21.5: الكواكب الخارجية في كل مكان - ما نتعلمه
- Page ID
- 197162
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- اشرح ما تعلمناه من اكتشافنا للكواكب الخارجية
- حدد نوع الكواكب الخارجية التي تبدو الأكثر شيوعًا في المجرة
- ناقش أنواع أنظمة الكواكب التي نجدها حول النجوم الأخرى
قبل اكتشاف الكواكب الخارجية، توقع معظم علماء الفلك أن تكون الأنظمة الكوكبية الأخرى تشبه إلى حد كبير أنظمتنا - الكواكب التي تتبع مدارات دائرية تقريبًا، مع وجود أكبر كواكب متعددة AU من نجمها الأم. توجد مثل هذه الأنظمة بأعداد كبيرة، لكن العديد من الكواكب الخارجية والأنظمة الكوكبية تختلف كثيرًا عن تلك الموجودة في نظامنا الشمسي. المفاجأة الأخرى هي وجود فئات كاملة من الكواكب الخارجية التي لا نمتلكها ببساطة في نظامنا الشمسي: الكواكب ذات الكتل بين كتلة الأرض ونبتون، والكواكب التي يزيد حجمها عدة مرات عن كوكب المشتري.
نتائج كيبلر
كان تلسكوب كيبلر مسؤولاً عن اكتشاف معظم الكواكب الخارجية، خاصة في الأحجام الصغيرة، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\)، حيث تم رسم اكتشافات كيبلر باللون الأصفر. يمكنك رؤية مجموعة كبيرة من الأحجام، بما في ذلك الكواكب الأكبر بكثير من المشتري والأصغر من الأرض. إن غياب الكواكب الخارجية المكتشفة من قبل كيبلر ذات الفترات المدارية التي تزيد عن بضع مئات من الأيام هو نتيجة لعمر المهمة البالغ 4 سنوات. (تذكر أنه يجب ملاحظة ثلاث عمليات عبور متساوية المسافات لتسجيل الاكتشاف.) في الأحجام الأصغر، يرجع عدم وجود كواكب أصغر بكثير من نصف قطر الأرض إلى صعوبة اكتشاف عمليات العبور بواسطة كواكب صغيرة جدًا. في الواقع، اقتصرت «مساحة الاكتشاف» لكبلر على الكواكب ذات الفترات المدارية الأقل من 400 يوم والأحجام الأكبر من المريخ.
كان أحد الأهداف الأساسية لمهمة كيبلر هو معرفة عدد النجوم التي استضافت الكواكب وخاصة تقدير تواتر الكواكب الشبيهة بالأرض. على الرغم من أن كيبلر لم ينظر إلا إلى جزء صغير جدًا من النجوم في المجرة، إلا أن حجم العينة كان كبيرًا بما يكفي لاستخلاص بعض الاستنتاجات المثيرة للاهتمام. في حين أن الملاحظات تنطبق فقط على النجوم التي لاحظها كيبلر، فإن هذه النجوم تمثيلية بشكل معقول، وبالتالي يمكن لعلماء الفلك الاستقراء على المجرة بأكملها.
\(\PageIndex{2}\)يوضح الشكل أن اكتشافات كيبلر تشمل العديد من الكواكب الصخرية بحجم الأرض، أكثر بكثير من الكواكب الغازية بحجم المشتري. يخبرنا هذا على الفور أن الاكتشاف الأولي لدوبلر للعديد من مركبات المشتري الساخنة كان عينة متحيزة، في الواقع، للعثور على أنظمة الكواكب الغريبة لأنها كانت أسهل من حيث اكتشافها. ومع ذلك، هناك فرق كبير بين توزيع الحجم الملحوظ هذا وتوزيع الكواكب في نظامنا الشمسي. تتراوح أنصاف أقطار الكواكب الأكثر شيوعًا بين 1.4 و 2.8 من الأرض، وهي أحجام ليس لدينا أمثلة لها في النظام الشمسي. وقد أُطلق على هذه الأنواع لقب «الأرض الفائقة»، بينما يُطلق على المجموعة الكبيرة الأخرى التي تتراوح أحجامها بين 2.8 و 4 أحجام الأرض اسم Mini-neptunes.
