استخدم العلماء أدوات JWST “خاطئة” عن قصد لالتقاط الصور المباشرة للكواكب الخارجية

عند الشراء من خلال روابط على مقالاتنا ، قد يكسب المستقبل وشركاء المشاركة في العمولة.

في الأسبوع الماضي ، كشف علماء الفلك عن صور جديدة مثيرة للكواكب في HR 8799 و 51 Eridani Star Systems – وكان كل ذلك بفضل الاستخدام الإبداعي لتلسكوب جيمس ويب للفضاء (JWST).

وليام بالمر ، دكتوراه تحدث مرشح في جامعة جونز هوبكنز ومؤلف الدراسة ، إلى Space.com حول كيفية التقاط الصور من خلال تلسكوب جيمس ويب للفضاء ، ولماذا تمثل هذه النتائج قفزة كبيرة إلى الأمام في فهمنا للكواكب الخارجية ، وكيف تتشكل والبحث عن الحياة خارج الأرض.

“إن التصوير المباشر أمر بالغ الأهمية لدراسة الكواكب البعيدة لأنه يخبرنا بمعظم المعلومات حول بنية وتكوين أجواءها ، بغض النظر عن الضوء من النجم المضيف” ، أوضح بالمر.

يمثل التصوير المباشر للكواكب البعيدة تحديًا كبيرًا بسبب عدة عوامل. في المقدمة ، تواجه التلسكوبات صعوبة في تمييز الضوء الخافت عن كوكب من الضوء الأكثر إشراقًا المنبعث من النجم المضيف. يمكن أن يطغى وهج النجم على أي إشارات قادمة من هذا الكوكب ، مما يجعل من الصعب دراسة الغلاف الجوي في العالم بالتفصيل. هذا أيضًا لا يساعده حقيقة أن معظم الكواكب الخارجية بعيدة بشكل لا يصدق عنا ، مما يحد من القدرة على التقاط صور واضحة لها.

إليكم المكان الذي يأتي فيه تلسكوب جيمس ويب للفضاء. تسمح تقنيتها المتقدمة ، بما في ذلك المرآة الكبيرة ومجموعة من الأدوات المتخصصة ، باكتشاف الانبعاثات الخافتة للغاية القادمة من الكواكب الخارجية التي تدور حولها في نطاق منتصف الأشعة تحت الحمراء من الأطياف الكهرومغناطيسية-وقد فتحت هذه الإمكانية حدودًا جديدة في أبحاث خو keplanet.

وقال بالمر: “إن الغازات المختلفة في ضغوط ودرجات حرارة مختلفة في جو الكوكب سوف تمتص أو تنبعث من ضوء الأطوال الموجية المحددة ، ويمكننا استخدام هذه المطبوعات الكيميائية على الضوء لنمذجة مع وضوح متزايد ليس فقط ما هي الكواكب المصنوعة من ، ولكن كيف قد تكونوا على أساس ما تم صنعه منه”.

اتخذ بالمر وزملاؤه هذه الخطوة إلى الأمام من خلال التقاط صور مبتكرة من الكواكب الخارجية في HR 8799 و 51 Eridani – وفعلوا ذلك باستخدام CORONACHES JWST بطريقة غير تقليدية.

“أحب أن أنزح أننا في هذه الورقة ، استخدمنا خاطئًا ، لكن ما فعلناه حقًا هو استخدام جزء رقيق جدًا من قناع Coronagraph ، مما سمح لمزيد من ضوء النجوم بالانتعاش أو التسرب حول حواف Coronagraph” ، أوضح بالمر.

Coronagraphs ، التي تم تطويرها لأول مرة في عام 1930 لدراسة Corona's Corona ، تعمل عن طريق منع ضوء النجوم للكشف عن الأشياء المحيطة باهتة. على JWST ، فإنها تتيح التصوير العالي التباين من الكواكب الخارجية في النطاق القريب إلى منتصف الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي. ومع ذلك ، إذا حظرت Coronagraph الكثير من الضوء ، فإنها يمكن أن تحجب ليس فقط النجم ولكن أيضًا الكواكب القريبة.

لمعالجة هذا ، قام فريق Balmer بتعديل أقنعة Coronagraph من JWST ، حيث تم ضبط حجم النجوم لزيادة الرؤية الكوكبية.

“اعتمدنا على استقرار JWST ، [first] مراقبة أهدافنا [and then imaging] قال بالمر: “من خلال طرح هذه الصور المرجعية من الصور المستهدفة ، قام الفريق بإزالة ضوء النجمة ، وعزل الإشارات الخافتة من الكواكب من خلال طرح هذه الصور المرجعية من الصور المستهدفة ، قام الفريق بإزالة ضوء النجمة ، وعزل الإشارات الخافتة من الكواكب.

“لأن [the JWST] مستقر للغاية ، والاختلافات بين المرجع والصور المستهدفة أصغر من الضوء من الكواكب المحيطة بأهدافنا [allowing us to detect them more clearly]، “أضاف بالمر.

هذه الدراسة ملحوظة أيضًا لإنتاج أول صورة على الإطلاق لـ HR 8799 عند 4.6 ميكرون ، وهو طول موجي في نطاق منتصف الأشعة تحت الحمراء. هذا إنجاز مهم ، حيث يمتص الغلاف الجوي للأرض الكثير من الضوء في هذا الطول الموجي ، مما يجعل الملاحظات الأرضية في النطاق مستحيلًا تقريبًا.

“إن جو الأرض لا يحتوي إلا على نافذة قصيرة من الشفافية عند 4.6 ميكرون” ، أوضح بالمر. “لقد حاولت الملاحظات البرية السابقة تصوير HR 8799 E في هذه الأطوال الموجية وفشلت. بعض التلسكوبات الأرضية لها مرايا أكبر من JWST ، لكن نجاحنا يسلط الضوء على مدى أهمية استقرار JWST في هذه الأنواع من اكتشافات.”

