ریزهمگرایی ستارگان به منظور کشف سیارات فراخورشیدی

شکل ۲: نحوه‌ی رخ‌دادن پدیده‌ی ریزهمگرایی گرانشی. هنگامی‌که در راستای دید ما، ستاره‌ی منبع (دایره‌ی قرمز) به ستاره‌ی لنز ( ستاره‌ی زرد در مرکز تصویر) نزدیک می‌شود، تصویر آن (دایره‌ی آبی‌رنگ) دوگانه شده و در راستای حلقه‌ی انیشتین ستاره‌ی لنز (دایره‌ی سبزرنگ) کشیده می‌شود. در اثر این پدیده، ما افزایش روشنایی ستاره‌ی منبع را مشاهده می‌کنیم. قسمت پایین شکل، منحنی نوری ستاره‌ی منبع را به مرور زمان نشان می‌دهد. می‌بینیم که روشنایی ستاره‌ی منبع در نقطه‌ی صفر زمان (نزدیک‌ترین حالت به ستاره‌ی لنز) به بیشترین میزان خود می‌رسد. برای دیدن انیمیشن روی عکس کلیک کنید.

حال اگر ستاره‌ی لنز، سیاره‌ای به دور خود داشته باشد (نقطه‌ی بنفش‌رنگ در شکل ۳) که شعاع مدار آن به شعاع حلقه‌ی انیشتین ستاره‌ نزدیک باشد، هنگامی که یکی از تصاویر کشیده‌شده‌ی ستاره‌ی منبع از نزدیکی سیاره می‌گذرد، میدان گرانشی سیاره بر روی آن تاثیر گذاشته و میزان روشنایی ستاره‌ی منبع را دچار اختلال می‌کند. در نتیجه‌ی این امر، اختلالی کوچک بر روی منحنی نوری ستاره‌ی منبع مشاهده خواهد شد. مشاهده‌ی این اختلال و بررسی ویژگی‌های آن از جمله ارتفاع و پهنای آن به منجمان کمک می‌کند تا ویژگی‌های سیاره‌ی در حال چرخش به دور ستاره‌ی لنز را محاسبه کنند. از آن‌جایی که این پدیده تنها به جرم لنز وابسته است و نه روشنایی آن، با استفاده از آن می‌توان سیارات بسیار کم‌جرم و حتی در حد جرم ماه را نیز کشف کرد! هم‌چنین این روش برای کشف سیاراتی که در فاصله‌ی بیشتری از ستاره‌ی مادر خود قرار دارند و اصطلاحا به سیارات سرد معروف‌اند مناسب است. این در حالتی است که روش گذر برای کشف سیارات فراخورشیدی بیشتر به سیارات نزدیک به ستاره‌ی مادر حساس است، و بیشتر سیارات کشف‌شده تاکنون به ستاره‌ی مادر خود بسیار نزدیک هستند. در شکل ۴، نمونه‌ای از منحنی‌نوری سیاره‌ای کشف‌شده به روش ریزهمگرایی گرانشی را مشاهده می‌کنید. این سیاره جرمی ۵.۵ برابر جرم زمین داشته و در فاصله ای ۲.۶ واحد نجومی به دور کوتوله‌ی سرخی می‌گردد. همان‌طور که می‌بینید، اختلال ایجادشده در منحنی‌نوری ستاره‌ی منبع توسط سیاره بسیار کوچک بوده و شکل گاوسی‌مانندی دارد. در پدیده‌ی ریزهمگرایی گرانشی، شکل اختلالات ناشی از سیارات در منحنی‌نوری همیشه یکسان نیست و می‌تواند اشکال متفاوت و جالبی به خود بگیرد. ارتفاع، پهنا و شکل این اختلالات به جرم سیاره، فاصله‌ی آن از ستاره‌ی منبع و هم‌چنین به مسیر حرکت ستاره‌ی منبع نسبت به ستاره‌ی لنز بستگی دارد. در شکل ۵، چندین نمونه از اختلالات ناشی از سیارات مختلف در پدیده‌ی ریزهمگرایی گرانشی را مشاهده می‌کنید. توجه داشته باشیم که منحنی‌های نوری این شکل شبیه‌سازی شده‌اند و واقعی نیستند.

شکل ۵ : در این تصویر چند نمونه از اختلالات ایجادشده توسط سیارات در منحنی‌نوری را مشاهده می‌کنید. ارتفاع، پهنا و شکل این اختلالات به جرم و نیم‌قطر بزرگ سیاره و مسیر حرکت ستاره‌ی منبع نسبت به ستاره‌ی لنز وابسته است.