يا له من اكتشاف رائع هو أن الأنواع الأكثر شيوعًا من الكواكب في المجرة غائبة تمامًا عن نظامنا الشمسي ولم تكن معروفة حتى مسح كيبلر. ومع ذلك، تذكر أنه كان من الصعب على أدوات كيبلر العثور على الكواكب الصغيرة حقًا. لذلك، لتقدير تواتر الكواكب الخارجية بحجم الأرض، نحتاج إلى تصحيح هذا التحيز في أخذ العينات. والنتيجة هي توزيع الحجم المصحح الموضح في الشكل\(\PageIndex{3}\). لاحظ أنه في هذا الرسم البياني، اتخذنا أيضًا خطوة إظهار ليس عدد اكتشافات كيبلر ولكن متوسط عدد الكواكب لكل نجم للنجوم الشمسية (الأنواع الطيفية F و G و K).
نرى أن أحجام الكواكب الأكثر شيوعًا هي تلك التي يتراوح نصف قطرها من 1 إلى 3 أضعاف مساحة الأرض - ما أطلقنا عليه اسم «الأرض» و «الأرض الفائقة». تتكون كل مجموعة من حوالي ثلث إلى ربع النجوم. بعبارة أخرى، إذا قمنا بتجميع هذه الأحجام معًا، يمكننا أن نستنتج أن هناك كوكبًا واحدًا تقريبًا لكل نجم! وتذكر أن هذا التعداد يشمل في المقام الأول الكواكب ذات الفترات المدارية التي تقل عن عامين. لا نعرف حتى الآن عدد الكواكب غير المكتشفة التي قد توجد على مسافات أكبر من نجمها.
لتقدير عدد الكواكب بحجم الأرض في مجرتنا، علينا أن نتذكر أن هناك ما يقرب من 100 مليار نجم من الأنواع الطيفية F و G و K. لذلك، نقدر أن هناك حوالي 30 مليار كوكب بحجم الأرض في مجرتنا. إذا قمنا بتضمين الأرض الفائقة أيضًا، فقد يكون هناك مائة مليار في المجرة بأكملها. هذه الفكرة - أن الكواكب بحجم الأرض تقريبًا كثيرة جدًا - هي بالتأكيد واحدة من أهم اكتشافات علم الفلك الحديث.
الكواكب ذات الكثافة المعروفة
بالنسبة لعدة مئات من الكواكب الخارجية، تمكنا من قياس حجم الكوكب من بيانات العبور وكتلته من بيانات دوبلر، مما أسفر عن تقدير لكثافته. تساعدنا مقارنة متوسط كثافة الكواكب الخارجية بكثافة الكواكب في نظامنا الشمسي على فهم ما إذا كانت صخرية أم غازية بطبيعتها. كان هذا مهمًا بشكل خاص لفهم بنية الفئات الجديدة من الأرض الفائقة والنبتونات الصغيرة ذات الكتل التي تتراوح كتلتها بين 3-10 أضعاف كتلة الأرض. تتمثل الملاحظة الرئيسية حتى الآن في أن الكواكب التي تزيد كتلتها عن 10 أضعاف كتلة الأرض تحتوي على مغلفات غازية كبيرة (مثل أورانوس ونبتون) في حين أن الكواكب ذات الكتلة المنخفضة يغلب عليها الطابع الصخري (مثل الكواكب الأرضية).
\(\PageIndex{4}\)يقارن الشكل جميع الكواكب الخارجية التي لها قياسات الكتلة ونصف القطر. يظهر أيضًا اعتماد نصف القطر على كتلة الكوكب في بعض الحالات التوضيحية - الكواكب الافتراضية المصنوعة من الحديد النقي أو الصخور أو الماء أو الهيدروجين.
عند الكتل المنخفضة، لاحظ أنه مع زيادة كتلة هذه الكواكب الافتراضية، يزداد نصف القطر أيضًا. هذا أمر منطقي - إذا كنت تبني نموذجًا لكوكب من الطين، فسيزداد حجم كوكب لعبتك مع إضافة المزيد من الطين. ومع ذلك، بالنسبة للكواكب ذات الكتلة الأعلى (M > 1000\(M_{\text{Earth}}\)) في الشكل\(\PageIndex{3}\)، لاحظ أن نصف القطر يتوقف عن الزيادة وأن الكواكب ذات الكتلة الأكبر أصغر بالفعل. يحدث هذا لأن زيادة الكتلة تزيد أيضًا من جاذبية الكوكب، بحيث تصبح المواد القابلة للضغط (حتى الصخور قابلة للضغط) أكثر إحكامًا، مما يقلل من حجم الكوكب الأكثر ضخامة.
في الواقع، الكواكب ليست تركيبات نقية مثل الماء الافتراضي أو الكوكب الحديدي. تتكون الأرض من نواة حديدية صلبة، ولب خارجي من الحديد السائل، وغطاء وقشرة صخرية، وطبقة جوية رقيقة نسبيًا. من المحتمل أيضًا أن يتم تمييز الكواكب الخارجية إلى طبقات تركيبية. الخطوط النظرية في الشكل\(\PageIndex{4}\) هي ببساطة أدلة تقترح مجموعة من التراكيب الممكنة.
