14.4: Kulinganisha na Mifumo Mingine ya Sayari

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza jinsi uchunguzi wa disks za protoplanetary hutoa ushahidi wa kuwepo kwa mifumo mingine ya sayari
• Eleza mbinu mbili za msingi za kugundua exoplanets
• Linganisha sifa kuu za mifumo mingine ya sayari na sifa za mfumo wa jua

Hadi katikati ya miaka ya 1990, utafiti wa vitendo wa asili ya sayari ulilenga mfano wetu mmoja unaojulikana—mfumo wa jua. Ingawa kulikuwa na uvumi mkubwa kuhusu sayari zinazozunguka nyota zingine, hakuna hata mmoja aliyekuwa ameonekana. Kwa kawaida, kwa kutokuwepo kwa data, wanasayansi wengi walidhani kwamba mfumo wetu wenyewe ulikuwa uwezekano wa kuwa wa kawaida. Walikuwa katika kwa mshangao mkubwa.

Ugunduzi wa mifumo mingine ya sayari

Katika Kuzaliwa kwa Nyota na Ugunduzi wa Sayari nje ya mfumo wa Jua, tunazungumzia kuundwa kwa nyota na sayari kwa undani. Nyota kama Jua letu zinaundwa wakati mikoa minene katika wingu la masi (iliyofanywa kwa gesi na vumbi) huhisi nguvu ya mvuto ya ziada na kuanza kuanguka. Huu ni mchakato wa kukimbia: kama wingu linaanguka, nguvu ya mvuto inapata nguvu, kuzingatia nyenzo katika protostar. Takriban nusu ya muda, protostar itakuwa fragment au kuwa gravitationally amefungwa kwa protostars nyingine, kutengeneza binary au nyingi nyota mfumo-nyota kwamba ni gravitationally amefungwa na obiti kila mmoja. Wakati mwingine, protostar huanguka kwa kutengwa, kama ilivyokuwa kwa Jua letu. Katika hali zote, kama tulivyoona, uhifadhi wa kasi ya angular husababisha kuongezeka kwa protostar inayoanguka, na nyenzo zinazozunguka zimewekwa kwenye diski. Leo, aina hii ya muundo inaweza kweli kuzingatiwa. Darubini ya Hubble Space, pamoja na darubini mpya za msingi za ardhi, huwawezesha wanaastronomia kujifunza moja kwa moja karibu na diski hizi za circumstellar katika maeneo ya angani ambako nyota zinazaliwa leo, kama vile Nebula ya Orion (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)) au eneo la kutengeneza nyota za Taurus.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) cha Protoplanetary Disk katika Nebula ya Orion. Telescope ya Hubble Space ilionyesha diski hii ya protoplanetary katika Nebula ya Orion, eneo la malezi ya nyota yenye nguvu, kwa kutumia vichujio viwili tofauti. Disk, karibu mara 17 ukubwa wa mfumo wetu wa jua, iko katika mwelekeo wa makali kwetu, na nyota mpya inaangaza katikati ya wingu la vumbi lililopigwa. Sehemu za giza zinaonyesha ngozi, sio ukosefu wa nyenzo. Katika picha ya kushoto tunaona nuru ya nebula na wingu la giza; katika picha sahihi, chujio maalum kilitumiwa kuzuia nuru ya nebula ya nyuma. Unaweza kuona gesi hapo juu na chini ya disk iliyowekwa ili kuangaza kwa mwanga wa nyota iliyozaliwa iliyofichwa na diski.

