نجوم وفضا

سیارات فراخورشیدی در یک نگاه

نخستین
سیاره 51 پگاسی بی نخستین سیاره‌ای بود که به دور ستاره‌ای مانند خورشید کشف شد. کشف این سیاره گازی که به سال 1995 بازمی‌گردد سرآغازی بود برای جستجو به دنبال سیارات فراخورشیدی که در اطراف ستارگان رشته اصلی در گردشند. علت نامگذاری این سیاره به 51 پگاسی بی، کشف آن در صورت فلکی اسب بالدار یا پگاسوس بوده است.

نزدیک‌ترین
نزدیک‌ترین سیاره فراخورشیدی به زمین که تا کنون کشف شده, سیاره اپسیلون اریدانی بی است. این سیاره که به دور ستاره‌ای خورشید مانند و در فاصله تنها 5/10 سال نوری از زمین قرار دارد، آنقدر از ستاره خود فاصله دارد که احتمال وجود آب مایع بر سطح آن تقریبا منتفی است.

جوان‌ترین
جوان‌ترین سیاره فراخورشیدی که تا کنون کشف شده است کمتر از یک میلیون سال عمر دارد و به دور ستاره‌ای با نام کاکو تائو 4 در فاصله 420 سال نوری از زمین در حال گردش است. منجمان در هنگام بررسی حلقه‌ای از غبار در اطراف این ستاره، متوجه یک حفره عظیم حلقه مانند به دور آن شدند که قطر آن 10 برابر فاصله زمین تا خورشید بود و احتمالا به دلیل نیروی گرانش سیاره که موجب پراکندگی ذرات غبار در طی مسیر خود شده، به وجود آمده است.

کهنسال‌‌ترین
مسن‌‌ترین سیاره‌ای که تا کنون کشف شده، 7/12 میلیارد سال عمر دارد. این سیاره که قدمت آن 8 میلیارد سال از زمین بیشتر است تنها 1 میلیارد سال پس از پیدایش جهان و انفجار مهیبی که به مهبانگ معروف است شکل گرفته است. کشف این سیاره که پی اس آر بی 1620-26سی نامیده شد، از آن جهت حائز اهمیت بود که نشان داد حیات می‌تواند بسیار زودتر از آنچه پیشتر تصور می‌شد در نقطه‌ای از جهان به وجود آمده باشد.

بزرگ‌ترین
سیاره تی آر ای اس-4 با قطری معادل 7/1 برابر قطر مشتری (20 برابر قطر زمین)، بزرگ‌ترین سیاره‌ای است که تا کنون کشف شده است. منجمان قطر این سیاره را هنگامی که در حال عبور از جلوی ستاره خود به نام جی اس سی 00648-02620بود محاسبه کردند. چگالی متوسط این سیاره غول آسا به طرز عجیبی پایین و معادل 2/0 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. مدت حرکت انتقالی این سیاره که در فاصله 1400 سال نوری از زمین قرار دارد، تنها 5/3 روز است. ستاره‌ای که این سیاره به دور آن کشف شده در مرحله گذار از یک ستاره رشته اصلی به غول قرمز و با عمری حدود 5 تا 7 میلیارد سال است. گرچه سن این ستاره تقریبا معادل سن خورشید (5/4 میلیارد سال) است، اما از آنجا که جرم این ستاره بسیار بزرگ‌تر از جرم خورشید بوده، با سرعت دو برابر خورشید سوخت خود را به پایان رسانده و در حال تبدیل شدن به غول قرمز تا یک میلیارد سال اینده است.‌ در آن زمان، سیاره تی آر ای اس-4 به واسطه فاصله کمی که تا ستاره خود دارد به طور کامل توسط ستاره مادر بلعیده خواهد شد.

کوچک‌ترین
سیاره اُ جی ال ای-2005-بی ال جی-390 ال بی کوچک‌ترین سیاره فراخورشیدی که تا‌کنون کشف شده، جرمی حدود 5/5 برابر زمین دارد و به دور ستاره کوتوله قرمزی که فاصله آن تا زمین 28000 سال نوری است، می‌گردد. گرچه پیش از این سیاراتی در ابعاد کره زمین خارج از منظومه شمسی کشف شده بودند، اما تمامی آنها به دور ستارگان نوترونی پیدا شدند و بدین سبب شرایط ایجاد حیات را نداشتند. فاصله میان این کوتوله قرمز با سیاره خاکی خود که از نظر ساختار یکی از شبیه‌ترین سیارات فراخورشیدی به زمین محسوب می‌شود، 5/2 برابر فاصله زمین تا خورشید است. این در حالی است که اغلب سیارات فراخورشیدی که تا‌کنون کشف شده‌اند در فاصله‌ای معادل فاصله عطارد تا خورشید از ستاره خود قرار گرفته‌اند. دمای پایین این سیاره که حدود 220- درجه سانتیگراد تخمین زده می‌شود امکان پیدایش و رشد حیات به گونه‌ای که ما در زمین با آن روبه‌رو هستیم را به حداقل می‌رساند.