يقوم علماء الفلك الذين يعملون على النمذجة المعقدة للديكورات الداخلية للكواكب الصخرية بافتراض مبسط مفاده أن الكوكب يتكون من طبقتين أو ثلاث طبقات. هذا ليس مثاليًا، لكنه تقريب معقول ومثال جيد آخر لكيفية عمل العلم. غالبًا ما تكون الخطوة الأولى في فهم شيء جديد هي تضييق نطاق الاحتمالات. هذا يمهد الطريق لتحسين وتعميق معرفتنا. في الشكل\(\PageIndex{4}\)،\(R_{\text{Earth}}\) يمثل المثلثان الأخضران 1\(M_{\text{Earth}}\) و1 تقريبًا كوكب الزهرة والأرض. لاحظ أن هذه الكواكب تقع بين نماذج الحديد النقي وكوكب الصخور النقية، بما يتفق مع ما نتوقعه من التركيب الكيميائي المختلط المعروف لكوكب الزهرة والأرض.
في حالة الكواكب الغازية، يكون الوضع أكثر تعقيدًا. الهيدروجين هو العنصر الأخف وزنًا في الجدول الدوري، ومع ذلك فإن العديد من الكواكب الخارجية المكتشفة في الشكل\(\PageIndex{4}\) ذات الكتل الأكبر من 100\(M_{\text{Earth}}\) لها أنصاف أقطار تشير إلى أنها أقل كثافة من كوكب الهيدروجين النقي. الهيدروجين هو العنصر الأخف وزنًا، فماذا يحدث هنا؟ لماذا تحتوي بعض الكواكب الغازية العملاقة على أنصاف أقطار متضخمة أكبر من كوكب الهيدروجين النقي الوهمي؟ توجد العديد من هذه الكواكب في مدارات قصيرة المدى بالقرب من النجم المضيف حيث تعترض كمية كبيرة من الطاقة المشعة. إذا كانت هذه الطاقة محاصرة في أعماق الغلاف الجوي للكوكب، فقد تتسبب في توسع الكوكب.
تمتلك الكواكب التي تدور بالقرب من نجومها المضيفة في مدارات غريبة بعض الشيء مصدرًا آخر للطاقة: سيزيد النجم المد والجزر في هذه الكواكب التي تميل إلى تدوير المدارات. تؤدي هذه العملية أيضًا إلى تبديد المد والجزر للطاقة التي يمكن أن تضخم الغلاف الجوي. سيكون من المثير للاهتمام قياس حجم الكواكب الغازية العملاقة في المدارات الأوسع حيث يجب أن تكون الكواكب أكثر برودة - التوقع هو أنه ما لم تكن صغيرة جدًا، لا ينبغي تضخيم هذه الكواكب الخارجية العملاقة ذات الغاز البارد (والتي تسمى أحيانًا «المشتري البارد»). لكن ليس لدينا حتى الآن بيانات عن هذه الكواكب الخارجية البعيدة.
أنظمة الكواكب الخارجية
أثناء بحثنا عن الكواكب الخارجية، لا نتوقع العثور على كوكب واحد فقط لكل نجم. يحتوي نظامنا الشمسي على ثمانية كواكب رئيسية ونصف دستة كواكب قزمة وملايين الأجسام الصغيرة التي تدور حول الشمس. تشير الأدلة التي لدينا عن أنظمة الكواكب قيد التكوين أيضًا إلى أنها من المحتمل أن تنتج أنظمة متعددة الكواكب.
تم العثور على أول نظام كوكبي حول النجم Upsilon Andromedae في عام 1999 باستخدام طريقة دوبلر، وتم العثور على العديد من الأنظمة الأخرى منذ ذلك الحين (حوالي 700 اعتبارًا من أوائل عام 2020). إذا كان هذا النظام الكوكبي الخارجي شائعًا، فلننظر في الأنظمة التي نتوقع العثور عليها في بيانات عبور كيبلر.
لن يعبر الكوكب نجمه إلا إذا كانت الأرض تقع في مستوى مدار الكوكب. إذا كانت الكواكب في الأنظمة الأخرى لا تحتوي على مدارات في نفس المستوى، فمن غير المحتمل أن نرى العديد من الأجسام العابرة. أيضًا، كما لاحظنا من قبل، كان كيبلر حساسًا فقط للكواكب ذات الفترات المدارية التي تقل عن 4 سنوات تقريبًا. ما نتوقعه من بيانات كيبلر، إذن، هو دليل على وجود أنظمة كوكبية مستوية تقتصر على ما سيكون عالم الكواكب الأرضية في نظامنا الشمسي.