Wengi wa disks circumstellar tumegundua kuonyesha muundo wa ndani. Disks zinaonekana kuwa na umbo la donut, na mapungufu karibu na nyota. Vikwazo vile vinaonyesha kwamba gesi na vumbi katika diski tayari vimeanguka ili kuunda sayari kubwa (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Protoplanets wapya waliozaliwa ni ndogo mno na kukata tamaa kuonekana moja kwa moja, lakini kupungua kwa malighafi katika mapungufu inaonyesha uwepo wa kitu asiyeonekana katika sehemu ya ndani ya disk circumstellar-na kwamba kitu ni karibu sayari moja au zaidi. Mifano ya kinadharia ya malezi ya sayari, kama ile inayoonekana kwa haki katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\), kwa muda mrefu wameunga mkono wazo kwamba sayari ingekuwa wazi mapungufu kama wao fomu katika disks.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Protoplanetary Disk karibu HL Tau. (a) Picha hii ya diski ya protoplanetary karibu na HL Tau ilichukuliwa na Atacama Kubwa milimita/submillimeter Array (ALMA), ambayo inaruhusu wanaastronomia kujenga picha za redio ambazo zinapingana na zile zilizochukuliwa kwa mwanga unaoonekana. (b) Sayari zilizopangwa hivi karibuni zinazozunguka nyota kuu zinafafanua vichochoro vya vumbi katika njia zao, kama vile mifano yetu ya kinadharia inavyotabiri. Simulation hii ya kompyuta inaonyesha mstari tupu na mawimbi ya wiani wa ond yanayotokana kama sayari kubwa inaunda ndani ya diski. Sayari haionyeshwa kwa kiwango.

Takwimu yetu inaonyesha HL Tau, nyota ya “mtoto mchanga” mwenye umri wa miaka milioni moja katika eneo la kutengeneza nyota za Taurus. Nyota imeingizwa katika sanda la vumbi na gesi linaloficha mtazamo wetu wa mwanga unaoonekana wa diski ya circumstellar inayozunguka nyota. Mwaka 2014 wanaastronomia walipata mtazamo mkubwa wa diski ya HL Tau circumstellar kwa kutumia mawimbi ya milimita, ambayo hupiga kaka ya vumbi kuzunguka nyota, kuonyesha vichochoro vya vumbi vinavyochongwa na protoplaneti kadhaa zilizopangwa hivi karibuni. Kama wingi wa protoplanets huongezeka, husafiri katika njia zao kwa kasi ambayo ni kasi zaidi kuliko vumbi na gesi katika disk ya circumstellar. Kama protoplanets hulima kupitia disk, kufikia yao ya mvuto huanza kuzidi eneo lao la msalaba, na huwa na ufanisi sana katika kuenea vifaa na kukua mpaka wazi pengo katika diski. Picha ya Kielelezo\(\PageIndex{2}\) inaonyesha kwamba idadi ya protoplanets ni kutengeneza katika disk na kwamba walikuwa na uwezo wa kuunda kwa kasi zaidi kuliko mawazo yetu ya awali alikuwa alipendekeza - wote katika miaka milioni ya kwanza ya malezi ya nyota.

Kwa maelezo ya uchunguzi wa ALMA wa kuvunja ardhi wa HL Tau na kile wanachofunua kuhusu malezi ya mimea, angalia video hii kutoka kwa Observatory ya Kusini mwa Ulaya.

Kugundua Exoplanets

Unaweza kufikiri kwamba kwa darubini za juu na wanaastronomia wanao leo, wanaweza kuiga moja kwa moja sayari zinazozunguka nyota zilizo karibu na nyota zilizo karibu (ambazo tunaziita sayari za nje). Hii imeonekana kuwa ngumu sana, hata hivyo, si tu kwa sababu exoplanets ni kukata tamaa, lakini pia kwa sababu kwa ujumla hupotea katika glare kipaji ya nyota wao obiti. Kama tunavyojadili kwa undani zaidi katika Uzazi wa Nyota na Ugunduzi wa Sayari nje ya Mfumo wa Jua, mbinu za kugundua zinazofanya kazi bora ni zisizo za moja kwa moja: zinachunguza athari za sayari kwenye nyota inayozunguka, badala ya kuona sayari yenyewe.

Mbinu ya kwanza ambayo ilitoa uchunguzi wa sayari nyingi ni spectroscopy ya juu-azimio ya stellar. Athari ya Doppler inawawezesha wanaastronomia kupima kasi ya radial ya nyota: yaani kasi ya nyota, kuelekea kwetu au mbali nasi, kuhusiana na mwangalizi. Ikiwa kuna sayari kubwa katika obiti inayozunguka nyota, mvuto wa sayari husababisha nyota kuenea, kubadilisha kasi yake ya radial kwa kiasi kidogo lakini kinachoweza kugunduliwa. Umbali wa nyota haijalishi, kwa muda mrefu kama ni mkali wa kutosha kwa sisi kuchukua spectra ya juu sana.

