غول های گازی

غول گازی سیاره‌ای بزرگ است که بیشتر از هلیوم و هیدروژن تشکیل شده. این سیارات، مانند مشتری و زحل در منظومه‌ی شمسی، سطوح سختی ندارند و در عوض دارای گازهای چرخان در بالای یک هسته جامدند. این سیارات به این دلیل که از سیارات سنگی  بسیار بزرگتر و از جنس گاز هستند، غول‌های گازی نامگذاری شده‌ا اند.

سیارات فراخورشیدی غول‌پیکر گازی (سیارات گازی خارج از منظومه‌ی شمسی) می‌توانند بسیار بزرگ‌تر از مشتری، و بسیار نزدیک‌تر از آن چیزی که در منظومه‌ی شمسیِ ما یافت می‌شود، به ستاره‌هایشان نزدیک باشند. در بخش اعظم تاریخ بشر، درک ما از چگونگی شکل‌گیری و تکامل سیارات بر اساس هشت سیاره در منظومه شمسی بود. اما طی 25 سال گذشته، کشف بیش از 4000 سیاره فراخورشیدی یا سیاره خارج از منظومه‌ی شمسی، همه‌ی پیش‌فرض‌ها را تغییر داد.

شکل1- غول‌های گازی منظومه‌ی ما: چرا به آنها غول گازی می‌گویند؟ به نسبت اندازه‌ی آنها با سیاره‌ی زمین توجه کنید!

از راست به چپ: اورانوس(بالا)-زحل(پایین)- زمین(سیاره‌ی کوچک وسط تصویر)- نپتون( سیاره‌ی بالای زمین) و مشتری

غول‌های گازی فراخورشیدی که به ستاره‌ی مادر خود نزدیک‌ترند، اغلب «مشتری داغ» نامیده می‌شوند. تنوع بیشتری در این دسته بندی‌های گسترده وجود دارد؛ به عنوان مثال، مشتری‌های داغ جزو اولین انواع سیارات فراخورشیدی یافت شده بودند – غول‌های گازی مانند مشتری آنقدر نزدیک، گردِ ستاره‌های خود می‌چرخند که دمای آنها تا هزاران درجه (فارنهایت یا سانتیگراد) افزایش می‌یابد. این سیارات بزرگ چنان مدارهای فشرده‌ای را می‌سازند که باعث “تلو تلو خوردن” واضحی در حرکت ستاره‌های میزبان خود می‌شوند و آنها را به این طرف و آن طرف می‌کشند و باعث تغییری قابل اندازه‌گیری در طیف نور ستاره‌هایشان می‌شوند.

این موضوع، تشخیص مشتری داغ را در روزهای اولیه‌ی شکار سیاره با استفاده از روش سرعت شعاعی( نرخ تغییر فاصله‌ی یک جسم از ناظر) آسان‌تر کرد. برخی از غول‌های گازی از نظر اندازه مشابه مشتری هستند، این سیارات گازی در مداری بسیار نزدیک به ستارگان مادر خود و در مدت تنها 18 ساعت به دور آنها می‌چرخند.

البته مشاهدات نشان داده است که غول‌های گازی از یک حد مشخص نمی‌توانند به ستاره‌ی خود نزدیکتر شوند.

در منظومه شمسی، نزدیکترین سیارات به خورشید سنگی اند و در فاصله‌ی دورتری نسبت به ستاره‌ی میزبان خود قرار دارند و ما مانند آنها را  در منظومه‌ی خود نداریم.

شکل 2- تمثیلی از مشتری‌های داغ. این نوع غول‌های گازی بسیار به ستاره‌ی مادر خود نزدیکند.

در مورد مشتری‌های داغ پرسش‌های زیادی وجود دارد؛ به طور مثال: آیا آنها از ابتدا در نزدیکی ستارگانشان تشکیل می‌شوند؟ و یا پس از تولد، مهاجرت کرده و تغییر مکان می‌دهند؟ آیا در این صورت، با این الگو می‌توانند راز تشکیل و منشاء منظومه‌ی شمسی ما را هم برملا کنند؟

برای یافتن پاسخ به این پرسش‌ها، دانشمندان باید بسیاری از این غول‌های داغ را در ابتدای شکل‌گیری‌شان بررسی کنند.

کشف سیاره فراخورشیدی HIP 67522 b، که گمان می‌رود جوان‌ترین مشتری داغی است که تاکنون (در ژوئن 2020) پیدا شده ، می‌تواند درک ما را  در این رابطه گسترش دهد.

شکل3- جوان‌ترین مشتری داغ؛ HIP 67522 b

این سیاره به دور ستاره‌ای می‌چرخد که حدود 17 میلیون سال سن دارد، یعنی این مشتری داغ احتمالاً تنها چند میلیون سال جوان‌تر از ستاره‌ی میزبانش است، درحالی که بیشتر مشتری‌های داغ شناخته‌شده بیش از یک میلیارد سال سن دارند.

حدود هفت روز طول می‌کشد تا این سیاره به دور ستاره‌ی خود که جرمی مشابه جرم خورشید ما دارد، بچرخد. HIP 67522 b که تنها حدود 490 سال نوری از زمین فاصله دارد، تقریباً 10 برابر قطر زمین ( حدوداً هم‌اندازه با مشتری)  است. اندازه‌ی این سیاره نیز می‌تواند مهر تأییدی بر گازی بودنش باشد.. این کشف امیدی‌ست برای یافتن مشتری‌های داغ جوان و یادگیری بیشتر در مورد چگونگی شکل‌گیری سیارات در سراسر جهان.

مهاجرت غول‌های گازی

 سه فرضیه‌ی اصلی وجود دارد که چگونه مشتری‌های داغ به ستاره‌های مادر خود نزدیک می‌شوند.

