يمكن القول إن أحد الجوانب الأكثر إرباكًا في نظامنا الشمسي هو حقيقة أنه ليس كل كوكب عبارة عن صخرة صلبة وجميلة مثل الأرض. بعضها حرفيًا، بالكامل تقريبًا، مصنوع من الغاز. لا يمكنك “الوقوف” تمامًا في أي مكان على كوكب المشتري، إلا إذا تمكنت من السقوط على طول الطريق عبر طبقاته الغازية والنجاة من قدر غير حقيقي من الضغط قبل أن تشق طريقك إلى قلب العالم الصخري المحتمل ذو الخطوط البرتقالية. هذا لا يبدو مثاليا.
حتى منشئو ألعاب فيديو الخيال العلمي يواجهون أحيانًا صعوبة في تصوير ما سيكون عليه الأمر عند اجتياز أحد هذه العوالم. أول شيء حاولت القيام به بعد حصولي على بعض الحرية في لعبة Xbox ستارفيلد كانت تهبط سفينتي على محاكاتها نبتون، فقط لمعرفة ما سيحدث. اللعبة لن تسمح بذلك. وغني عن القول أن لغز الأجرام السماوية الغازية الضخمة يثير اهتمام العلماء أيضًا. والآن بعد أن أصبح لديهم تلسكوب جيمس ويب الفضائيعيون الأشعة تحت الحمراء القوية بشكل لا يصدق المتاحة، إنهم يضعون الأداة المحمولة في الفضاء على العلبة.
في الأسبوع الماضي فقط، أعلن أحد الفرق أنه قد يكون لديه بعض التحديثات حول ديناميكيات تكوين الغاز العملاق، وذلك بفضل تلسكوب جيمس ويب الفضائي. وبشكل أكثر تحديدًا، يقول الباحثون إنهم بدأوا في إحراز تقدم في الإجابة على سؤال حول المدة التي من المحتمل أن تتشكل فيها عمالقة الغاز حول نجومهم المضيفة قبل أن يتلاشى كل الغاز المحيط بتلك النجوم.
الإجابة المختصرة هي أنها ليست طويلة جدًا، لكن القصة الكاملة أكثر دقة بكثير.
متعلق ب: يكشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي كيف أن الانفجارات الإشعاعية النجمية تعيق ولادة الكوكب
استخدم الفريق تلسكوب جيمس ويب الفضائي لاستكشاف ما يُعرف (بشكل مربك بعض الشيء) باسم “رياح القرص”. هذا لا يشير حقًا إلى الريح كما قد تتخيل. بل يشير إلى عملية ترك الغاز لقرص حول النجم. سيكون هذا “القرص” مليئًا بأنواع مختلفة من المواد مع إمكانية ظهور الكواكب. ومن ثم يُعرف باسم “القرص الكوكبي الأولي”.
قال نامان باجاج Naman Bajaj، المؤلف الرئيسي لتحليل الرياح القرصية الجديد والعالم في مختبر علوم القمر والكواكب بجامعة أريزونا، لموقع Space.com: “كنا نعلم أنها موجودة وأنها قد تلعب دورًا مهمًا في تطور القرص”. “ما لم نكن نعرفه هو الفيزياء الأساسية، وبالتالي مقدار الكتلة المفقودة. وهذه هي المفتاح للإجابة على جميع أسئلتنا حول تأثيرها.”
سيحتوي مثل هذا القرص أيضًا على حطام غير غازي، مثل الغبار الذي يمكن أن يتجمع مع مرور الوقت لتكوين كواكب صخرية. هذه في الواقع هي الطريقة التي يُعتقد أن الأرض تشكلت بها في يوم من الأيام.
وقال باجاج: “بالنسبة للاسم، لا أستطيع إلا أن أشك في أن ذلك بسبب سرعته البطيئة”. ويوضح أن قرص الرياح الذي درسه الفريق يبدو أنه يتحرك بمعدل يتراوح بين 10 إلى 15 كيلومترًا (6 إلى 9 أميال) في الثانية. من ناحية أخرى، يُشار عادةً إلى أنماط الغاز سريعة الحركة باسم “النفاثات”. يمكن أن تتباهى بسرعات تزيد عن 100 كيلومتر (62 ميلاً) في الثانية.