Vipimo vya tofauti katika kasi ya radial ya nyota kadiri sayari inavyozunguka nyota inaweza kutuambia kipindi cha wingi na orbital wa dunia. Ikiwa kuna sayari kadhaa zilizopo, madhara yao juu ya kasi ya radial yanaweza kufutwa, hivyo mfumo mzima wa sayari unaweza kufutwa-kwa muda mrefu kama sayari ni kubwa ya kutosha kuzalisha athari ya Doppler inayoweza kupimwa. Mbinu hii ya kugundua ni nyeti zaidi kwa sayari kubwa zinazozunguka karibu na nyota, kwani hizi zinazalisha tetemeko kubwa zaidi katika nyota zao. Imekuwa ikitumiwa kwenye darubini kubwa ya ardhi ili kuchunguza mamia ya sayari, ikiwa ni pamoja na moja karibu na Proxima Centauri, nyota iliyo karibu na Jua.

Mbinu ya pili isiyo ya moja kwa moja inategemea dimming kidogo ya nyota wakati moja ya sayari zake inapita, au huvuka juu ya uso wa nyota, kama inavyoonekana kutoka Dunia. Wanaastronomia hawaoni sayari, bali hugundua uwepo wake tu kutokana na vipimo vya makini vya mabadiliko katika mwangaza wa nyota kwa muda mrefu. Ikiwa kupungua kidogo kwa mwangaza kurudia kwa vipindi vya kawaida, tunaweza kuamua kipindi cha orbital cha sayari. Kutokana na kiasi cha mwanga wa nyota kilichofichwa, tunaweza kupima ukubwa wa sayari.

Wakati baadhi ya transits imepimwa kutoka Dunia, matumizi makubwa ya mbinu hii ya usafiri inahitaji darubini angani, juu ya angahewa na upotovu wake wa picha za nyota. Imekuwa mafanikio zaidi kutumika kutoka NASA Kepler nafasi uchunguzi, ambayo ilijengwa kwa lengo pekee la “staring” kwa miaka 5 katika sehemu moja ya anga, kuendelea kufuatilia mwanga kutoka nyota zaidi ya 150,000. Lengo la msingi la Kepler lilikuwa kuamua mzunguko wa tukio la exoplanets ya ukubwa tofauti karibu na madarasa tofauti ya nyota. Kama mbinu ya Doppler, uchunguzi wa usafiri unapendeza ugunduzi wa sayari kubwa na njia za muda mfupi.

Kugundua hivi karibuni ya exoplanets kutumia mbinu zote za Doppler na transit zimefanikiwa sana. Ndani ya miongo miwili, tulikwenda kutoka hakuna ujuzi wa mifumo mingine ya sayari kwenye orodha ya maelfu ya exoplanets. Wengi wa sayari exoplaneti zilizopatikana hadi sasa ni kubwa kuliko au kubwa kwa ukubwa kuliko Dunia. Si kwamba analogi za Dunia hazipo. Badala yake, uhaba wa sayari ndogo za miamba ni upendeleo wa uchunguzi: sayari ndogo ni vigumu zaidi kuchunguza.

Uchambuzi wa data ili kusahihisha vikwazo vile au athari za uteuzi zinaonyesha kuwa sayari ndogo (kama sayari za duniani katika mfumo wetu) ni za kawaida zaidi kuliko sayari kubwa. Pia kawaida ni “Dunia super,” sayari zilizo na mara mbili hadi kumi wingi wa sayari yetu (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Hatuna mojawapo ya haya katika mfumo wetu wa jua, lakini asili inaonekana kuwa haina shida ya kuifanya mahali pengine. Kwa ujumla, takwimu za Kepler zinaonyesha kuwa takriban robo moja ya nyota zina mifumo ya exoplanet, ikimaanisha kuwepo kwa angalau sayari bilioni 50 katika Galaxy yetu pekee.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Transiting Sayari kwa Ukubwa. Grafu hii ya bar inaonyesha sayari zilizopatikana hadi sasa kwa kutumia njia ya usafiri (idadi kubwa inayopatikana na misheni ya Kepler). Sehemu za machungwa za kila bar zinaonyesha sayari zilizotangazwa na timu ya Kepler mwezi Mei 2016. Kumbuka kwamba idadi kubwa ya sayari zilizopatikana hadi sasa ziko katika makundi mawili ambayo hatuna katika mfumo wetu wa jua- sayari ambazo ukubwa wake ni kati ya Dunia na Neptune.

