جرم سیاره‌ی فرازمینی کپلر-۱۳۸ب

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 29 ژوئن 2015

یکی از موضوعات جذاب نجومی، مطالعه‌ی سیارات فرازمینی است. مأموریت کپلر تاکنون موفق به کشف چند هزار سیاره‌ی فرازمینی گذرا^(۱) شده است که محدوده‌ی جرمی وسیعی دارند. با این وجود، تنها جرم دسته‌ی کوچکی از این سیارات به دقت اندازه‌گیری شده است. برای اندازه‌گیری جرم سیارات فرازمینی از دو روش طیف‌سنجی سرعت شعاعی و اندازه‌گیری زمان گذر سیارات استفاده می‌شود. در روش دوم، اختلالات گرانشی بین سیارات در سیستم‌های چندسیاره‌ای با اندازه‌گیری دقیق زمان‌های گذر و سپس برازش مدل‌های دینامیکی بر تغییرات زمانی گذر مشاهده‌شده، بررسی می‌شوند. از هر کدام از این روش‌ها برای بررسی جمعیت‌های مختلفی از سیارات فرازمینی استفاده می‌شود.

تکنیک طیف‌سنجی شعاعی، حرکت ستاره‌ی میزبان را که توسط نیروی گرانشی سیاره‌اش به وجود می‌آید، اندازه می‌گیرد. در نتیجه با افزایش فاصله‌ی مداری، مقدار سیگنال دریافتی کاهش می‌یابد. بیشتر سیاراتی که در داده‌های کپلر مشاهده‌ شده‌اند و جرم آن‌ها با این روش مشخص شده است، دوره‌تناوب مداری کوتاه‌تر از یک هفته‌ دارند. حتی آن‌هایی که به عنوان سیارات سنگی شناخته شده‌اند، دارای دوره‌تناوب کوتاه‌تر از یک روز هستند. در این میان، سیاره‌ی کپلر-۷۸ب کم‌جرم‌ترین سیاره‌ی کشف‌ شده است (۱/۷ برابر جرم زمین) که دوره‌ی تناوبش ۰/۳۵ روز است.

شکل ۱: تغییرات زمانی گذر سه سیاره‌ی کپلر-۱۳۸. در این شکل تفاوت‌های بین زمان‌های گذر اندازه‌گیری‌شده و برازش محاسبه‌شده بر زمان‌های گذر با رنگ سیاه نشان داده شده است. هم‌چنین تفاوت بین زمان‌های گذر شبیه‌سازی‌شده براساس بهترین برازش مدل دینامیکی و یکی برازش خطی بر زمان‌های گذر با رنگ خاکستری نمایش داده شده‌ است.

تکنیک زمان گذر، روش مکمل تکنیک طیف‌سنجی شعاعی است، زیرا این روش براساس اختلالات گرانشی بین سیاراتی است که به هم نزدیکند یا نزدیک تشدید مداری یکدیگرند. البته اکثر سیستم‌هایی که تاکنون با استفاده از این روش کشف شده‌اند، در حالت تشدید یا رزونانس مداری نیستند بلکه به اندازه‌ی کافی به تشدید نزدیکند که اختلالات گرانشیشان در عرض چندین دوره‌ی تناوب مداری همدوس هستند. سیارات کپلر که با استفاده از این روش کشف شده‌اند دوره‌ی تناوبی بین ۱۰ تا ۱۰۰ روز دارند. این سیارات عموما چگالی کمی دارند و به احتمال زیاد جو ضخیمی دارند (به استثنای سیاره‌ی کپلر-۳۶ب).

ستاره‌ی کپلر-۱۳۸ میزبان سه سیاره‌ی گذرا است. دوره‌ی تناوب این سه سیاره(b و c و d) به ترتیب تقریبا ۱۰، ۱۴، و ۲۳ روز است (سیاره‌ی b از همه به ستاره‌‌ی میزبان نزدیک‌تر است). شکل ۱ تغییرات زمانی گذر این سه سیاره را نشان می‌دهد. در این شکل تفاوت‌های بین زمان‌های گذر اندازه‌گیری‌شده و برازش محاسبه‌شده بر زمان‌های گذر نشان داده شده است. هم‌چنین تفاوت بین زمان‌های گذر شبیه‌سازی‌شده براساس بهترین برازش مدل دینامیکی و برازش خطی بر زمان‌های گذر نشان داده شده‌ است. پژوهش‌های گذشته نشان داده‌اند که سیاره‌ی کپلر-۱۳۸د چگالی بسیار کمی دارد و به احتمال زیاد لایه‌ی گازی هلیومی-هیدروژنی آن را احاطه کرده است. در پژوهش اخیر با استفاده از تمامی داده‌های موجود از مأموریت کپلر، تکنیک تغییرات زمانی گذر برای هرسه‌ سیاره‌ انجام و زمان‌های گذر آن‌ها به دقت اندازه‌گیری شده است. هم‌چنین با فرض این‌که ستاره‌ی میزبان تنها همین سه سیاره را دارد، جرم‌های هرسه سیاره اندازه‌گیری شده‌اند. سیاره‌ی کپلر-۱۳۸ب تقریبا هم‌اندازه‌ی مریخ است.