سریع‌ترین
سرعت بالای سویپس10 که در فاصله تقریبی یک میلیون و دویست هزار کیلومتری از ستاره خود کشف شده، این سیاره را ملقب به سریع‌ترین سیاره فراخورشیدی کرده است. یک شبانه روز در این سیاره بادپا تنها 10 ساعت است. به همین دلیل، سویپس10 در زمره سیاراتی با دوره تناوبی بسیار کوتاه موسوم به USPPs طبقه بندی شده است.

عجیب‌ترین
سیارات فراخورشیدی که تا کنون کشف شده‌اند هر یک دارای ویژگی‌های منحصر به فرد و غالبا عجیبی هستند. اما یکی از عجیب‌ترین اکتشافات سیارات فراخورشیدی، سیاره‌ای است که در سپتامبر 2004 میلادی به دور یک کوتوله قهوه‌ای کشف شد.

کوتوله‌های قهوه‌ای ستارگانی کم فروغ با دمای سطحی کم هستند که چگالی نسبتاً پایین آنها مانع از همجوشی هسته‌ای در مرکز آنها شده است. این سیاره که 2 ام 1207 بی نام گرفت، در فاصله تقریبی 100 واحد نجومی (هر واحد نجومی فاصله متوسط زمین تا خورشید معادل 150 میلیون کیلومتر) از ستاره خود قرار گرفته است. جرم این سیاره پنج برابر سیاره مشتری - بزرگ‌ترین سیاره منظومه شمسی - و تنها 5 برابر کمتر از ستاره میزبان خود بود در حالی که بیشتر سیاراتی که تا‌کنون کشف شده‌اند از نظر جرم با ستاره خود در نسبت 1:1000 هستند. دمای این سیاره جوان که تقریبا 8 میلیون سال از زمان پیدایش آن می‌گذرد، در حال حاضر حدود 1000 درجه سانتیگراد تخمین زده می‌شود. نشانه‌هایی از وجود آب در جو این سیاره و تغییرات درخشندگی آن که می‌تواند دلیل وجود ابرها باشد، منجمان را به بررسی بیشتر این سیاره مرموز ترغیب ساخته است. از سوی دیگر، فاصله زیاد میان این سیاره با ستاره خود و همچنین نسبت پایین جرم این دو، نظریه سحابی خورشیدی را که در حال حاضر قوی‌ترین نظریه پیدایش سیارات است با مشکل مواجه کرده است.



تولد سیارات
نخستین فرضیات در مورد چگونگی پیدایش سیارات ریشه در افسانه‌ها و داستان‌های قومی و قبیله‌ای در سالیان ماقبل تاریخ دارد. به‌علاوه، تقریبا تمامی ادیان و ایین‌های مذهبی نیز اشاراتی به نحوه خلقت آسمان‌ها و زمین داشته‌اند. اما قرن‌ها بعد، ریاضی‌دانان ومنجمانی همچون کوپرنیک، گالیله و کپلر نخستین افرادی بودند که به جستجو در مورد دلایل علمی پدیده‌های طبیعی از جمله حرکت اجرام سماوی پرداختند.

نخستین فرضیه علمی در مورد منشا پیدایش زمین توسط فیلسوف و ریاضی‌دان فرانسوی، رنه دکارت (1650-1596 م) ارائه شد. اما از آنجا که در زمان دکارت هنوز نیوتون و نظریه گرانش وی پا به عرصه وجود نگذاشته بودند، وی در ارائه فرضیه خود هیچ جایی برای نیروی گرانش به عنوان یکی از عوامل اصلی پیدایش سیارات نگذاشته بود. دکارت معتقد بود نیرو از طریق تماس اجسام با یکدیگر از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود و جهان از ذراتی که مانند گردابی در حال چرخش هستند تشکیل شده است. دکارت در فرضیه خود که در سال 1644 میلادی ارائه کرد عنوان داشت خورشید و سیارات در اثر انقباض و تراکم یکی از همین گرداب‌ها که به طور طبیعی در جهان وجود دارند، تشکیل شده‌اند.

