سيارات فراخورشيدي

شکل گيري ديناميک، آشکارسازي
 

يکي از پرسش هاي هيجان انگيز و عميق بشر در طول تاريخ امکان وجود جهان هاي قابل زيست، سواي زمين بوده است. براي پاسخ دادن به اين پرسش پس از شناسايي سيارات خارج از منظومه شمسي لازم است نشانه هاي حيات بر روي آنها بررسي شود.
پيشرفت هاي فناورانه در بهبود وضعيت آشکارسازها وساخت تلسکوپ هاي بزرگ، محققان را قادر کرد تا سرانجام دو دانشمند به نام هاي ميشل مايور و ديديه کلو نخستين سياره فرا خورشيدي را در سال 1374/1995 کشف کردند. از آن سال به بعد رشته سيارات فراخورشيدي، يکي از شاخه هاي علمي نجوم، دوران جديدي از شکوفايي خود را شروع کرده است. علاوه بر اختر زيست شناسان که به مطالعه حيات فرازميني علاقمندند، فيزيک دان ها نيز مسئله را از ديدگاه ساز و کارهاي حاکم بر تشکيل و ديناميک سيارات نگاه مي کنند. بنابراين مي توان گفت اين علم به صورت کلان شاخه اي ميان رشته اي بين فيزيک و زيست شناسي محسوب مي شود.
يکي از پرسش هاي مورد علاقه جامعه فيزيک، مطالعه شرايط لازم براي يک سياره جهت حفظ تعادل ديناميکي آن است. به طور خاص اين پرسش را مي توان درباره زمين مطرح کرد. ديناميک زمين تا چه اندازه در مقابل اثرات اختلالي بقيه سيارات تاب مقاومت دارد و اصولاً اگر سياره اي بخواهد شرايط آرامي را در ديناميک خود تجربه کند، شرايط محيطي به چه صورتي بايد باشد. کشف نمونه هاي بسياري از اين منظومه ها مي تواند براي آزمون محاسبات عددي به کار گرفته شود. در ادامه پس از معرفي روش هاي آشکار سازي سيارات فراخورشيدي به بررسي پرسش ها و پاسخ هاي ممکن خواهيم پرداخت.

