدام الملاحظات حول كيفية تغير الأقراص بمرور الوقت لتقدير الوقت الذي تستغرقه الكواكب في التكوين. إذا قمنا بقياس درجة حرارة ولمعان البروتوستار، فعندئذٍ، كما رأينا، يمكننا وضعه في مخطط H—R مثل المخطط الموضح في الشكل\(21.2.1\). من خلال مقارنة النجم الحقيقي بنماذجنا لكيفية تطور النماذج الأولية مع مرور الوقت، يمكننا تقدير عمره. يمكننا بعد ذلك النظر في كيفية تغير الأقراص التي نلاحظها مع أعمار النجوم التي تحيط بها.
ما تظهره هذه الملاحظات هو أنه إذا كان عمر البروتوستار أقل من 1 إلى 3 ملايين سنة، فإن قرصه يمتد من مكان قريب جدًا من سطح النجم إلى عشرات أو مئات من الاتحاد الأفريقي. في النماذج الأولية القديمة، نجد الأقراص ذات الأجزاء الخارجية التي لا تزال تحتوي على كميات كبيرة من الغبار، ولكن المناطق الداخلية فقدت معظم الغبار. في هذه الكائنات، يبدو القرص وكأنه دونات، مع تمركز البروتوستار في ثقبه. اختفت الأجزاء الداخلية الكثيفة من معظم الأقراص في الوقت الذي يبلغ فيه عمر النجوم 10 ملايين سنة (الشكل\(\PageIndex{2}\)).
تظهر الحسابات أن تكوين كوكب واحد أو أكثر يمكن أن ينتج مثل هذا التوزيع الشبيه بالكعك للغبار. لنفترض أن الكوكب يشكل عددًا قليلاً من الاتحاد الأفريقي بعيدًا عن النجم الأولي، ويفترض أن ذلك يرجع إلى تجمع المادة من القرص. مع نمو كتلة الكوكب، تزيل العملية منطقة خالية من الغبار في جواره المباشر. تظهر الحسابات أيضًا أن أي جزيئات غبار صغيرة وغاز كانت موجودة في البداية في المنطقة الواقعة بين البروتوستار والكوكب، والتي لم يجتاحها الكوكب، ستسقط بعد ذلك على النجم بسرعة كبيرة في حوالي 50,000 عام.
في المقابل، تمنع قوى الجاذبية التي يمارسها الكوكب المادة الموجودة خارج مدار الكوكب من الانتقال إلى الحفرة. (رأينا شيئًا مشابهًا في حلقات زحل، حيث تمنع حركة أقمار الراعي المادة القريبة من حافة الحلقات من الانتشار.) إذا كان تكوين الكوكب هو بالفعل ما ينتج ويحافظ على الثقوب في الأقراص التي تحيط بالنجوم الصغيرة جدًا، فيجب أن تتشكل الكواكب في غضون 3 إلى 30 مليون سنة. هذه فترة قصيرة مقارنة بعمر معظم النجوم وتظهر أن تكوين الكواكب قد يكون نتيجة ثانوية سريعة لميلاد النجوم.
تشير الحسابات إلى أن التراكم يمكن أن يدفع النمو السريع للكواكب - فالجسيمات الصغيرة بحجم حبيبات الغبار التي تدور في القرص تتصادم وتلتصق ببعضها البعض، مع نمو المجموعات الأكبر بسرعة أكبر لأنها تجذب وتلتقط الأصغر. بمجرد أن تنمو هذه الكتل إلى حوالي 10 سنتيمترات في الحجم أو نحو ذلك، فإنها تدخل مرحلة محفوفة بالمخاطر في تطورها. عند هذا الحجم، ما لم تتمكن من النمو إلى قطر أكبر من 100 متر تقريبًا، فإنها تخضع لقوى السحب الناتجة عن الاحتكاك بالغاز الموجود في القرص - ويمكن أن تتحلل مداراتها بسرعة، مما يؤدي إلى غرقها في النجم المضيف. لذلك، يجب أن تنمو هذه الأجسام بسرعة إلى ما يقرب من كيلومتر واحد في الحجم لتجنب مصير ناري. في هذه المرحلة، يتم اعتبارها كائنات فضائية (الأجزاء الصغيرة من المادة الصلبة - جزيئات الجليد والغبار - التي تعلمتها في عوالم أخرى: مقدمة للنظام الشمسي). بمجرد بقائهم على قيد الحياة بهذه الأحجام، سيستمر أكبر الناجين في النمو من خلال تراكم الكواكب الصغيرة؛ في نهاية المطاف، تؤدي هذه العملية إلى عدد قليل من الكواكب الكبيرة.
إذا وصلت الكواكب المتنامية إلى كتلة أكبر من حوالي 10 أضعاف كتلة الأرض، فإن جاذبيتها تكون قوية بما يكفي لالتقاط غاز الهيدروجين الذي يبقى في القرص والاحتفاظ به. عند هذه النقطة، ستنمو في الكتلة ونصف القطر بسرعة، لتصل إلى أبعاد الكوكب العملاق. ومع ذلك، يتطلب القيام بذلك ألا يقوم النجم المركزي سريع التطور بعد بإبعاد الغاز الموجود في القرص بسبب رياحه القوية المتزايدة (انظر القسم السابق عن تكوين النجوم). من الملاحظات، نرى أن القرص يمكن أن ينفجر في غضون 10 ملايين سنة، لذلك يجب أن يكون نمو كوكب عملاق أيضًا عملية سريعة جدًا، من الناحية الفلكية.