Mipangilio ya Mifumo Mingine ya Sayari

Hebu tuangalie kwa karibu zaidi katika maendeleo katika kugundua exoplanets. Kielelezo\(\PageIndex{4}\) inaonyesha sayari kwamba walikuwa aligundua kila mwaka na mbinu mbili sisi kujadiliwa. Katika miaka ya mwanzo ya ugunduzi wa exoplanet, sayari nyingi zilikuwa sawa na wingi kwa Jupiter. Hii ni kwa sababu, kama ilivyoelezwa hapo juu, sayari kubwa zaidi zilikuwa rahisi kuchunguza. Katika miaka ya hivi karibuni, sayari ndogo kuliko Neptune na hata karibu na ukubwa wa Dunia zimegunduliwa.

\(\PageIndex{4}\)Kielelezo Misa ya Exoplanets Aligundua kwa Mwaka. Mstari wa usawa hutolewa kwa kutaja raia wa Jupiter, Saturn, Neptune, na Dunia. Nukta za kijivu zinaonyesha sayari zilizogunduliwa kwa kupima kasi ya radial ya nyota, na dots nyekundu ni kwa sayari zinazosafirisha nyota zao. Katika miaka ya mwanzo, sayari pekee ambazo zinaweza kugunduliwa zilikuwa sawa na wingi kwa Jupiter. Uboreshaji katika teknolojia na mikakati ya kuchunguza uliwezesha kugundua sayari za chini za molekuli kadiri muda ulivyoendelea, na sasa hata dunia ndogo zinapatikana. (Kumbuka kuwa somo hili linaisha mwaka 2014.)

Tunajua pia kwamba exoplanets nyingi ziko katika mifumo ya multiplanet. Hii ni tabia moja ambayo mfumo wetu wa jua unashiriki na exosystems. Kuangalia nyuma kwenye Kielelezo\(\PageIndex{2}\) na kuona jinsi disks hizo kubwa zinaweza kusababisha kituo cha zaidi ya moja ya condensation, si ajabu sana kwamba mifumo ya multiplanet ni matokeo ya kawaida ya malezi ya sayari. Wanaastronomia wamejaribu kupima kama mifumo ya sayari nyingi zote ziko katika ndege ileile kwa kutumia astrometry. Hii ni kipimo kigumu cha kufanya na teknolojia ya sasa, lakini ni kipimo muhimu ambacho kinaweza kutusaidia kuelewa asili na mageuzi ya mifumo ya sayari.

Kulinganisha kati ya Nadharia na Data

Mifumo mingi ya sayari iliyogunduliwa hadi sasa haifanani na mfumo wetu wa jua. Kwa hiyo, tumepaswa kurekebisha mambo mengine ya “mifano ya kawaida” kwa ajili ya kuundwa kwa mifumo ya sayari. Sayansi wakati mwingine hufanya kazi kwa njia hii, na data mpya inapingana na matarajio yetu. Vyombo vya habari mara nyingi huzungumzia kuhusu mwanasayansi akifanya majaribio ya “kuthibitisha” nadharia. Hakika, ni faraja wakati data mpya inasaidia hypothesis au nadharia na kuongeza ujasiri wetu katika matokeo ya awali. Lakini wakati wa kusisimua zaidi na wa uzalishaji katika sayansi mara nyingi huja wakati data mpya haziunga mkono nadharia zilizopo, na kulazimisha wanasayansi kutafakari upya msimamo wao na kuendeleza ufahamu mpya na wa kina zaidi katika jinsi asili inavyofanya kazi.

