کشف شبیه‌ترین سیاره به زمین

0 0 0 0

توسط آزاده کیوانی , 26 جولای 2015

به احتمال زیاد خبر کشف سیاره‌ی جدید زمین‌مانند به اسم کپلر-۴۵۲ب را شنیده‌اید. این سیاره‌، یک سیاره‌ی گذری^۱ است و در پی مطالعات ۴ سال از داده‌های ماموریت کپلر ناسا کشف و به دقت بررسی شده است. شعاع سیاره‌ی کپلر-۴۵۲ب که به احتمال زیاد، یک سیاره‌‌ی سنگی است، ۱.۶۳ برابر شعاع زمین است و حول ستاره‌ی میزبانش (KIC 8311864) که یک ستاره‌ی نوع G2 است به مدت ۳۸۴.۸۴۳ روز می‌چرخد. این دوره‌ی تناوب برای سیاره‌‌ای گذری با شعاع کم‌تر از ۲ برابر شعاع زمین، بلندترین دوره‌ی تناوبی است که تا به حال مشاهده شده است. دمای مؤثر این سیاره حدود ۵۷۵۷ کلوین است. در جدایی مداری ۱.۰۴۶ واحد نجومی، این سیاره‌ی کوچک در کمربند حیات ستاره‌اش حضور دارد و تنها ۱۰٪ شار بیشتر از آن‌چه از خورشید به زمین می‌رسد، از ستاره‌اش دریافت می‌کند. ستاره‌ی میزبان، کمی بزرگ‌تر (۱/۱۱ برابر شعاع خورشید) و پیرتر (با ۶ میلیارد سال سن) از خورشید است. با توجه به این داده‌ها، سیاره‌ی کپلر-۴۵۲ب به احتمال زیاد همیشه در کمربند حیات ستاره‌اش بوده است و تا حدود ۳ میلیارد سال دیگر نیز آن‌جا باقی خواهد ماند.

شکل ۱. سری زمانی شار سیاره‌ی کپلر-۴۵۲ب. مثلث‌های قرمز محل ۴ گذر ثبت‌شده‌ی سیاره را از مقابل ستاره‌اش نشان می‌دهد. تمام ۴ سال داده‌ی کپلر در این نمودار نشان داده شده است که خطوط قرمز، مرزهای بین هر فصل را نشان می‌دهد.

از حدود ۲۰ سال پیش که اولین سیاره‌ی فرازمینی کشف شد تا به امروز حدود ۱۵۰۰ سیاره‌ی فرازمینی با استفاده از روش‌ها و تکنیک‌های مختلفی کشف شده‌اند. اما بزرگترین انگیزه‌ی جستجوی این سیارات، کشف فراوانی و توزیع سیاراتی است که بسیار شبیه زمینند؛ سیاراتی زمین‌مانند که به دور ستاره‌هایی خورشیدمانند می‌گردند و در کمربند حیات ستاره‌شان واقعند. کمربند حیات که معمولا به فاصله‌ای از ستاره گفته می‌شود که آب بتواند به صورت شناور بر یک سیاره‌ی سنگی قرار بگیرد، بسته به دمای مؤثر سیاره، در محدوده‌ی بین ۲۰٪ تا ۱۸۰٪ تابشی که زمین امروزه از خورشید دریافت می‌کند^۲، قرار می‌گیرد. تا به امروز، ۹ سیاره‌ی کوچک با شعاع کم‌تر از ۲ برابر شعاع زمین در (یا در نزدیکی) کمربند حیات ستاره‌شان، با استفاده از داده‌های ۴ ساله‌ی کپلر، کشف شده‌اند. در این‌جا کمی راجع به روش‌های گرفتن داده توسط کپلر و تکنیک‌های مطالعه‌ی سیارات می‌پردازیم.

شکل ۲. سری زمانی شار کپلر-۴۵۲. این نمودار مشابه شکل ۱ است با این تفاوت که هر ۴ دوره‌تناوب ۳۸۴ روزی سیاره را بر روی هم افتاده و میانگین آن‌ها حساب شده‌اند. بدین ترتیب مثلث قرمز محل هر چهار گذر را نشان می‌دهد. هر گذر تقریبا ۱۰.۵ ساعت طول می‌کشد.

شکل ۳. گرانش سطحی سیاره برحسب دمای مؤثر (نمودار بالا) و فراوانی فلزی (نمودار پایین) برای ستاره‌ی میزبان (KIC 8311864). گرانش سطحی با کمک طیف‌سنجی‌های مختلف و با روش‌های متفاوت به دست آمده است. مکان خورشید نیز نشان داده شده است.