أقراص الحطام وكواكب الراعي
يتم دمج الغبار حول النجوم المشكلة حديثًا تدريجيًا إما في الكواكب المتنامية في النظام الكوكبي المشكل حديثًا أو يتم طرده من خلال تفاعلات الجاذبية مع الكواكب إلى الفضاء. سيختفي الغبار بعد حوالي 30 مليون سنة ما لم يتم تزويد القرص باستمرار بمواد جديدة. تعد المذنبات والكويكبات المحلية المصادر الأكثر احتمالاً للغبار الجديد. مع نمو الأجسام بحجم الكوكب، فإنها تحرك مدارات الأجسام الصغيرة في المنطقة. تصطدم هذه الأجسام الصغيرة بسرعات عالية وتتحطم وتنتج جزيئات صغيرة من غبار السيليكات والجليد التي يمكنها الحفاظ على القرص المزود بالحطام من هذه التصادمات.
على مدى مئات الملايين من السنين، سينخفض عدد المذنبات والكويكبات تدريجياً، وسوف ينخفض تواتر الاصطدامات، وسيقل إمداد الغبار الطازج. تذكر أن القصف العنيف في النظام الشمسي المبكر انتهى عندما كان عمر الشمس حوالي 500 مليون سنة فقط. تشير الملاحظات إلى أن «أقراص الحطام» المتربة حول النجوم تصبح أيضًا غير قابلة للاكتشاف إلى حد كبير بحلول الوقت الذي تصل فيه النجوم إلى عمر 400 إلى 500 مليون سنة. ومع ذلك، فمن المحتمل أن تبقى كمية صغيرة من المواد المذنبة في المدار، مثل حزام كويبر الخاص بنا، وهو قرص مسطح من المذنبات خارج مدار نبتون.
في النظام الكوكبي الصغير، حتى لو لم نتمكن من رؤية الكواكب مباشرة، يمكن للكواكب تركيز جزيئات الغبار في كتل وأقواس أكبر بكثير من الكواكب نفسها ويمكن تصويرها بسهولة أكبر. هذا مشابه لكيفية قيام أقمار زحل الصغيرة برعاية الجسيمات الموجودة في الحلقات وإنتاج أقواس وهياكل كبيرة في حلقات زحل.
تم العثور الآن على أقراص الحطام - التي يحتوي الكثير منها على مثل هذه الكتل والأقواس - حول العديد من النجوم، مثل HL Tau، التي تقع على بعد حوالي 450 سنة ضوئية من الأرض في كوكبة برج الثور (الشكل\(\PageIndex{3}\)). في بعض النجوم، يختلف سطوع الحلقات باختلاف الموضع؛ أما حول النجوم الأخرى، فهناك أقواس وفجوات ساطعة في الحلقات. يشير السطوع إلى التركيز النسبي للغبار، حيث أن ما نراه هو الأشعة تحت الحمراء (الإشعاع الحراري) من جزيئات الغبار في الحلقات. المزيد من الغبار يعني المزيد من الإشعاع.
شاهد مقطع فيديو قصير لمدير NRAO (المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي) يصف الملاحظات عالية الدقة للنجم الشاب HL Tau. أثناء وجودك هناك، شاهد الرسوم المتحركة للفنان لقرص كوكبي أولي لرؤية الكواكب المشكلة حديثًا وهي تتجول حول نجم مضيف (أصل).
ملخص
تظهر الأدلة الرصدية أن معظم النجوم الأولية محاطة بأقراص ذات أقطار كبيرة بما يكفي وكتلة كافية (تصل إلى 10٪ من كتلة الشمس) لتكوين الكواكب. بعد بضعة ملايين من السنين، يتم تنظيف الجزء الداخلي من القرص من الغبار، ثم يتم تشكيل القرص على شكل كعكة مع تركيز البروتوستار في الحفرة - وهو أمر يمكن تفسيره بتكوين كواكب في تلك المنطقة الداخلية. حول عدد قليل من النجوم القديمة، نرى الأقراص المتكونة من الحطام الناتج عندما تصطدم الأجسام الصغيرة (المذنبات والكويكبات) مع بعضها البعض. ربما يتم تحديد توزيع المواد في حلقات أقراص الحطام بواسطة كواكب الراعي، تمامًا كما تؤثر أقمار الراعي لزحل على مدارات المادة في حلقاتها. يمكن للكواكب الأولية التي تنمو لتصبح 10 أضعاف كتلة الأرض أو أكبر بينما لا يزال هناك الكثير من الغاز في قرصها أن تلتقط المزيد من هذا الغاز وتصبح كواكب عملاقة مثل كوكب المشتري في النظام الشمسي.