آشکارسازي سيارات فراخورشيدي
 

پنج روش متعارف براي آشکارسازي سيارات فراخورشيدي وجود دارند که هرکدام از اين شيوه ها را به اختصار توضيح خواهيم داد:
الف) اندازه گيري سرعت شعاعي: در اين روش با طيف سنجي دقيق نور ستاره ي مادر در منظومه سياره اي جابه جايي ستاره به سبب کشش سيارات در حال گردش به دور آن اندازه گيري مي شود. از فيزيک دبيرستان مي دانيم اگر دو جرم تحت نيروي متقابل به دور هم بگردند، در اين صورت مرکز جرم مشترک آنها تنها نقطه اي است که نسبت به ناظري ساکن جا به جا نخواهد شد. اين رخ داد در گردش سياره به دور ستاره مادر اتفاق مي افتد. حال اگر به عوض يک سياره ما چندين سياره داشته باشيم، ستاره مادر حرکات پيچيده اي را به خود خواهد گرفت. با تحليل حرکت رفت و برگشت ستاره مادر مي توان جرم بيشينه را براي سياره هاي اطراف ستاره به دست آورد. تنها چالش موجود در اين روش اين است که فقط با رصد سرعت ستاره مادر نمي توان تمام پارامترهاي مداري سياره را به دست آورد. به اين پديده در فيزيک تبهگني بين پارامترهاي مسئله گفته مي شود. براي رفع اين نقيصه، مشاهدات تکميلي بر پايه پديده هاي ديگر لازم است تا با کنار هم گذاشتن اطلاعات کافي کل پارامترهاي سياره را به دست آوريم.
يکي از ابزارهاي مهم فعلي در انداز گيري سرعت شعاعي، طيف نگار هارپس(HARPS) است که بر روي تلسکوپ نسبتاً قديمي 36 متري لاسيلا نصب شده و آن را تبديل به تلسکوپي کارآمد براي کشف سيارات فراخورشيدي کرده است.
اين آشکارساز مجهز به فيبر نوري است و مي تواند نور هر ستاره را به طيف سنج منتقل کند و پس از تجزيه بر روي يک سي دي نسبتاً بزرگ تصوير کند. قدرت تشخيص(قدرت تفکيک در سرعت) اين تلسکوپ از مرتبه يک متر بر ثانيه است. يشتر تلسکوپ هايي که براي اندازه گيري سرعت شعاعي به کار گرفته مي شوند داراي قدرت تفکيکي بهتر از 10 متر بر ثانيه اند که با آن مي توان ويژگي هاي سيارات مشتري گون را حول ستاره اي به اندازه خورشيد اندازه گيري کرد(سرعت جابه جايي خورشيد به واسطه اثر گرانشي مشتري 2/13 متر بر ثانيه است).
ب) پديده گرفت يا روش گذر: يکي از رايج ترين روش هاي آشکارسازي سيارات فراخورشيدي روش گرفت يا گذر است. در روش گذر در صورت قرار گرفتن منظومه سياره اي در موقعيتي مناسب نبست به ناظر زميني، گذر سياره از جلو قرص ستاره ي مادر باعث کم سويي نور ستاره مي شود و در نتيجه با توجه به تکرار اين پديده در هر دوره تناوب سياره مي توان به وجود آن پي برد. مهم ترين چالش در اين روش دقت نور سنجي است، چرا که يک صدم تا يک هزارم قدر است. بنابراين، دقت انداز گيري در ستاره کوتوله رشته اصلي(کوتوله هاي رده طيفي M) به علت سطح کوچک آن ها بهتر از ستاره هاي ديگر است. اين گونه از ستارگان به سبب فراواني 70 درصدي آن ها در مقايسه با جمعيت کل ستاره هاي رشته اصلي مورد توجه محققان اند. از طرف ديگر اين گونه از ستارگان به علت عمر طولاني شان نسبت به بقيه ستاره ها و پايداري تابندگي(ثابت بودن توان تابشي ستاره) نسبتاً بالا مي توانند مکان مناسبي براي شکل گيري و تکامل حيات باشند.
عمده اطلاعاتي که از نورسنجي اين دسته از رصدها به دست مي آيد تغييرات نور ستاره مادر، دوره تناوب بين گذرها و زمان گذر است. با اين اطلاعات مي توان اندازه هندسي سياره، فاصله آن از ستاره مادر و نيز جرم آن را اندازه گيري کرد. با اين حال مشاهدات طيف سنجي براي مشخص کردن نوع ستاره مادر واندازه گيري سرعت شعاعي آن امکان اندازه گيري جرم سياره را بهبود مي بخشد. بنابراين به منظور مشخص کردن پارامترهاي منظومه سياره اي بهتر است اندازه گيري هاي نورسنجي و طيف سنجي هم زمان انجام بگيرند دو پروژه مهم در اين زمينه پروژه هاي وسپ(WASP) و کپلر(Kepler) هستند که اولي تلسکوپي زميني و دومي تلسکوپي فضايي است، پروژه وسپ شامل هشت دوربين با زاويه ديد باز است که مي تواند سطح وسيعي از آسمان را نورسنجي کند. اين مجموعه دوربينها، که در رصدخانه لاپالما قرار دارد، مي تواند در هر بار رصد تصوير ميليون ها ستاره را ثبت کند. تحليل نور اين ستاره ها امکان گذر سياره را مشخص مي کند. دو قلوي اين تلسکوپ در نيمکره ي جنوبي قرار دارد و مي تواند ستاره هاي اين نيمکره را رصد کند. معمولاً تلسکوپ هاي زميني ديگري براي تکميل نورسنجي پروژه هاي فوق به کار گرفته مي شوند. يکي از روش هاي تلسکوپ هاي زميني براي افزايش دقت نورسنجي، که در سال هاي اخير از آن استفاده شده، روش غيرکانوني کردن تلسکوپ است. در اين روش نور ستاره مادر در بخش وسيعي از آشکارساز با استفاده از غير کانوني کردن تلسکوپ پخش مي شود. بنابراين بدون اين که پيکسل هاي آشکارساز اشباع شوند مي توان مدتي طولاني از يک جرم نوردهي شود و به اين ترتيب ميزان سيگنال به نوفه(نويز) را افزايش داد. با اين روش مي توان به دقت هزارم قدر در نورسنجي دست يافت.
پ) اخترسنجي: در اين شيوه سياراتي که صفحه مداري شان عمود بر راستاي ديد است مي توانند ستاره مادر را حول مرکز جرم به نوسان در آوردند. مشاهده حرکت ستاره مادر وجود سياره را اثبات مي کند. هرچند اندازه گيري جابه جايي ستاره ها توسط تلسکوپ هاي زميني به سبب تلاطم جو کار بسيار سختي است، تلسکوپ هاي فضايي که براي کارهاي اخترسنجي بهينه شده اند مي توانند اين اندازه گيري ها را انجام دهند. نخستين تلسکوپ از اين نوع تلسکوپ فضايي ابرخس بود که توانست نقشه ستاره هاي نزديک به زمين را توسط اثر اختلاف منظر تهيه کند. نسل بعدي تلسکوپ هاي اخترسنجي گايا(Gaia) است که در صورت ساخت و ارسال آن به فضا پيش بيني مي کنيم حدود ده هزار سياره را با اين روش کشف کند.
ت) مشاهده مستقيم: انعکاس مستقيم نور از ستاره مادر به سياره و بازتابش آن در طول موج هاي بلند يکي ديگر از روش هاي مشاهده سيارات به صورت مستقيم است. سيارات بزرگ نزديک به ستاره مادر، که معمولاً به آن مشتري هاي داغ نيز مي گويند(مقاله مشتري هاي داغ را در همين شماره ببنيد) علاوه بر بازتاب بخشي از نور ستاره، به سبب دماي بالاي خودشان -از مرتبه 1000 کلوين- گرما نيز تابش مي کنند. براي مشاهده اين سيارات، از آشکارساز هاي حساس طول موج فرو سرخ و بالاتر از آن استفاده مي شود. با توجه به درخشندگي شديد ستاره مادر، ازلحاظ تکنيکي بهتر است در اين نوع رصدها نور آن را با نقابي بپوشانند. به اين ترتيب ميتوان گرفتگي مصنوعي براي ستاره ايجاد و امکان مشاهده مستقيم سياره را فراهم کرد.
ث) ريزهم گرايي گرانشي: اين شيوه روشي غير مستقيم براي مشاهده سيارات است. هم گرايي گرانشي يکي از نتايج گرانش نيوتني و نسبيت عام است که در آن نور هنگام گذر از کنار يک جرم خميده مي شود. نخستين بار اينشتين هم گرايي گرانشي نور توسط ستاره اي ديگر را در سال 1315/1936 مطرح کرد ولي احتمال اين رخداد را بسيار کم و تقريباً ناممکن مي دانست. سال ها بعد در سال 1365/1986 بهدان پاچينسکي، اخترشناس لهستاني، اين ايده را دوباره مطرح کرد و اين بار او با توجه به استفاده از سي سي دي ها در رصدهاي نجومي احتمال مشاهده پديده هم گرايي گرانشي را محتمل دانست. به مدت بيش از يک دهه در مطالعه ماده تاريک هاله کهکشان به صورت اجرام فشرده از اين شيوه استفاده شد. در سال هاي اخير کاربرد ديگر اين روش در کشف سيارات فراخورشيدي مورد توجه بسياري قرار گرفته است.
در اين روش، وجود سياره درکناره ستاره مادر هم گرا کننده موجب انحراف در جبهه نور ستاره چشمه شده و سياره مانند عدسي هم گرا عمل مي کند، در نتيجه الگوهاي بسيار پرنوري از ستاره زمينه ايجاد مي شود. اين پديده را زماني که از درون آب به کف استخر نگاه مي کنند نيز مي توانيد مشاهده کنيد.
در اين جا به سبب جابه شدن امواج در سطح آب شکستگي هاي ايجاد شده در جبهه نور دائماً حرکت مي کنند. مزيت استفاده از ريزهمگرايي گرانشي، کشف سيارات نسبتاً دور از ستاره مادر است. با اين روش براي پديده هايي که تقويت نور شديدي داشته باشند مي توان تقريباً تمام سيارات بزرگ يک ستاره را با احتمال بالا رصد کرد. بنابراين محققان براي نخستين بار توانستند توزيع جمعيتي اين سياره ها را در سال 1389/2010 به دست آورند.

