آیا تمام شکاف‌ها‌ی مشاهده‌شده در تصاویر آلما را سیاره‌ها ایجاد کرده‌اند؟

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 7 سپتامبر 2015

یکی از مهم‌ترین هدف‌های مطالعات سیاره‌ای، شناخت چگونگی شکل‌گیری سیارات است. در برخی از دیسک‌های حول ستاره‌ها، شکاف‌ها و حفره‌های خالی مشاهده می‌شود. این حفره‌ها به خصوص در طول‌موج میلی‌متری یا زیرمیلی‌متری به وضوح مشاهده می‌شوند. این دیسک‌ها دارای مناطق داخلی هستند که به دلایل گوناگون پاکسازی شده‌اند. با وجود این‌که تا به حال چندین مورد از این دیسک‌ها مشاهده شده‌اند که شواهد قابل توجهی بر وجود سیارات اولیه نشان می‌دهند، ولی مشاهدات مستقیم از سیارات هنوز وجود ندارند. مدت‌هاست که از لحاظ نظری وجود شکاف‌های سیاره‌ای پیش‌بینی شده است و مطالعات عددی متنوعی درباره‌ی سیاراتی که ایجاد شکاف می‌کنند و هم‌چنین پیش‌بینی‌ مشاهده‌ی آن‌ها نیز انجام شده است.

اخیرا تصاویر هیجان‌انگیز آلما از ستاره‌ی HL Tau^۱ حلقه‌ها و شکاف‌های مشخص و واضحی را نشان داده‌اند که شگفتی‌های زیادی به وجود آورده است (تصویر بالای صفحه). نکته‌ی جالب‌ توجه این است که این حلقه‌ها متقارن نیز نیستند. یکی از سناریوهای موجود این است که هر یک از این زوج حلقه‌ها و شکاف‌ها در تصاویر آلما به یک سیاره ارتباط دارد، اما باید دید آیا همواره چنین فرضی درست است.

شکل ۱. نقشه‌های چگالی حجمی گاز (سمت چپ) و گردوغبار (وسط) و اندازه‌ی متوسط ذرات گردوغبار (سمت راست) در صفحه‌ی میانی دیسک بعد از صدهزار سال.

در این مقاله، پژوهشگران سعی بر پاسخ به این سؤال دارند که آیا همه‌ی شکاف‌های مشاهده‌شده در دیسک‌های اولیه‌ی سیارات، شکاف‌های سیاره‌ای هستند یا آیا آن‌ها نتیجه‌ی فرآیندهای دیگریند که در مراحل اولیه‌ی شکل‌گیری سیارات رخ می‌دهند (مثلا تاثیرات تجمع گردوغبار)؟ در این مقاله، مکانیسمی ارائه می‌شود که در آن رشد ذرات گردوغبار، توزیع گردوغباری به وجود می‌آورند که می‌توانند این شکاف‌ها را تولید کنند.

شکل ۲. پروفایل‌های شعاعی چگالی حجمی گاز و گردوغبار (نمودار بالا)، نسبت گردوغبار به گاز (نمودار میانی)، و متوسط اندازه‌ی ذرات گردوغبار (نمودار پایین) در صفحه‌ی میانی دیسک بعد از صدهزار سال. خط‌چین عمودی، شعاع مداری سیاره، خط‌وط خط و نقطه‌چین مکان‌های بیشینه‌ی فشار و نقطه‌چین افقی نسبت اولیه‌ی گردوغبار به گاز را نشان می‌دهد.

در این مقاله، محققان با استفاده از کد سه‌بعدی هیدرودینامیکی ذره‌ای همواری، تحول گردوغبار را در سیارات اولیه بررسی می‌کنند. برای این کار یک دیسک متداول در ستاره‌های کلاسیک T Tauri در نظر می‌گیرند که جرم آن ۰.۰۱ برابر جرم خورشید است، حول ستاره‌ای با جرم خورشید می‌گردد و نسبت گردوغبار به گاز آن معادل ۰.۰۱ است. این دیسک سیاره‌ای (Mj ۵) دارد که در شعاع ۴۰ AU (چهل برابر فاصله‌ی زمین تا خورشید) واقع است. در این مدل، سیاره، نقطه‌ای در نظر گرفته شده است و تنها تحت تاثیر میدان گرانشی ستاره است، درحالی‌که گردوغبار و گاز تحت تاثیر پتانسیل گرانشی ستاره و سیاره هستند. ویژگی‌های دیگر دیسک نیز به طور مشخص در نظر گرفته شده‌اند. رشد ذرات گردوغبار با سرعت رشد و تکثیری معادل ۱۵ متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است.