جدول ۱: پارامترهای سیاره‌ای و ستاره‌ای سیستم کپلر-۱۳۸. ستون سمت چپ، ویژگی‌های ستاره‌ای درنظرگرفته‌شده در این پژوهش را نشان می‌دهد. پنل سمت راست بالا، حل‌های پارامترها را که براساس مدل‌های دینامیکی در این مقاله به دست آمده را نشان می‌دهند. پنل سمت راست پایین ویژگی‌های فیزیکی سه سیاره را نشان می‌دهند.

نویسندگان این مقاله مدارهای این سه سیاره حول ستاره‌ی میزبان را محاسبه کرده و از آن‌جایی که هر سه سیاره، گذرا هستند، این مدارها را هم‌صفحه در نظر می‌گیرند. سیستم‌های چندسیاره‌ای کپلر عموما زوایای نسبی کوچکی دارند. با این حال محققان این پژوهش نشان می‌دهند که حتی با درنظرگرفتن زوایایی بین صفحات مداری سیاره‌ها، جرم‌های به‌دست‌آمده تغییر چندانی نمی‌کنند. پارامترهای مهم این مسئله، دوره‌ی تناوب مداری، زمان اولین گذر، مؤلفه‌های بردار خروج‌از‌مرکز مدار بیضوی و نسبت جرم سیاره به جرم ستاره هستند. نویسندگان این مقاله با استفاده از روش‌های شبیه‌سازی مونت‌کارلو، این پارامترها را تخمین می‌زنند. ویژگی‌های این ستاره و سیاراتش در جدول ۱ آمده است. جرم سیاره‌ی کپلر-۱۳۸ب به مقدار ۰/۰۶۶ برابر جرم زمین اندازه‌گیری شده است.

شکل ۲: نمودار جرم-شعاع سیاراتی که ویژگی‌هایشان به دقت بررسی شده است و شعاعی کوچک‌تر از ۲/۱ شعاع زمین دارند. خصوصیات سیارات فرازمینی که قبلا مشخص شده‌اند با رنگ خاکستری نمایش داده شده است. نقاط سیاه‌رنگ به ترتیب از چپ به راست عطارد، مریخ، زهره، و زمین هستند. نقاط قرمز نتایج این پژوهش است که مربوط به سیارات کپلر-۱۳۸ هستند. دایره‌های تو خالی، اندازه‌گیری‌های قبلی جرم‌های دو سیاره‌ی کپلر-۱۳۸س و کپلر-۱۳۸د را نشان می‌دهند. منحنی‌ها چگالی‌های مختلف را نشان می‌دهند.

کپلر-۱۳۸ب کوچک‌ترین سیاره‌ی فرازمینی است (هم از نظر شعاع، هم از نظر جرم) که تاکنون کشف و چگالی آن اندازه‌گیری شده است. این سیاره می‌تواند افق‌های جدیدی در مطالعات فیزیکی سیارات باز کند. اندازه‌گیری‌های جرم و چگالی سیاره‌ی کپلر-۱۳۸ب که در این پژوهش به‌ دست آمده‌اند، با سناریوهای مختلفی درباره‌ی ترکیبات و هم‌چنین محل شکل‌گیری سیاره‌ مطابقت دارند. اگر مشاهدات آینده نشان دهند که این سیاره از سیاره‌ی سنگی چگالی کم‌تری دارد، آن‌وقت تنها ترکیبات ممکن فیزیکی و کیهانی، آب و یا یخ‌های اخترفیزیکی دیگرند که در مکانی دور از ستاره، چگال شده‌اند. این یافته‌ی احتمالی می‌تواند اولین شاهد بر حرکت مداری یک سیاره‌ی کوچک به سمت درون منظومه باشد.

در این پژوهش جرم نسبی دو سیاره‌ی دورتر، یعنی کپلر-۱۳۸س و کپلر۱۳۸-د کمتر از آنچه در تحقیقات گذشته به دست آمده بود، محاسبه شده است. البته این مشاهده‌ی عجیبی نیست چرا که قبلا اختلالات ناشی از سیاره‌ی b تنها بر سیاره‌ی d در نظر گرفته می‌شد درحالی‌که بخشی از آن تغییرات زمانی گذر سیاره‌ی c را توضیح می‌دهد. به هر حال، نسبت جرم هریک از این سیاره‌ها به جرم ستاره‌ی میزبانشان منطبق بر مطالعات پیشین است. در این تحقیق، چگالی بیشتری برای هردوی این سیاره‌ها به دست آمده است که به علت دقیق‌تر شدن مقادیر سایر ویژگی‌های ستاره‌ای، به خصوص چگالی بیشتر ستاره و در نتیجه شعاع کم‌تر آن است.