بحلول عام 2020، جمع علماء الفلك بيانات عن ما يقرب من 700 من أنظمة الكواكب الخارجية هذه. لدى العديد منها كوكبان معروفان فقط، لكن القليل منها يحتوي على ما يصل إلى خمسة، وواحد يحتوي على ثمانية (نفس عدد الكواكب مثل نظامنا الشمسي). في الغالب، هذه أنظمة مدمجة للغاية حيث تكون معظم كواكبها أقرب إلى نجمها من عطارد من الشمس. يوضح الشكل أدناه أحد أكبر أنظمة الكواكب الخارجية: نظام النجم المسمى Kepler-62 (الشكل\(\PageIndex{5}\)). يظهر نظامنا الشمسي بنفس المقياس، للمقارنة (لاحظ أن كواكب Kepler-62 مرسومة بترخيص فني؛ ليس لدينا صور مفصلة لأي كواكب خارجية).
جميع الكواكب في نظام K-62، باستثناء كوكب واحد، أكبر من الأرض. هذه كائنات أرضية فائقة، وواحدة منها (62 ثانية) تقع في نطاق حجم نبتون الصغير، حيث من المحتمل أن تكون غازية إلى حد كبير. أصغر كوكب في هذا النظام هو بحجم المريخ تقريبًا. تدور الكواكب الداخلية الثلاثة بالقرب جدًا من نجمها، والكواكب الخارجية فقط لها مدارات أكبر من عطارد في نظامنا. تمثل المناطق الخضراء «المنطقة الصالحة للسكن» لكل نجم، وهي المسافة من النجم حيث نحسب أن درجات حرارة السطح ستكون متسقة مع الماء السائل. تعد منطقة Kepler-62 الصالحة للسكن أصغر بكثير من منطقة الشمس لأن النجم أضعف جوهريًا.
مع أنظمة متقاربة مثل هذه، يمكن للكواكب أن تتفاعل بالجاذبية مع بعضها البعض. والنتيجة هي أن عمليات العبور المرصودة تحدث قبل بضع دقائق أو بعد ذلك مما يمكن التنبؤ به من المدارات البسيطة. سمحت تفاعلات الجاذبية هذه لعلماء كيبلر بحساب كتل الكواكب، مما يوفر طريقة أخرى للتعرف على الكواكب الخارجية.
اكتشف كيبلر بعض أنظمة الكواكب المثيرة للاهتمام وغير العادية. على سبيل المثال، توقع معظم علماء الفلك أن تقتصر الكواكب على النجوم الفردية. لكننا وجدنا كواكب تدور حول نجوم مزدوجة قريبة، حتى يرى الكوكب شمسين في سمائه، مثل تلك الموجودة في كوكب تاتوين الخيالي في أفلام حرب النجوم. في الطرف المقابل، يمكن للكواكب أن تدور حول نجم واحد من نظام نجمين عريض دون تدخل كبير من النجم الثاني.
المفاهيم الأساسية والملخص
على الرغم من أن مهمة كيبلر تبحث عن آلاف الكواكب الخارجية الجديدة، إلا أنها تقتصر على فترات مدارية تقل عن 400 يوم وأحجام أكبر من المريخ. ومع ذلك، يمكننا استخدام اكتشافات كيبلر لاستقراء توزيع الكواكب في مجرتنا. تشير البيانات حتى الآن إلى أن الكواكب مثل الأرض هي أكثر أنواع الكواكب شيوعًا، وأنه قد يكون هناك 100 مليار كوكب بحجم الأرض حول نجوم تشبه الشمس في المجرة. تم اكتشاف حوالي 2600 نظام كوكبي حول نجوم أخرى. في العديد منها، يتم ترتيب الكواكب بشكل مختلف عن نظامنا الشمسي.
مسرد المصطلحات
- أرض خارقة
- كوكب أكبر من الأرض، يتراوح حجمه عمومًا بين 1.4 و 2.8 مرة من حجم كوكبنا
- ميني نيبتون
- كوكب متوسط بين أكبر كوكب أرضي في مجموعتنا الشمسية (الأرض) وأصغر كوكب جوفيان (نبتون)؛ بشكل عام، تتراوح أحجام نبتون المصغرة بين 2.8 و 4 أضعاف حجم الأرض