تلسكوب جيمس ويب الفضائي يجد الماء والميثان في الغلاف الجوي لكوكب المشتري الدافئ

اكتشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) غاز الميثان وبخار الماء في الغلاف الجوي لعالم يشبه كوكب المشتري يقع على بعد حوالي 163 سنة ضوئية.

وتوصل علماء الفلك إلى هذا الاكتشاف باستخدام هذا التلسكوب الفضائي القوي الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء لمشاهدة الكوكب خارج المجموعة الشمسية أو “كوكب خارجيويمر WASP-80 b أمام نجمه القزم الأحمر الأصلي، والذي يدور حوله مرة كل 3 أيام أرضية تقريبًا.

اكتشف علماء الفلك بخار الماء في الغلاف الجوي لحوالي اثني عشر كوكبًا حتى الآن، لكن اكتشاف غاز الميثان – على الرغم من وجوده بشكل شائع في الغلاف الجوي لعوالم النظام الشمسي مثل المشتري وزحل وأورانوس ونبتون – باستخدام التحليل الطيفي الفضائي لا يزال بعيدًا جدًا. أندر. هذا ما فعله الفريق، الذي يضم علماء جامعة ولاية أريزونا لويس ويلبانكس ومايكل لاين من كلية استكشاف الأرض والفضاء، وتايلور بيل، الباحث في معهد أبحاث البيئة في منطقة الخليج (BAERI)، باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

“كانت هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها مثل هذه الميزة الطيفية الواضحة لغاز الميثان بأعيننا في طيف الكواكب الخارجية العابرة، وهو لا يختلف كثيرًا عما يمكن رؤيته في أطياف الكواكب العملاقة في النظام الشمسي قبل نصف قرن مضى،” ويلبانكس قال في بيان.

لكي نكون واضحين، هذه ليست المرة الأولى التي يكتشف فيها تلسكوب جيمس ويب الفضائي غاز الميثان في الغلاف الجوي. على سبيل المثال، اكتشف المرصد مثل هذه الجزيئات حول الكوكب الخارجي K12-18b في وقت سابق من هذا العام.

متعلق ب: يقوم تلسكوب هابل بفحص كوكب خارجي قريب، ويجد أنه بحجم الأرض

إبرة في كومة قش كونية

يُصنف WASP-80 b على أنه “المشتري الدافئ” لأنه ليس قريبًا من نجمه الأم مثل ما يسمى بالمشتري الساخن، ولكنه لا يزال أقرب مما يسمى بالمشتري البارد. كوكب المشتري الأصلي، وهو أكبر كوكب في نظامنا الشمسي والعملاق الغازي الذي أعطى هذه الفئة من الكواكب أسمائها، هو من الناحية الفنية “المشتري البارد”.

ونظرًا لهذا القرب النسبي، فإن التمييز بين WASP-80 b ونجمه القزم الأحمر ليس بالأمر السهل. في الواقع، إنها حتى قدرات تلسكوب جيمس ويب الفضائي البالغة قيمته 10 مليارات دولار. إنه يعادل اكتشاف شعرة بشرية واحدة من مسافة 9 أميال (14.5 كيلومترًا).

ولحسن الحظ، لدى علماء الفلك طريقة لمواجهة هذا التحدي. إنهم ينتظرون بشكل أساسي حتى يعبر WASP-80 b وجه القزم الأحمر الذي يدور حوله، ثم يراقبون الطيف الجماعي المرتبط بالكوكب.

ولأن العناصر الكيميائية والجزيئات تمتص الضوء بأطوال موجية مميزة، فإن النظر إلى الأطياف المدمجة ومقارنتها بأطياف النجم المنفردة يكشف عن بصمات مميزة لجزيئات معينة في الغلاف الجوي للكوكب.

“باستخدام طريقة العبور، لاحظنا النظام عندما تحرك الكوكب أمام نجمه من منظورنا، مما تسبب في تعتيم ضوء النجوم الذي نراه قليلاً. إنه يشبه إلى حد ما عندما يمر شخص ما أمام مصباح، فيخفت الضوء قال ويلبانكس.

وتابع ويلبانكس: “خلال هذا الوقت، تضيء النجمة حلقة رقيقة من الغلاف الجوي للكوكب حول حدود النهار والليل للكوكب، وعند ألوان معينة من الضوء حيث تمتص الجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي للكوكب الضوء، يبدو الغلاف الجوي أكثر سمكًا وتحجب المزيد من ضوء النجوم، مما يتسبب في تعتيم أعمق مقارنةً (ب) الأطوال الموجية الأخرى حيث يبدو الغلاف الجوي شفافًا.

وأوضح الباحث أن “هذه الطريقة تساعد العلماء مثلنا على فهم مكونات الغلاف الجوي للكوكب من خلال رؤية ألوان الضوء المحجوبة”.

لكن الفريق لم يتوقف عند هذا الحد. واستخدم العلماء طريقة أخرى لقياس الغلاف الجوي للكوكب WASP-80 b أيضًا.

أنت تزداد دفئًا… أثناء اصطياد غاز الميثان

مثل جميع الكواكب، ينبعث WASP-80 b بعض ضوءه على شكل إشعاع حراري. تعتمد كل من فئة الطول الموجي وشدة هذا الضوء على درجة حرارة الكوكب.