شبیه‌سازی‌های انجام شده نتایج زیر را تولید کرده‌اند: شکل ۱ چگالی‌های حجمی گاز و گردوغبار و اندازه‌ی ذرات گردوغبار را در صفحه‌ی مرکزی دیسک در پایان شبیه‌سازی‌ها (پس از صدهزار سال) نشان می‌دهد. سیاره که در فاصله‌ی ۴۰ AU واقع شده است، شکافی در فاز گازی ایجاد کرده است و بیشتر بخش داخلی دیسک به سمت ستاره کشیده شده است که منجر به تولید محدوده‌ای با چگالی کم شده است. در فاز گردوغباری، شکاف عمیق‌تری ایجاد گشته است. مقداری از مواد در داخل دیسک باقی می‌ماند و ذرات گردوغباری در لبه‌های بیرونی شکاف جمع می‌شوند. این مشخصات معمولا در مطالعات شکاف‌های سیاره‌ای در دیسک‌های گازی+گردوغباری مشاهده می‌شوند اما ویژگی غیرمنتظره‌ای که این‌جا مشاهده شده است، دومین حلقه‌ی چگال در دیسک گردوغباری در فاصله‌ی ۹۰ AU است که به وضوح در نقشه‌ی چگالی (تصویر وسط در شکل ۱) و در پروفایل شعاعی چگالی دیسک (شکل ۲) دیده می‌شود. ذرات گردوغباری بزرگ با ابعادی در محدوده‌ی میلی‌متر تا سانتی‌متر در مناطقی با چگالی بالا به وفور یافت می‌شوند (سمت راست شکل ۱ و نمودار پایین شکل ۲).

شکل ۳. برش صفحه‌ی استوایی توزیع گردوغبار (بالا) و توزیع اندازه‌ی ذرات گردوغبار (پایین) بعد از صدهزارسال را نشان می‌دهد. رنگ نمایان‌گر چگالی حجمی و مشابه شکل ۱ است.

تجمع گردوغبار در شکل ۳ مشخص شده است که توزیع ذرات گردوغبار در صفحه‌ی استوایی و توزیع اندازه‌ی شعاعی آن‌ها را نشان می‌دهد. در این شکل دو دسته‌ی مختلف از ذرات گردوغباری مشخصند: ذراتی که در حلقه‌ی باریکی در لبه‌ی شکاف بیرونی سیاره (در فاصله‌ی حدودی ۶۰ AU) گیر افتاده‌اند و ذراتی که در دیسک خارجی شروع به رشد کرده، به سمت درون حرکت کرده‌، سپس از گاز جدا شده و در حلقه‌ی پهن‌تری در فاصله‌ی ۹۰ AU از ستاره جمع شده‌اند.

در این مقاله، نویسندگان تصاویر آلما را برای مرحله‌ی آخر دیسک مورد مطالعه، تولید می‌کنند. شکل ۴ تصاویر به‌دست‌آمده را در سه طول‌موج مختلف نشان می‌دهد. ‌همه‌ی این تصاویر موارد زیر را نشان می‌دهند: تابش مرکزی از گردوغبار در دیسک داخلی (مرکز تا ۲۰ AU)، شکاف سیاره‌ای پهن و عمیق (در ۴۰ AU)، یک حلقه‌ی درخشان که مربوط به لبه‌ی خارجی شکاف سیاره‌ای است (نزدیک ۶۰ AU)، شکاف دوم که باریک‌تر و کم‌عمق‌تر است (در ۷۵ AU)، و حلقه‌ی دوم که کم‌نورتر است. درنتیجه، مشاهدات مربوط، تمام ویژگی‌های توزیع گردوغبار را نمایان می‌کند.

شکل ۴. شبیه‌سازی مشاهدات آلما در طول‌موج‌های مختلف. محل سیاره با یک ضربدر مشخص شده است.

همان‌طور که دیدیم، در این سیستم شبیه‌سازی‌شده، وقتی سرعت رشد ۱۵ متر بر ثانیه در نظر گرفته می‌شود، دینامیک گردوغبار، اولین تجمع ذرات گردوغباری را در فواصل دور از ستاره به‌ وجود می‌آورد که یک حلقه‌ی گردوغباری چگال با ذرات میلی‌متری، دور از شکاف سیاره، شکل می‌دهد. هم‌چنین حلقه‌ی دومی که با شکاف خارجی جدا شده است، تولید می‌شود. اما مشاهدات این مطالعه نشان می‌دهند که این حلقه‌ی دوم سیاره‌ای را شامل نمی‌شود. تصویر اخیر آلما از دیسک HL Tau هفت زوج شکاف-حلقه را نشان می‌دهد. همان‌طور که محققان در این مقاله نشان داده‌اند که حلقه‌ی دوم مربوط به شکل‌گیری سیاره‌ای نیست، ممکن است هیچ‌یک از این زوج‌های شکاف-حلقه مربوط به شکل‌گیری سیاره‌ای نباشد. در پایان، راه حل پیشنهاد‌شده در این مقاله، مقایسه‌ی عمق شکاف‌ها در هردو فاز گاز و گردوغبار است که می‌تواند روش مناسبی برای تشخیص شکاف سیاره‌ای از یک شکاف عادی یا ظاهری باشد.