یک قرن بعد و در سال 1745، دانشمند فرانسوی، جرج لوییس د.بوفون (1788-1707) فرضیه دیگری را مطرح کرد که بر اساس آن سیارات به دنبال تصادم ستاره‌ای که از نزدیکی خورشید عبور می‌کرد با آن به وجود آمده‌اند. وی معتقد بود این برخورد سهمگین آسمانی موجب جدا شدن تکه‌های گازی از هر دو ستاره و تشکیل سیارات در منظومه خورشیدی شده که سپس هر یک در مدارهایی به دور خورشید قرار گرفتند. طی دو قرن بعد، این فرضیه هر چند سال یک بار توسط دانشمندان زمان طرح می‌شد و به تناوب مورد تایید قرار می‌گرفت یا به کلی مردود می‌گشت. اما فرضیه بوفون مشکلات فراوانی داشت: اندازه ستارگان در مقایسه با فواصل میان آنها بسیار ناچیز است و بنابراین تصادم آنها با یکدیگر امری بسیار نادر است. بر اساس مطالعات کیهان‌شناسان، از هنگام شکل‌گیری کهکشان ما در بیش از 10 میلیارد سال پیش تا کنون، تعداد ستارگانی که با یکدیگر برخورد کرده‌اند شاید از تعداد انگشتان یک دست نیز کمتر باشد. از سوی دیگر، ذرات گاز و غباری که بر اساس نظریه بوفون در این تصادم از خورشید و ستاره مهاجم جدا شده بودند آنقدر داغ و با حرارت بالا بودند که امکان تراکم آنها و تشکیل سیارات را به حداقل می‌رساند. با همه این اوصاف، اگر هم سیارات می‌توانستند بر اساس این فرضیه تشکیل شوند، هرگز نمی‌توانستند در مدارهای پایداری به دور خورشید قرار گیرند.

فرضیاتی که توسط دکارت و بوفون ارائه شدند، دو تفاوت عمده با یکدیگر دارند و آن ماهیت آنهاست. فرضیه دکارت، فرضیه‌ای تکاملی است که در آن خورشید و سیارات به تدریج و در فرایندی تکاملی به وجود آمده‌اند. اگر فرضیه وی صحیح باشد، ستارگانی که در اطراف آنها سیاراتی وجود دارند باید در جهان به وفور یافت شوند. از طرف دیگر، فرضیه ارائه شده توسط بوفون اتفاقی است که بر اساس آن سیارات به طور تصادفی و در اثر یک اتفاق به وجود می‌ایند. بنابر این فرضیه، منظومه‌های خورشیدی باید بسیار نادر باشند. گرچه فرضیه‌های دکارت و بوفون امروزه مردود اعلام شده‌اند، اما زحمات این دو دانشمند در معطوف ساختن افکار سایر دانشمندان به چگونگی پیدایش سیارات را نباید نادیده گرفت. نظریاتی که در حال حاضر در مورد پیدایش سیارات مورد قبول دانشمندان هستند گرچه با دو فرضیه فوق بسیار متفاوتند اما می‌توان گفت تا حدی تلفیقی از این دو فرضیه‌اند چرا که غالبا نظریاتی تکاملی همراه با وقوع وقایعی تصادفی و نادر هستند.

ریشه‌های نظریه کنونی پیدایش سیارات که در ادامه به آن می‌پردازیم را باید نتیجه تحقیقات منجم و ریاضی‌دان فرانسوی، پیر سیمون د.لاپلاس دانست. در سال 1796 وی با تلفیق فرضیه دکارت و قوانین گرانش نیوتون موفق به ارائه مدلی شد که بر اساس آن ابری از ماده در حال چرخش که بر روی نیروی گرانش خود در حال تراکم و مسطح شدن به شکل قرصی از گاز بود را به تصویر کشید و به این ترتیب پایه‌های نظریه کنونی را بنا نهاد.

در مدلی که لاپلاس از پیدایش سیارات ارائه کرده بود، بنابر اصل پایداری اندازه حرکت زاویه‌ای، هرچه این قرص چرخان گازی کوچک‌تر می‌شود، سرعت چرخش آن بیشتر می‌گردد. وی معتقد بود هنگامی که این قرص چرخان به بیشترین سرعت خود می‌رسد، شروع به برون‌پاشی لایه‌های خارجی خود می‌کند که این لایه‌ها سرانجام تشکیل حلقه‌هایی از ماده می‌دهند. این فرایند آنقدر ادامه می‌یابد که حلقه‌های متعددی در فواصل مختلف تشکیل می‌شوند و در نهایت با متراکم شدن مواد تشکیل دهنده آن حلقه‌ها، سیاراتی تشکیل می‌شوند که همگی به دور خورشیدی که در مرکز این قرص گازی متولد شده است، در حال چرخشند. این فرضیه که به نظریه سحابی مشهور است بعدها با اندک تغییراتی مورد قبول اکثر دانشمندان قرار گرفت.