هذا القرب من WASP-80 b من نجمه يمنح الكوكب درجة حرارة سطحية تبلغ 1025 درجة فهرنهايت (552 درجة مئوية). وهذا بالمقارنة مع درجات حرارة كوكب المشتري الحارة النموذجية البالغة 2150 درجة فهرنهايت (1177 درجة مئوية) ودرجات الحرارة المتجمدة بشكل إيجابي لكوكب المشتري. كوكب المشتري عند درجة حرارة -235 درجة فهرنهايت (-148 درجة مئوية).

ترتبط كواكب المشتري الدافئة والساخنة أيضًا بنجومها من الناحية المدية، مما يعني أن لديها “جوانب نهارية” دائمة أكثر سخونة تواجه النجم دائمًا، و”جوانب ليلية” باردة دائمة تواجه الفضاء دائمًا.

قبل أن يكسوف WASP-80 b نجمه مباشرة، يكون جانبه النهاري موجهًا نحو الأرض، مما يعني أن قياس الانخفاض في الضوء القادم من النجم أثناء الكسوف يكشف عن ضوء الأشعة تحت الحمراء القادم من الكوكب نتيجة لانبعاثاته الحرارية. وهذا يعطي علماء الفلك “أطياف الكسوف” مع أنماط امتصاص الضوء المرتبطة بالجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي للكوكب. تظهر هذه الأنماط نوعًا ما على شكل انخفاض في الضوء المنبعث من الكوكب عند أطوال موجية محددة.

أفضل ما في العالمين

سمح الجمع بين بيانات الكسوف والعبور للفريق بمعرفة مقدار الضوء الذي تم حجبه والمنبعث من الغلاف الجوي لـ WASP-80 b عند أطوال موجية مختلفة. بعد ذلك، استخدم الباحثون نموذجين مختلفين لمحاكاة الشكل الذي سيبدو عليه الغلاف الجوي لكوكب مثل WASP-80 b في ظل الظروف القاسية لكوكب المشتري الدافئ.

كان أحد النماذج صارمًا، حيث أخذ في الاعتبار الفيزياء والكيمياء الموجودة لتحديد مستويات الميثان والماء التي يمكن توقعها من مثل هذا العالم. أما النموذج الآخر فكان أكثر مرونة، إذ جرب الملايين من التوليفات المختلفة من الميثان والماء ودرجات الحرارة للعثور على الوصفة التي تناسب البيانات بشكل أفضل. أدت مقارنة بيانات العبور والكسوف مع كلا النموذجين إلى وصول الفريق إلى نفس النتيجة الواضحة.

لقد اكتشفوا بالتأكيد غاز الميثان في الغلاف الجوي للكوكب WASP-80 b.

وأوضح لاين: “قبل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، ظل الميثان غير مكتشف إلى حد كبير، على الرغم من التوقعات بأنه كان من الممكن اكتشافه باستخدام تلسكوب هابل الفضائي في الكواكب التي كان من المفترض أن يتواجد فيها بكثرة”. “وقد أدى هذا النقص في الاكتشافات إلى ظهور موجة من الأفكار تتراوح بين النضوب الجوهري للكربون وتدميره الكيميائي الضوئي إلى خلط الغاز المستنفد العميق للميثان.”

والخطوة التالية هي استكشاف ما يمكن أن يخبره التركيب الكيميائي لـ WASP-80 b للعلماء عن ميزات الكوكب الخارجي وتاريخ تكوينه وتطوره من حيث صلتها بوفرة الميثان والمياه. ستسمح مثل هذه الدراسات للفريق باستنتاج أشياء مثل نسبة الكربون في الغلاف الجوي إلى الأكسجين أيضًا. هذه النسبة تختلف بناءً على المكان الدقيق الذي يتشكل فيه الكوكب حول النجم؛ ويمكن أن يكشف ما إذا كان WASP-80 b قد تشكل في مكانه الحالي، أو إذا كان قد ولد في مكان أبعد قبل أن يهاجر نحو نجمه.

قصص ذات الصلة:

– قد يكون سطح الكوكب الخارجي مغطى بالمحيطات، حسبما اكتشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي

– بعض الكواكب الخارجية تتقلص. هذا هو السبب

— تلسكوب ناسا لصيد الكواكب الخارجية يتجسس على 8 كواكب أرضية خارقة

وسيقوم الفريق أيضًا بمقارنة الأجواء الخاصة بكواكب المشتري الدافئة خارج النظام الشمسي بتلك الموجودة في الكواكب التي تدور حول الشمس، وتسخير العينات والبيانات التي جمعتها البعثات الفضائية التي زارت المشتري وزحل بالفعل.

وخلص ويلبانكس إلى القول: “ليس الميثان غازًا مهمًا في تتبع تكوين الغلاف الجوي والكيمياء في الكواكب العملاقة فحسب، بل يُفترض أيضًا أنه، مع الأكسجين، علامة محتملة لعلم الأحياء”. “أحد الأهداف الرئيسية لمرصد العوالم الصالحة للسكن، وهي المهمة الرئيسية التالية لناسا بعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي ورومان، هو البحث عن غازات مثل الأكسجين والميثان في الكواكب الشبيهة بالأرض والتي تدور حول نجوم شبيهة بالشمس.”

نُشر بحث الفريق في 22 نوفمبر في المجلة طبيعة.