کشف دو سیاره فراخورشیدی جدید با روش دوپلِر

0 0 0 0

توسط آیرین شیوایی , 8 ژوئن 2014

طیف‌سنج‌های پایا و روش‌های تحلیلی جدید، کشف سیارات فراخورشیدی زمین‌مانند را در اطراف ستاره‌های کم‌جرم در فاصله نزدیکی از خورشید، امکان‌پذیر کرده‌اند. این سیارات با روش طیف‌سنجی دوپلِر (روش سرعت شعاعی) کشف می‌شوند. در این مقاله، مولفان کشف دو سیاره فراخورشیدی را به دور ستاره‌ای کم‌جرم به نام کَپتِین، بررسی کرده‌اند.

تصویر ۱: گردش ستاره به دور مرکز جرم منظومه سیاره و ستاره، موجب تغییر نور ستاره بر اثر پدیده دوپلر می‌شود. زمانی که ستاره در مدارش به ما نزدیک می‌شود، خطوط جذبی طیف ستاره به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر (انتقال به آبی) و هنگامی که دور می‌شود به سمت طول‌ موج‌های بلندتر (انتقال به سرخ) می‌روند.

در یکی از مقالات گذشته اسطرلاب کشف سیاره‌ فراخورشیدی زمین‌مانندی را که با تلسکوپ کپلر و با روش گذر کشف شده بود، بررسی کردیم. در روش گذر، منجمان با تصویربرداری دائم از ستاره‌ها، تغییرات نوری آنها را زیر نظر می‌گیرند. اگر صفحه گردش سیاره‌ به دور ستاره در راستای خط دید ما باشد، گذر سیاره از مقابل ستاره تغییرات تناوبی در نور ستاره به وجود خواهد آورد که با رصد آن منجمان می‌توانند وجود سیاره و فاصله آن را از ستاره‌اش تخمین بزنند. روش دوپلر، روش دیگری برای کشف سیارات فراخورشیدی است که به طیف‌سنجی نیاز دارد. در این روش نیز، مانند روش گذر، صفحه گردش سیاره به دور ستاره‌اش باید در راستای دید رصدگر باشد. منظومه ستاره و سیاره هر دو به دور مرکز جرمی در میان آنها می‌گردند. گردش ستاره به دور مرکز جرم موجب می‌شود که نور رسیده از آن به ما بر اثر پدیده دوپلر، انتقال به سرخ و انتقال به آبی پیدا کند (تصویر شماره ۱ را ببینید). منجمان با تحلیل داده‌های طیفی، تغییرات سرعت شعاعی ستاره‌ها را بر اثر گرانش سیاره، ثبت می‌کنند. اثرات گرانشی سیاره بر طیف ستاره مادرش بسیار ناچیز است، به همین علت، روش دوپلر مناسب ستاره‌های کم‌جرم و نزدیک به خورشید است.

طیف‌سنج‌های جدید و روش‌های جدید تحلیل داده‌های طیفی، موجب شده‌اند که تغییرات سرعت شعاعی را با دقت چند متر بر ثانیه بتوان ثبت کرد. حساسیت بالای این دستگاه‌ها، اکنون کشف سیاراتی هم‌جرم زمین را که در کمربند حیات^۱ ستاره‌شان قرار دارند، امکان‌پذیر کرده است. تحلیل‌های آماری نشان می‌دهد که هر ستاره کم‌جرمی، حداقل یک سیاره دارد که در مداری کوچکتر از دوره گردش ۵۰ روزه دور ستاره‌اش می‌گردد.

تصویر ۲: نمودار تغییر سرعت شعاعی ستاره کپتین بر حسب زمان. نمودار بالایی، تغییر سرعت شعاعی ستاره را بر اساس گرانش سیاره b، با دوره گردش ۴۸ روزه، نشان می‌دهد. نمودار پایین، تغییر سرعت شعاعی ستاره بر اثر گرانش سیاره دوم (سیاره c)، با دوره گردش ۱۲۰ روز است.
نقاط قرمز داده‌های رصدخانه لاسیا، نقاط قهوه‌ای داده‌های طیفی رصدخانه کک، و نقاط آبی، داده‌های رصدخانه لاس‌کامپاناس را نشان می‌دهند.

مولفان این مقاله ستاره کپتین را سالها زیر نظر داشتند. آنها سرعت شعاعی ستاره را ابتدا با تلسکو‍پ ۳/۶ متری لاسیا در شیلی رصد کردند، و سپس با طیف‌سنج‌های دقیق‌تر تلسکوپ ۱۰ متری کک در هاوایی، و ۶/۵ متری لاس‌کامپاناس در شیلی، رصد‌های اولیه خود را تایید کردند. بر اساس این رصدها دو سیاره در اطراف ستاره کپتین کشف شده است. در تصویر شماره ۲، نمودار سرعت شعاعی ستاره بر حسب زمان، با داده‌های هر سه تلسکوپ کشیده شده است. سیاره نزدیکتر به نام کپتین-بی، دوره گردش ۴۸ روزه به دور ستاره‌اش دارد که در کمربند حیات ستاره‌ قرار می‌گیرد. سیاره دیگر، کپتین-سی، با دوره گردش ۱۲۰ روزه، فقط حدود ۱۰٪ انرژی دریافتی زمین به سطحش می‌رسد و احتمال وجود آب مایع بر آن بسیار کم است.

ستاره کپتین در فاصله ۳/۹۱ پارسکی از خورشید، نزدیک‌ترین ستاره‌ی هاله کهکشان به ما است. این ستاره، یک کوتوله رده M است و جرمی برابر ۰/۲۸ جرم خورشیدی دارد. دمای کم و میزان کم فلزات در این ستاره، نشان از فعالیت‌های سطحی بسیار کم دارد، که کمک می‌کند اثر دوپلر سیارات احتمالی بر طیف آن قابل تشخیص شود. بنابر مدل‌های ستاره‌ای تخمین سن دقیق این‌گونه ستاره‌ها امکان پذیر نیست. اما بر اساس داده‌های طیفی، منجمان تصور می‌کنند که ستاره کپتین از کهکشان کوتوله‌ای که زمانی راه شیری آن را بلعیده است، آمده باشد. بر این اساس، سن ستاره باید بین ۱۰ میلیارد سال تا ۱۳/۷ میلیارد سال (سن کیهان) باشد. ستاره کپتین در گروهی از ستاره‌ها در هاله کهکشان قرار دارد که سرعت زاویه‌ای بالایی دارند و میزان فلزات آنها بسیار کم است. داده‌های طیفی این گروه نشان می‌دهد که این ستاره‌ها احتمالا منشا یکسانی با خوشه ستاره‌ای پرنور اومگا قنطورس دارند، و همه آنها از کهکشان کوتوله‌ای که زمانی قمر راه شیری بوده است، آمده‌اند. این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که چگونه برخورد و ادغام کهکشان کوتوله با راه شیری، ستاره کپتین و سیاره‌هایش را در هاله کهکشان ما قرار داده است. تصویر بالای این مقاله نیز از این شبیه‌سازی برداشته شده است.
ستاره‌های کوتوله نوع M، مانند ستاره کپتین، در این سن هنوز در دوران پایدار تحول ستاره‌ای هستند، و تصور می‌شود حرکات همرفتی و تپش در آنها بسیار کم باشد. به همین علت پیدا کردن سیارات در اطراف این ستاره‌ها ساده‌تر است، چرا که تغییرات دوپلری در طیف آنها به احتمال زیاد ناشی از گرانش سیارات احتمالی است، و نه فعالیت‌های سطحی ستاره.