على الرغم من أن باجاج وزملائه الباحثين لم يتوصلوا إلى إجابة نهائية ومؤكدة حول المدة التي قد تحتاجها الكواكب الغازية للتشكل قبل أن ينضب غاز قرص الكواكب الأولية بالكامل، إلا أنه قدم ملعبًا بناءً على حساباته. ويقدر قائلاً: “بالنظر إلى كتلة الغاز في هذا القرص، وبافتراض أن الغاز سيستمر في الخروج بهذا المعدل الثابت الذي نجده – حوالي كتلة قمر واحدة كل عام – فإن الأمر سيستغرق حوالي 100 ألف عام”.
نعم، هذا يبدو وكأنه وقت طويل (طويل). ولكن، كما أكد باجاج، فهو نطاق زمني قصير للغاية من الناحية الفلكية: “يعيش القرص الكوكبي الأولي لمدة تتراوح بين خمسة إلى 10 ملايين سنة!”
كيفية العثور على قرص الفضاء
الخطوة الأولى في معالجة حركات قرص الرياح هي ببساطة العثور على موضوع قرص الرياح. وللعثور على جسم قرص الرياح، عليك بالطبع العثور على قرص كوكبي أولي.
لن يصلح نظامنا الشمسي لهذا النوع من التحليل، لأن جميع كواكبنا كاملة، بما في ذلك الكواكب الغازية. وهكذا، انتهى الأمر بأن يكون هدف الرياح القرصية للفريق مرتبطًا بالقرص المحيط بنجم شاب منخفض الكتلة يُدعى T Cha. بصراحة، هذا نجم مثير للاهتمام للغاية في حد ذاته. الجسم المتلألئ الذي يكمن حوله 350 سنة ضوئية من الأرض، ومن المعروف أن لديه فجوة غبار كبيرة في قرصه. فجوة الغبار هذه هي بالضبط ما تبدو عليه.
وقال باجاج: “يُعتقد أن هذه الفجوات قد تكونت بسبب الكواكب لأنها تستهلك كل المواد التي تعترض طريقها أثناء دورانها حول النجم”.
ولذلك، فإن مثل هذه الفجوة تشير إلى أن النجم لديه بالفعل كواكب ناشئة حوله و قديم بما فيه الكفاية بحيث كان لدى تلك العوالم الناشئة الوقت الكافي لأكل بعض القرص نفسه. وقال باجاج “نحن نسمي هذه أيضا المرحلة الانتقالية”. “إنه ينتقل من قرص كوكبي أولي إلى هيكل يشبه النظام الشمسي أكثر.” علاوة على ذلك، أوضح باجاج أن الملاحظات الأرضية السابقة أشارت إلى وجود نيون في القرص، وهو ما يشير بشكل أساسي إلى كيفية خروج غاز القرص ببطء. المزيد عن ذلك قريبا.
لذلك كان موضوع القرص الممتاز في متناول اليد. وكانت الخطوة التالية هي البدء في إجراء بعض الملاحظات لمعرفة ما يحدث حول T Cha.
لقد حان الوقت لتتبع بعض النيون.
النبل الغازي
النيون هو غاز نبيل، وهو فئة من العناصر ممثلة بذرات ذات أغلفة إلكترونية خارجية مملوءة بالكامل، أو أغلفة التكافؤ. ببساطة، بسبب ميزة غلاف التكافؤ هذه، تكون هذه الغازات غير متفاعلة على الإطلاق. ومع ذلك، لا يزال من الممكن لهم أن يفقدوا أحد تلك الإلكترونات الخارجية إذا تعرضوا لدرجة حرارة عالية بما فيه الكفاية. إذا حدث ذلك، فسيصبح الغاز “متأينًا” أو مشحونًا كهربائيًا.