سيارات زيست پذير
 

اين بخش از مطالعه سيارات فراخورشيدي فعاليتي ميان رشته اي بين فيزيک دانان و زيست شناسان است. مسئله شرايط لازم براي شروع حيات در سطح سياره است. براي تحقق اين شرايط وجود عناصر مناسب روي سياره، که بيشتر عناصر رديف دوم جدول مندليف اند، وجود آب به صورت مايع و آرام بودن ستاره براي شکل گيري و تکامل حيات براي مدتي نسبتاً طولاني ضروري است. البته عوامل خارجي، مانند انفجارات ابرنواختري ممکن است حيات روي يک سياره را تهديد يا نابود کنند. براي سيارات فراخورشيدي برحسب فاصله آنها از ستاره مادر مي توان منطقه اي زيست پذير تعريف کرد. در اين ناحيه فشار جو سياره و دماي آن بايد شرايط مساعد براي نگهداري آب به صورت مايع را داشته باشد. معمولا پس از کشف يک سياره فراخورشيدي و مشخص کردن پارامترهاي مداري و فيزيکي آن، با استفاده از طيف سنجي نوع ستاره مادرش را مشخص مي کنند تا احتمال قرار گرفتن سياره در منطقه حيات را بررسي کنند. در سال هاي به مدد استفاده از تلسکوپ هاي فضايي،مانند هابل و اسپيتزر، طيف سنجي جو سيارات در حين گذر آنها از مقابل ستاره مادرشان امکان پذير شده است. در اين روش طيف ستاره در دو حالت گذر سياره و در حالت عادي طيف سنجي مي شود و پس از کم کردن دو طيف از هم طيف جذبي يا نشري سياره به دست مي آيد. رصدهاي اخير وجود آب و مولکول هاي عالي را در جو يک مشتري داغ به اثبات رساند و راه را براي کشف سيارات زيست پذير هموار کرد.
منبع: نجوم، شماره 197.