در نمودار شکل ۶، جرم برحسب نیم‌قطر بزرگ را برای ۳۷۰۰ سیاره‌ی تاکنون کشف‌شده می‌بینید. نقاط سبزرنگ، سیارات کشف‌شده با روش گذر را نشان می‌دهند و همان‌طور که مشاهده می‌کنید این سیارات در فاصله‌ی کم‌تر از ۱ واحد نجومی از ستاره‌ی خود قرار گرفته‌اند، چراکه روش گذر نسبت به سیارات نزدیک به ستاره‌ی مادرشان حساس‌تر است. بیشتر این سیارات توسط ماموریت فضایی کپلر کشف شده‌اند. نقاط آبی، سیارات کشف‌شده به روش سرعت شعاعی را نشان می‌دهند. این سیارات بسیار پرجرم بوده و بیشتر آن‌ها در فواصل ۱ تا ۱۰ واحد نجومی از ستاره‌ی خود قرار دارند. نقاط قرمز سیارات کشف‌شده با روش تصویربرداری مستقیم را نشان می‌دهند. این روش به سیارات بسیار پرجرم و داغ (در حال تشکیل‌شدن) حساس است. می‌بینیم که روش گذر برای کشف سیارات در فاصله‌های بیشتر از ۱ واحد نجومی موفق نبوده است و این در حالی است که با نگاه‌کردن به نقاط نارنجی که سیارات کشف‌شده با روش ریزهمگرایی گرانشی هستند، مشاهده می‌کنیم که این سیارات در فاصله‌های ۱ تا ۱۰ واحد نجومی از ستاره‌ی مادر خود قرار دارند و دارای جرم‌های مختلفی هستند. در واقع قسمتی خالی در سمت راست و پایین نمودار دیده می‌شود که روش‌های کنونی نتوانسته‌اند اطلاعاتی درباره‌ی سیارات در این بازه‌ی جرم و فاصله از ستاره به ما بدهند. با نگاه به این نمودار می‌توان به این نتیجه رسید که برای یافتن اطلاعات درباره‌ی سیارات سرد که تا به حال کمابیش ناشناخته مانده‌اند، باید به روش ریزهمگرایی گرانشی اتکا کرد.

شکل ۶: نمودار جرم بر حسب نیم قطر بزرگ برای ۳۷۰۰ سیاره شناخته شده با روش های گذر، سرعت شعاعی، تصویربرداری مستقیم و ریزهمگرایی گرانشی. قسمت خالی سمت راست و پایین نمودار مربوط به سیارات با نیم قطر بزرگ بیشتر از ۱ واحد نجومی و جرم کم تر از ۱۰۰ برابر جرم زمین است. روش های گذر، سرعت شعاعی و تصویربرداری مستقیم قابلیت بررسی سیارت این بخش را ندارند، و تنها روش ریزهمگرایی گرانشی برای کشف این گونه سیارات مفید خواهد بود.

دقت کنیم که در واقعیت دو ستاره‌ی لنز و منبع بسیار از هم دور هستند، و در پدیده‌ی ریزهمگرایی گرانشی صرفا به صورت اتفاقی در جهت دید ما به هم نزدیک می‌شوند. به همین دلیل این پدیده بسیار نادر است، و احتمال اینکه دو ستاره در جهت دید ما به یکدیگر نزدیک شوند بسیار کم و در حد^۶-۱۰ مورد در سال است! برای اینکه تعداد بیشتری از این پدیده مشاهده شود باید قسمت‌هایی از آسمان رصد شود که بسیار پرستاره هستند، به همین جهت شانس رصد این پدیده در نزدیکی مرکز کهکشان راه شیری بیشتر خواهد بود. رصد مناطق نزدیک مرکز کهکشان چالش‌های دیگری از جمله اختلاط نور ستارگان با هم و بالابودن میزان خاموشی را به همراه دارد. تلسکوپ های OGLE و MOA دو پروژه‌ی بزرگی هستند که بیش از ۲۰ سال است به هدف کشف پدیده‌های ریزهمگرایی گرانشی به رصد آسمان و به خصوص مناطق نزدیک مرکز کهکشان مشغول هستند. تلسکوپ‌های مختلف دیگر در سرتاسر دنیا نیز وظیفه‌ی ردیابی این پدیده‌ها را بر عهده دارند، به این صورت که وقتی یکی از این دو تلسکوپ، شروع یک پدیده‌ی ریزهمگرایی را رصد می‌کند، به تمامی تلسکوپ‌های دیگر اطلاع داده می‌شود و همه‌ی آن‌ها شروع به رصد این پدیده می‌کنند. بیشتربودن تعداد داده از هر پدیده، دقت تحلیل و پردازش آن پدیده را بیشتر می‌کند.

پروژه فضایی WFIRST (شامل تلسکوپی ۲.۴ متری) در دهه‌ی آینده به فضا فرستاده خواهد شد و یکی از اهداف آن کشف سیارات فراخورشیدی به روش ریزهمگرایی گرانشی ستارگان است و قرار است به طور خاص از مناطق نزدیک به مرکز کهکشان تصویر بگیرد. تخمین زده می‌شود که WFIRST بتواند ۲۶۰۰ سیاره کشف کند که از این تعداد، ۳۷۰ سیاره هم‌اندازه‌ی زمین خواهند بود. انتظار می‌رود این پروژه، خلاء موجود در نمودار شکل ۶ را پر کرده و اطلاعات ما را درباره‌ی انواع سیارات کامل کند.

برای یافتن اطلاعات بیشتر درباره‌ی این پدیده می‌توانید به سایت http://microlensing-source.org مراجعه کنید.

[۱] Gravitational Lensing
[۲] Einstein Ring
[۳] Microlensing
[۴] Pacznski

منابع

https://arxiv.org/abs/1305.5422
http://microlensing-source.org
https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu
http://adsabs.harvard.edu/abs/2013AAS…22143503P
https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-astro-081811-125518

گردآوری: سمیه خاکپاش