Hakuna kuhusu mifumo mpya ya sayari inapingana na wazo la msingi kwamba sayari huunda kutoka kwa mkusanyiko (clumping) ya nyenzo ndani ya disks za circumstellar. Hata hivyo, kuwepo kwa “Jupiters moto” —sayari za masi ya jovia ambazo ziko karibu na nyota zao kuliko obiti ya Mercury—husababisha tatizo kubwa zaidi. Kwa kadiri tunavyojua, sayari kubwa haiwezi kuundwa bila condensation ya barafu la maji, na barafu la maji si imara karibu sana na joto la nyota. Inaonekana uwezekano kwamba sayari zote kubwa, “moto” au “kawaida,” ziliundwa kwa umbali wa vitengo kadhaa vya astronomical kutoka nyota, lakini sasa tunaona kwamba hawakuwa lazima kukaa huko. Ugunduzi huu umesababisha marekebisho katika ufahamu wetu wa malezi ya sayari ambayo sasa inajumuisha “uhamiaji wa sayari” ndani ya diski ya protoplanetary, au baadaye kukutana na mvuto kati ya sayari ndugu zinazoeneza moja ya sayari ndani.

Exoplanets nyingi zina eccentricity kubwa ya orbital (kukumbuka hii inamaanisha njia sio mviringo). Uwezo wa juu haukutarajiwa kwa sayari zinazounda kwenye diski. Ugunduzi huu hutoa msaada zaidi kwa kueneza kwa sayari wakati zinaingiliana gravitationally. Wakati sayari zinabadilika mwendo wa kila mmoja, njia zao zinaweza kuwa zaidi ya eccentric kuliko yale waliyoanza.

Kuna mapendekezo kadhaa kwa njia uhamiaji inaweza kuwa ilitokea. Wengi huhusisha mwingiliano kati ya sayari kubwa na nyenzo zilizobaki katika disk ya circumstellar ambayo waliunda. Uingiliano huu ungekuwa umefanyika wakati mfumo ulikuwa mdogo sana, wakati nyenzo bado zimebakia kwenye diski. Katika hali hiyo, sayari inasafiri kwa kasi zaidi kuliko gesi na vumbi na huhisi aina ya “headwind” (au msuguano) unaosababisha kupoteza nishati na ond ndani. Bado haijulikani jinsi sayari inayozunguka inavyoacha kabla ya kuingia ndani ya nyota. Nadhani yetu bora ni kwamba hii inaingia ndani ya nyota ni hatima ya protoplanets nyingi; hata hivyo, wazi baadhi ya sayari zinazohamia zinaweza kuacha mwendo wao wa ndani na kuepuka uharibifu huu, kwani tunapata Jupiters ya moto katika mifumo mingi ya sayari ya kukomaa.

Dhana muhimu na Muhtasari

Sayari ya kwanza inayozunguka nyota ya aina ya jua ya mbali ilitangazwa mwaka 1995. Miaka ishirini baadaye, maelfu ya sayari za nje zimetambuliwa, zikiwemo sayari zilizo na ukubwa na wingi kati ya Dunia na Neptune, ambazo hatuna katika mfumo wetu wa jua. Asilimia chache ya mifumo ya exoplanet ina “Jupiters ya moto,” sayari kubwa zinazozunguka karibu na nyota zao, na sayari nyingi za nje pia ziko katika njia za eccentric. Tabia hizi mbili ni tofauti kabisa na sifa za sayari kubwa za gesi katika mfumo wetu wa jua na zinaonyesha kwamba sayari kubwa zinaweza kuhamia ndani kutoka mahali pao pa malezi ambapo ni baridi ya kutosha kwa barafu kuunda. Takwimu za sasa zinaonyesha kwamba sayari ndogo (duniani) za miamba ni za kawaida katika Galaxy yetu; kwa kweli, kuna lazima iwe na makumi ya mabilioni ya sayari hizo za dunia.

faharasa

sayari nje

sayari inayozunguka nyota isipokuwa Jua letu