ونظرًا لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة، فإن فقدان إحداها يجعل الذرة المحايدة سابقًا أكثر إيجابية قليلًا. وبالمثل، فإن الحصول على إلكترون إضافي سيجعل الذرة المحايدة سابقًا أكثر سلبية قليلًا. ولكن الأهم بالنسبة لعلماء الفلك هو أنه عندما يحدث التأين بهذه الطريقة في مكان ما في الكون، يتم ترك توقيع يمكن تتبعه بواسطة أجهزتهم. وهذا يشمل تلسكوب جيمس ويب الفضائي.
وكما يوضح باجاج، فإن توقيع النيون خاص بشكل خاص لتتبع رياح القرص.
أولاً، من المرجح أن توجد بعض الغازات في أقراص الكواكب الأولية. النيون خفيف الوزن هو واحد منهم. وأوضح باجاج: “بالنسبة للغازات النبيلة الأثقل، فإن وفرتها منخفضة للغاية، لذلك لن نراها”.
ثانيًا، يحدث التأين بشكل مختلف بالنسبة للعناصر المختلفة. في بعض الأحيان، يجب أن تكون هناك درجة حرارة عالية جدًا لطرد الإلكترون من الذرة؛ وفي أحيان أخرى، تخرج الإلكترونات عن طيب خاطر وتفعل ذلك عند درجات حرارة أقل.
“الهيليوم، وهو أكثر وفرة من أي منها [noble gases]قال باجاج: “يتطلب درجة حرارة أعلى بكثير حتى يتأين”.
ومع ذلك، من ناحية أخرى، سيطلق النيون إلكترونًا في ظل متطلبات درجة حرارة أكثر تواضعًا، ولهذا السبب بحث الفريق عن خطوط انبعاث نيون على وجه التحديد لمعرفة كيفية تطور الغاز داخل القرص الكوكبي الأولي T Cha. باختصار، وجدوا اثنين.
“عندما رأينا الطيف للمرة الأولى – الأسبوع الأول من دراستي العليا – رأينا أن كلا خطي النيون كانا مزدهرين!” علق باجاج قائلاً، مضيفًا أن أحد هذه الخطوط لم يسبق رؤيته من قبل حول تي تشا. “لقد اكتشفنا أن النيون يأتي من مسافة بعيدة عن النجم من خلال النظر إليه باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي.”
وقال باجاج: “لقد أمضيت عدة أشهر محاولاً أن أعرف من خلال الصور ما إذا كان بإمكاننا رؤية بنية انبعاث النيون؛ كان الأمر صعبًا للغاية”. وأوضح أن الأمر استغرق حوالي ثمانية أشهر قبل أن يتمكن من التأكد من خلال صور تلسكوب جيمس ويب الفضائي أن الهيكل كان موجودًا بالفعل.
ولكن هذا ليس كل شيء. كانت هناك مفاجأة.
وقال باجاج إنه إلى جانب خطوط النيون، عثر الفريق على خط أرجون قوي للغاية. على الرغم من أن خط الأرجون مثل هذا قد شوهد في عدد قليل من أقراص الكواكب الأولية من قبل، إلا أنه لم يظهر أي منها بهذه القوة.
ثم كان هناك آخر مفاجأة.
وقال باجاج: “لقد اعتقدنا دائمًا أن لدينا خطين لانبعاث النيون وخطًا واحدًا لانبعاث الأرجون، ولكن في أحد الأيام كنت أفحص الطيف ووجدت أن لدينا خطًا آخر للأرجون”. “كان هذا أضعف بكثير من كل الآخرين، لذلك فاتنا ذلك لبعض الوقت.”
“لقد أدركنا أن هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها هذا الخط في أي قرص كوكبي أولي!” أضاف. “اعتقد بعض كبار الباحثين أنه لن يكون من الممكن أبدًا القيام بذلك، ولكن مع بعض الاختبارات الأكثر صرامة لبضعة أشهر، أكدنا أننا فعلنا ذلك”.
أين نذهب من هنا؟
إحدى النقاط الرئيسية التي كررها باجاج هي أن النتيجة الجديدة للفريق هي في الواقع خطوة صغيرة، وإن كانت حاسمة، في المسيرة الكبرى لفهم المزيد عن الطبيعة المذهلة للكواكب الغازية. من أين تأتي هذه الكرات الغازية الغريبة؟ يبدو من الصعب جدًا التعامل مع هندستها المعمارية.