یکی از اشکالات عمده مدل لاپلاس این بود که خورشید به عنوان مرکز ابری که موجب تشکیل آن و سیارات اطرافش شد دارای بیشترین اندازه حرکت زاویه‌ای بود، حال آنکه بعدها و پس از مطالعه اولیه سیارات و خورشید، دانشمندان دریافتند سیارات منظومه شمسی بیشترین اندازه حرکت زاویه‌ای منظومه را دارا هستند. از آنجا که فرضیه سحابی لاپلاس در توجیه مشکل اندازه حرکت زاویه‌ای اجرام منظومه شمسی با شکست رو به رو شد، توجه دانشمندان در طی یک قرن پس از آن مجددا به نظریه بوفون معطوف گردید.



نظریه سحابی خورشیدی
امروزه می‌دانیم عناصر سنگینی که جهان ما از آنها ساخته شده در دل ستاره‌ها به وجود می‌آیند. از سوی دیگر آخرین نظریه علمی که مورد قبول اغلب اخترشناسان نیز هست، پیدایش سیارات را نتیجه فرایندهای گرانشی هنگام تولد ستارگان می‌داند. بر اساس این نظریه، که نظریه سحابی خورشیدی نامیده می‌شود، سیارات از قرصی از گاز و غبار که در اطراف ستاره‌ای در حال تولد به وجود می‌آید، پدید می‌آیند.


هنگامی که ذرات گاز و غبار میان‌ستاره‌ای در مکان‌هایی از کهکشان، مانند بازوهای کهکشان‌های مارپیچی از جمله کهکشان راه شیری، در اثر نیروی گرانش متراکم می‌شوند، ستاره‌ای در مرکز این ابر متولد می‌شود. این ستاره در تمام مراحل تکامل خود توسط ابری از غبار احاطه شده که چرخش ذرات موجود در آن سبب می‌شود قرصی چرخان از غبار در اطراف ستاره در حال تولد تشکیل شود. سرانجام فشار لایه‌های مختلف گازی ستاره سبب بالا رفتن دمای مرکز آن و آغاز همجوشی هسته‌ای شده، دمای سطحی ستاره به سرعت بالا می‌رود. این امر سبب می‌شود لایه‌های غبار که در اطراف ستاره قرصی چرخان تشکیل داده بودند توسط جریان فوتون‌های پر انرژی که موفق به فرار از سطح ستاره شده بودند پراکنده شوند.

بر اساس نظریه سحابی خورشیدی، سیارات درون همین قرص چرخان در اطراف ستارگان جوان به وجود می‌ایند.

مشاهداتی که در طول موج‌های مختلف به خصوص طول موج فروسرخ انجام گرفته نیز نشان می‌دهند ستارگان جوان پس از آغاز همجوشی هسته‌ای در مرکز خود با سرعتی حدود 200 کیلومتر بر ثانیه این قرص‌های چرخان را از خود رانده، به اطراف پراکنده می‌کنند. فناوری جدید حتی به دانشمندان امکان مشاهده و عکس‌برداری از قرص‌های چرخان غبار در اطراف ستارگان در حال تولد را می‌دهد. منظومه شمسی ما نیز به احتمال فراوان در چنین فرایندی به وجود آمده است.‌ هنگامی که خورشید در اثر تراکم غبار میان‌ستاره‌ای به وجود آمد و فرایند همجوشی هسته‌ای خود را حدود 7/4 میلیارد سال پیش آغاز کرد، فوران فوتون‌ها و ذرات باردار از سطح آن توسط بادهای خورشیدی سبب پراکنده شدن قرص غبار اطرافش شد. پس از پراکنده شدن این قرص چرخان، آنچه باقی ماند مجموعه‌ای از کرات خاکی و گازی در مدارهایی به دور خورشید بود که آنها را سیاره می‌نامیم.