اول اینکه این سیارات از همان ابتدا در همان‌ مکان شکل می‌گیرند و سر جای خود می‌مانند. اما تصور اینکه سیارات تحت چنان شرایط دشواری تشکیل شوند، سخت است.

نه تنها گرمای سوزان بیشتر مواد را تبخیر می‌کند، بلکه ستارگان جوان اغلب با انفجارهای عظیم و فوران بادهای ستاره‌ای که در آنها رخ می‌دهد، سیارات در حال ظهور را به طور بالقوه پراکنده می‌سازند؛ به این ترتیب، احتمال بیشتری وجود دارد که غول‌های گازی دورتر از ستاره‌ی مادر خود رشد و از مرزی به نام «خط برف» عبور کنند( خط برف مکانی‌ست که برای تشکیل یخ و سایر مواد جامد به اندازه‌ی کافی خنک است. خطوط برف در اطراف ستارگان جوان در مناطق دورتر و سردترِ صفحاتی که سیستم‌های ستاره‌ای در آن شکل گرفته‌اند، ایجاد می‌شوند.)

سیارات مشتری مانند تقریباً به طور کامل از گاز تشکیل شده اند، اما دارای هسته‌های جامد هستند. برای هسته‌ها شکل‌گیری در آن طرف خط برف آسان‌تر است؛ چراکه مواد منجمد می‌توانند مانند یک گلوله برفی در حال رشد به هم بچسبند.

شکل 4- خط برف ثبت شده اطراف یک ستاره‌ی جوان

طبق دو فرضیه‌ی دیگر، مشتری‌‌های داغ در مکانی دورتر از ستاره‌ی مادر خود شکل گرفته‌اند، سپس به ستاره‌شان نزدیک می‌گردند؛ اما علت و زمان این مهاجرت چه می‌تواند باشد؟

یک ایده بیان می‌دارد که  احتمالا مشتری‌های داغ سفر خود را در اوایل شکل‌گیری منظومه‌ی سیاره‌ای آغاز می‌کنند در حالی که ستاره هنوز توسط قرص گاز و غباری که هم خود و هم سیاره از آن تشکیل شده اند، احاطه شده است. در این سناریو، گرانش دیسکِ در تعامل با جرم سیاره می‌تواند مدار غول گازی را قطع کرده و باعث مهاجرت آن به سمت داخل منظومه شود.

فرضیه‌ی سوم معتقد است مشتری‌های داغ دیرتر به ستاره‌ی مادر نزدیک می‌شوند؛ یعنی همان زمانی که گرانش سیارات دیگرِ اطراف ستاره می‌تواند مهاجرت غول‌های گازی را تحریک کند. البته اینکه   HIP 67522 bخیلی زود پس از شکل‌گیری‌اش به ستاره‌ی مادر خود نزدیک شده است، نشان می‌دهد که این فرضیه احتمالا در مورد این سیاره صدق نمی‌کند. اما تنها یک مشتری داغ برای تصمیم‌گیری درمورد چگونگی شکل‌گیری همه‌ی این نوع سیارات، کافی نیست.

در سال 2007، ستاره شناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا به شواهدی دست پیدا کردند که نشان می‌دهد غول‌های گازی به سرعت، در 10 میلیون سال اول زندگیِ یک ستاره مشابه خورشید شکل می‌گیرند. غول‌های گازی می‌توانند از دیسک‌های غنی از گازی که ستاره‌ای جوان را احاطه کرده است، متولد شوند. هسته‌ای که در اثر برخورد بین سیارک‌ها و دنباله‌دارها ایجاد می‌شود، یک دانه ایجاد می‌کند، و زمانی که این هسته به جرم کافی برسد، کشش گرانشی آن به سرعت گاز را از دیسک جذب می‌کند تا سیاره را تشکیل دهد.

دانشمندان با استفاده از اسپیتزر و تلسکوپ‌های زمینی به دنبال ردی از گاز در اطراف 15 ستاره مختلف مشابه خورشید بودند که سن اکثر آنها بین 3 تا 30 میلیون سال است. آنها با کمک ابزار طیف‌سنج فروسرخ اسپیتزر توانستند گاز نسبتاً گرمی را در نواحی داخلی این منظومه‌های ستاره‌ای جستجو کنند( منطقه‌ای مطابق ناحیه‌ی بین زمین و مشتری در منظومه‌ی خودمان). آنها همچنین ازتلسکوپ‌های رادیویی زمینی برای جستجوی گاز خنک‌تر در مناطق بیرونی این سیستم‌ها استفاده کردند( منطقه‌ای مطابق نواحی اطراف زحل وفراتر از آن در منظومه‌ی ما).

همه ستارگان مورد مطالعه، از جمله ستارگان چند میلیون ساله، کمتر از 10 درصد از جرم سیاره‌ی مشتری را در گازی دارند که در اطراف آنها می چرخد. این نشان می دهد که سیارات غول پیکر گازی مانند مشتری و زحل قبلاً  در همین سیستم سیاره‌ای جوان تشکیل شده اند.

منابع

https://exoplanets.nasa.gov/what-is-an-exoplanet/planet-types/gas-giant/

http://spiff.rit.edu/classes/phys106/lectures/gas_giants/gas_giants.html

https://www.spitzer.caltech.edu/image/ssc2020-12a-hip-67522-b-the-youngest-known-hot-jupiter

https://www.space.com/21473-alien-planets-migration-hot-jupiters.html

https://exoplanets.nasa.gov/news/1367/space-snow-visible-in-bright-baby-solar-system/

نویسنده: فروغ موسوی فرد