لا يقتصر الأمر على أن العمل الجديد يعزز العديد من الملاحظات السابقة التي أجريت في هذا المجال (وبعضها كان كذلك). بقيادة المؤلفين المشاركين باجاج، في الواقع) ولكنه أيضًا يفتح الباب أمام مجموعة واسعة من الدراسات المستقبلية الرائعة. مع وجود تفاصيل الرياح القرصية هذه، على سبيل المثال، قام أندرو سيليك، المؤلف المشارك للدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ليدن في هولندا، بتجميع ورقة بحثية لاحقة توضح عمليات المحاكاة التي تشير إلى أن عملية الرياح القرصية مدفوعة بشيء ما يسمى التبخر الضوئي.
وعلى الرغم من مخاطر التبسيط المفرط، يشير التبخر الضوئي في هذه الحالة إلى الطاقة الصادرة عن النجم، والتي تقوم بتسخين الغاز في القرص المحيط به، مما يجبر هذا الغاز على الانتشار في الفضاء. وقال باجاج: “يشبه إلى حد كبير الطريقة التي يتبخر بها الماء على الأرض”. لقد تم قبول ورقة سيليك مؤخرًا للنشر في المجلة الفلكية؛ الطباعة المسبقة متاحة للعرض هنا فقط.
حسنًا، ربما أكون متأملًا قليلاً في هذه المرحلة، لكن بعد التعمق في ديناميكيات الرياح القرصية، لا يسعني إلا أن أفكر في مدى إرضاء الموضوع. يبدو الأمر كما لو أن القطع ببساطة تقع في مكانها.
على سبيل المثال، بسبب الطريقة التي يبدو بها الغاز وكأنه يخرج من قرص الكواكب الأولية، فمن الصحيح أنه بمجرد اختفاء الغاز، يمكن فقط للكواكب الصخرية أن تتشكل. ومن المرجح أيضًا أن تظهر عوالم الغاز، وخاصة عمالقة الغاز، في المناطق الخارجية للنظام الكوكبي. تميل إلى أن تكون هناك كتلة أكثر عمومية في المناطق الخارجية لقرص الكواكب الأولية، مما يؤدي إلى ظهور كواكب أكثر ضخامة ككل – والتي قد تشمل عمالقة الغاز الشبيهة بالمشتري. بالإضافة إلى ذلك، فإن النجوم المضيفين أنفسهم لهم رأي في هذا الشأن.
قصص ذات الصلة:
– اكتشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي أدلة حول كيفية تشكل الأرض منذ مليارات السنين
– كيف شكلت التأثيرات العملاقة تكوين كواكب النظام الشمسي
– يمكن للكواكب أن تتشكل بشكل أسرع بكثير مما كان يعتقد، كما تشير صور تلسكوب ALMA الجديدة
“الكواكب الصخرية القريبة جدًا من النجم سيكون لها غلاف جوي قليل جدًا أو لا تحتوي على أي غلاف جوي [like Mercury]وقال باجاج: “سوف يتم تجريده بعيدًا بواسطة فوتونات الشمس عالية الطاقة – على غرار التبخر الضوئي”. “بالنسبة للعمالقة الغازية، إذا تشكلت بالقرب من النجم، فمن الممكن أن تجد توازنًا بين غازها و طاقة الشمس.”
وأخيرًا، على الرغم من أنه من المبتذل جدًا أن نقول في هذه المرحلة، فإن كل هذا هو شهادة على مدى ثورة تلسكوب جيمس ويب الفضائي في فهمنا للكون. من المؤكد أن حساسيته للأشعة تحت الحمراء هائلة، لكن الكثير من اكتشافاته تدين بمجموعة الأعمال المتاحة بالفعل للبناء عليها – مكتبة الأوراق التي تساعد العلماء على تحديد المكان الذي يجب أن يبحث فيه تلسكوب جيمس ويب الفضائي على وجه التحديد.
وقال باجاج: “إننا نقف حقاً على أكتاف العمالقة، والتلسكوبات العملاقة”.
نُشرت الدراسة في 4 مارس في مجلة The Astronomical Journal.