ولكن أكثر إثارة بالنسبة للفريق كانت قدرة JWST على مراقبة 4.3 ميكرون – الأطوال الموجية محجوبة تمامًا من الغلاف الجوي للأرض.

وقال بالمر: “إن الطول الموجي الأكثر إثارة الذي تمكنا من الوصول إليه مع JWST هو 4.3 ميكرون ، حيث لم يتم ملاحظة أي من هذه الكواكب من قبل”. “بما أن جو الأرض لديه الكثير من ثاني أكسيد الكربون ، [it] يمنع كمية كبيرة من الضوء في هذا الطول الموجي. “

ميزة JWST هنا هي أنها موجودة خارج الغلاف الجوي للأرض ، على بعد حوالي مليون ميل (1.5 مليون كيلومتر) بعيدًا عن كوكبنا في الفضاء.

تكشف مستويات ثاني أكسيد الكربون عن تفاصيل أساسية حول تكوين الكوكب. في جو كوكبي ، يوجد كلا من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون ، لكن توازنها يعتمد على كمية الأكسجين المتاحة. نظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون يحتوي على المزيد من الأكسجين من أول أكسيد الكربون ، فمن المحتمل أن يكون للكوكب الذي يحتوي على مستويات عالية من ثاني أكسيد الكربون وفرة أعلى من العناصر “الثقيلة” مثل الكربون والأكسجين والمغنيسيوم والحديد. هذه العناصر تأتي من المواد التي شكلت في الأصل الكوكب.

وقال بالمر: “نظرًا لأن قوة ميزة ثاني أكسيد الكربون في أجواء HR 8799 للكواكب قوية للغاية ، فنحن واثقون إلى حد ما من أن لديهم جزءًا أكبر من العناصر الثقيلة مقارنةً بالنجم المضيف ، مما يعني أنه يتعين عليهم جمع تلك العناصر الثقيلة من مكان ما”.

التفسير الأكثر ترجيحًا هو أن هذه الكواكب التي تشكلت من خلال عملية تسمى التراكم الأساسي – حيث نمت النوى الصخرية والجليدية بدرجة كافية لالتقاط أجواء سميكة من الهيدروجين والغازات الأخرى مع ثقلها.

كشفت ملاحظات الدراسة أيضًا عن تنوع غير متوقع في “ألوان” الكواكب الداخلية لنظام HR 8799. وقال بالمر: “الاختلافات بين كواكب الموارد البشرية 8799 مثيرة للاهتمام للغاية لأن هذه الكواكب كانت في السابق تبدو متشابهة نسبيًا في الأشعة تحت الحمراء” ، مشيرًا إلى هذا مثال. “إن منتصف الأشعة تحت الحمراء يضعنا في جزيئات مختلفة ، لذلك قد تكون الألوان المختلفة للكواكب في صورنا بسبب الاختلافات في الخلط العمودي أو التكوين.”

على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي الخلط الرأسي ، وهو عملية الغازات التي تتحرك لأعلى ولأسفل إلى جو الكوكب ، إلى أن تنتهي الجزيئات في الأماكن التي قد لا يتوقعها العلماء.

وقال بالمر: “على سبيل المثال ، استنادًا إلى درجات حرارة الكواكب 8799 ، يجب أن يكون لديهم الكثير من الميثان في أجواءها العليا ، وبالتالي يجب أن نرى ميزات امتصاص الميثان الكبيرة”. “بدلاً من ذلك ، نرى القليل جدًا من الميثان ، وأول أكسيد الكربون أكثر بكثير. وذلك لأن الخلط الرأسي قد تحرك غازًا دافئًا وغنيًا من الطبقات الأعمق في الغلاف الجوي في الطبقات الخارجية ، حيث تنافس” الميثان “الذي يجب أن يكون هناك.”

قد تكون عملية في الغلاف الجوي مماثلة في 51 Eridani B ، حيث يشير اكتشاف JWST عند 4.1 ميكرون إلى كيمياء الكربون خارج التوازن. هذا الكوكب أخرق كثيرًا مما كان متوقعًا ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى مستويات عالية من ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون في الغلاف الجوي العلوي. “يشير هذا إلى أن الكوكب غني على الأرجح ، مثل HR 8799 ، ولكن بشكل خاص أن أول أكسيد الكربون والكربون الغاز الغني من أجواء الكوكب السفلية يتم إقناعه في الغلاف الجوي العلوي ، حيث يمتصون المزيد من الضوء الصادر.”

عملية مماثلة ، للسياق ، تحدث أيضا على الأرض.

– يرى تلسكوب جيمس ويب للفضاء أربعة كواكب غريبة عملاقة تدور حول النجمة القريبة (الصور)

– عثر هذا الفلك على نجمة إضافية متستر في بيانات تلسكوب جيمس ويب للفضاء

– يبحث تلسكوب جيمس ويب للفضاء في أصول “النجوم الفاشلة” في سديم اللهب

تأمل بالمر أن تحسن النماذج المستقبلية من كيفية حسابها على السحب والخلط الرأسي ، مما يسمح بتفسير أفضل للبيانات عالية الدقة. حصل فريقهم على 23 ساعة أخرى من وقت JWST لدراسة أربعة أنظمة كوكبية إضافية ، بهدف تحديد ما إذا كانت عمالقة الغاز تتشكل من خلال التراكم الأساسي. يمكن أن يكشف فهم هذه العملية كيف تؤثر الكواكب العملاقة على استقرار وعقار العوالم الأرضية الأصغر غير المرئية.