درست مانند نظریه‌ای که لاپلاس از پیدایش منظومه شمسی ارائه داده بود، نظریه سحابی خورشیدی نیز با اشکال بزرگی رو به رو است که آن پایین بودن سرعت حرکت زاویه‌ای خورشید در مقایسه با سیارات است. برای درک چنین مساله به ظاهر نامتعارفی باید بررسی کنیم چه چیز موجب کند شدن سرعت چرخش خورشید شده است؟ می دانیم خورشید در هر ثانیه حدود 6/4 میلیون تن از جرم خود را به واسطه همجوشی هسته‌ای از دست می‌دهد. این میزان جرم تبدیل به انرژی شده که ما آن را به صورت نور و گرما احساس می‌کنیم. بر اساس قانون پایداری اندازه حرکت زاویه‌ای، کاهش جرم یک جسم به معنای کند شدن سرعت حرکت زاویه‌ای آن است. بعلاوه، میدان مغناطیسی قوی خورشید تاثیر بسزایی در کاهش سرعت چرخش آن دارد. یکی از راه‌هایی که از طریق آن می‌توان نظریه پیدایش سیارات منظومه شمسی در ابرهای گازی اطراف خورشید را تا حد زیادی اثبات کرد، بررسی شباهت‌های سیارات منظومه خورشیدی ما با یکدیگر است - چرا که اگر تمامی سیارات از یک ابر غبار در اطراف خورشید به وجود آمده باشند، به طور طبیعی باید دارای ویژگی‌های مشترکی نیز باشند.



منظومه هماهنگ
تمامی سیارات منظومه شمسی تقریبا در یک صفحه مداری به دور خورشید می‌گردند. به استثنای عطارد که صفحه مداری آن با صفحه مداری زمین یا دایره‌‌البروج زاویه‌ای معادل تقریبی ?7 می‌سازد، تمایل صفحات مداری سایر سیارات منظومه شمسی نسبت به صفحه مداری زمین، کمتر از ?4/3 است. این بدان معناست که اگر به منظومه شمسی از پهلو نگاه کنیم ظاهری شبیه به یک صفحه تخت دارد. زوایایی که محور گردش سیارات به دور خود با صفحه مدار زمین می‌سازند نیز اختلاف چندانی با یکدیگر ندارند. انحراف محور سیارات منظومه شمسی به این صفحه کمتر از ?30 است. انحراف محور خورشید نیز نسبت به صفحه دایره‌‌البروج ?25/7 است.

راستای حرکت وضعی (گردش سیاره به دور خود که موجب پیدایش شب و روز می‌شود) و حرکت انتقالی (گردش سیاره به دور خورشید که سبب پیدایش سال می‌گردد) سیارات منظومه شمسی نیز می‌تواند گواهی بر نظریه سحابی خورشیدی باشد. اگر از نقطه‌ای در بالای قطب شمال زمین به سیارات بنگریم، تمامی سیارات در جهت خلاف عقربه‌های ساعت به دور خورشید در گردشند و به استثنای زهره و اورانوس، جهت حرکت وضعی سایر سیارات نیز عکس جهت عقربه‌های ساعت است. برخی سیاره‌شناسان معتقدند علت این ناهماهنگی در زهره و اورانوس می‌تواند برخورد سهمگین یک جرم سماوی با این دو سیاره در سال‌های آغازین پیدایش منظومه شمسی باشد، گرچه صحت این فرضیه هنوز به اثبات نرسیده است. سه دلیل فوق، یعنی قرار گرفتن تمامی سیارات در یک صفحه مداری، راستای چرخش آنها به دور خود (به استثنای زهره و اورانوس)، و جهت گردش آنها به دور خورشید از مهم‌ترین دلایلی هستند که نشان می‌دهند منشا پیدایش تمامی سیارات منظومه شمسی یکسان و به نوعی مرتبط با پیدایش خورشید بوده است. علاوه بر این، دانشمندان به کمک محاسبه نیمه عمر مواد رادیواکتیو موجود در زمین، ماه، مریخ و شهابسنگ‌ها دریافتند اجرام منظومه شمسی بین 3/4 تا 8/4 میلیارد سال عمر دارند که همزمانی تولد آنها را نشان می‌دهد. این شباهت‌ها و هماهنگی میان اجزای منظومه خورشیدی، مهم‌ترین دلیل اثبات نظریه سحابی خورشیدی است.

علاوه بر این، فناوری جدید تصاویری از ستاره‌های در حال تولد شکار کرده است که ابری از غبار در حال تراکم را در اطراف آنها نشان می‌دهد که محل تولد سیارات آن منظومه محسوب می‌شود. چنانچه نظریه سحابی خورشیدی صحیح باشد، سیارات در جهان ما باید به وفور یافت شوند چرا که اغلب ستارگان در مرکز قرص‌هایی از غبار که محل تولد سیارات است، تشکیل می‌شوند. کشف سیارات فراخورشیدی گامی مهم در اثبات این نظریه تا‌کنون بوده است.

منبع سازمان فضایی ایران .