تلسکوپ کپلر به صورت تقریبا پیوسته‌ای در طول ۴ سال و با زاویه‌ دید ۱۱۵ درجه‌ی مربع، در نزدیکی صورت فلکی دجاجه و شلیاق، نورسنجی انجام داده است. شکل ۱ شار دریافت‌شده از ستاره‌ی میزبان کپلر۴۵۲-ب را برای کل ۱۷ فصلی که نورسنجی انجام شده است، نشان می‌دهد. در این شکل، خطوط قرمز عمودی، مرزهای فصل‌ها را مشخص می‌کنند و مثلث‌های قرمزرنگ، مکان‌ گذرهای سیاره را. این گذرها هر ۳۸۴.۸۴۳ روز اتفاق می‌افتند که دوره‌ی تناوب سیاره را به دست می‌دهند. هر گذر نیز حدود ۱۰.۵ ساعت طول می‌کشد. این سیاره با اهمیت آماری ۹.۷ سیگما آشکار شده است که از آستانه‌ی ۷.۱ سیگما برای کشف این سیارات متداول است، به اندازه‌ی کافی بالاتر است. شکل ۲ منحنی نوری این سیاره را در محدوده‌ی گذرهای شکل ۱ نشان می‌دهد. مثلث قرمز، محل گذر است که ۱۰.۵ ساعت طول می‌کشد. در مقاله‌ی اصلی، برای بررسی صحت نتایج، تکنیک‌های گسترده‌ی آماری و صحت اعتبار داده‌ انجام شده است که برای مطالعه‌ی جزییات تکنیکی آن می‌توانید به مقاله‌ی اصلی رجوع کنید.

از آن‌جایی که ستاره‌ی میزبان برای مشاهدات مستقیم مانند تداخل‌سنجی و اخترلرزه‌شناسی بسیار کم‌نور است، به‌دست‌آوردن جرم، شعاع، و چگالی این ستاره به رابطه‌ی ویژگی‌های جوی با مدل‌های درونی وابسته است.  شکل ۳ راه‌حل‌های طیف‌سنجی مختلفی که در مقاله با جزییات بررسی شده‌اند را مقایسه می‌کند. در این شکل، گرانش سطح سیاره برحسب دما (در نمودار بالا) و فراوانی فلزی (در نمودار پایین) برای مدل‌ها و داده‌های مختلف نشان داده شده است. نتیجه‌ای که از این نمودارها گرفته می‌شود این است که هیچ هم‌بستگی^۳ واضحی بین گرانش سطحی و دمای مؤثر یا فراوانی فلزی وجود ندارد. برای همین تفاوت‌های مشاهده‌شده به دلیل تفاوت‌های بین مدل‌های مختلف است و نه ویژگی‌های جوی. به طور متوسط، ستاره‌ی میزبان کمی از خورشید بزرگتر است، دمای کم‌تری دارد و فراوانی فلزی آن حدود ۶۰٪ بیشتر از خورشید است.

در بررسی دیگر، نواحی حول ستاره‌ی میزبان با دقت مطالعه می‌شود. برای بررسی ناحیه‌ی حول ستاره‌ی میزبان، از داده‌های اپتیک سازگار نزدیک فروسرخ استفاده می‌شود. این کار برای شناخت ستاره یا منابع همراه احتمالی انجام می‌شود. شکل ۴ تصویر این ستاره را که از دستگاه NIRC واقع در تلسکوپ کک II گرفته شده است در دو فیلتر J و K نشان می‌دهد. هیچ‌یک از این فیلترها حضور ستاره‌ای در پس‌زمینه که علت گذرهای سیاره باشد را تایید نمی‌کنند.

شکل ۴. تصاویر به‌دست‌آمده از تلسکوپ کک II در دو فیلتر J (سمت چپ) و K (سمت راست). هیچ‌یک از این فیلترها، حضور ستاره‌های پس‌زمینه را که علت گذرهای سیاره‌ی کپلر-۴۵۲ب باشند، نشان نمی‌دهند.

به طور خلاصه می‌توان گفت که کشف سیاره‌ی کپلر-۴۵۲ب با شعاع ۱.۶ برابر شعاع زمین در کمربند حیات یک ستاره‌ی G2 با جدایی متوسط ۱.۰۵ واحد نجومی، شبیه‌ترین منظومه‌ی سیاره-ستاره‌ای به زمین-خورشید است که تا به امروز در داده‌های کپلر کشف شده است. هم‌چنین شعاع کوچک این سیاره، باعث می‌شود که شانس سنگی بودن این سیاره با احتمال ۴۹٪ تا ۶۲٪ وجود داشته باشد. هرچند در این مورد به نظر نمی‌رسد که هسته‌ی این سیاره مقدار زیادی آهن داشته باشد. بهترین تخمین‌های این مطالعه نشان می‌دهند که ستاره‌ی میزبان تقریبا ۱۰٪ بزرگتر و ۱.۵ میلیاردسال پیرتر از خورشید است؛ در واقع کپلر-۴۵۲ب، محیطی را در آینده نشان می‌دهد که زمین هنگامی که خورشید به سمت غول‌سرخ‌شدن پیش می‌رود تجربه خواهد کرد.

مقدار کم سیارات کوچک در کمربند حیات ستاره‌های خورشیدمانند، به خصوص ستاره‌های نوع G، تشخیص فراوانی ذاتی سیارات زمین‌مانند در کمربند حیات ستاره‌های خورشیدمانند را دشوار می‌کند. کپلر-۴۵۲ب یک کشف مهم است که به لیست این سیارات کوچک در کمربند حیات ستاره‌ی نوع G2 اضافه می‌شود. امیدواریم که کشف این سیاره، آغازی برای کشف‌های بیشتر این منظومه‌های سیاره‌ای باشد.