تفقد الكواكب المنتفخة الغلاف الجوي وتصبح كواكب أرضية فائقة

حدد علماء الفلك حالتين مختلفتين من كواكب “نبتون الصغيرة” التي تفقد غلافها الجوي المنتفخ ومن المحتمل أن تتحول إلى كواكب أرضية فائقة. يعمل الإشعاع الصادر عن نجوم الكواكب على تجريد غلافها الجوي ، مما يدفع الغاز الساخن للهروب مثل البخار من إناء به ماء مغلي.

تم نشر النتائج في ورقتين منفصلتين في المجلة الفلكية، تساعد في رسم صورة لكيفية تشكل وتطور عوالم غريبة مثل هذه.

Mini Neptunes هي فئة من الكواكب الخارجية ، وهي عبارة عن كواكب يدور في مدار النجوم خارج نظامنا الشمسي. تتكون هذه العوالم ، وهي نسخ أصغر وأكثر كثافة من كوكب نبتون ، من نوى صخرية كبيرة محاطة ببطانيات سميكة من الغاز. في الدراسات الجديدة ، استخدم فريق من علماء الفلك بقيادة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مرصد WM Keck على قمة Maunakea في هاواي لدراسة واحد من اثنين من الكواكب الصغيرة من Neptune في النظام النجمي المسمى TOI 560 ، ويقع على بعد 103 سنوات ضوئية ؛ واستخدموا تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا للنظر في اثنين من نبتون صغيرتين تدوران حول HD 63433 ، وتقعان على بعد 73 سنة ضوئية.

نتائجهم تظهر ذلك غاز الغلاف الجوي يهرب من نبتون الصغير الأعمق في TOI 560 ، المسمى TOI 560.01 ، ومن أقصى نبتون المصغر في HD 63433 ، المسمى HD 63433 c. هذا يشير إلى أنها يمكن أن تتحول إلى كواكب أرضية فائقة.

يقول مايكل زانج ، المؤلف الرئيسي لكلا الدراستين وطالب دراسات عليا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “اشتبه معظم علماء الفلك في أن نبتون الصغيرة الصغيرة يجب أن يكون لها أغلفة جوية متبخرة”. “لكن لم يسبق لأحد أن اكتشف أي شخص أثناء القيام بذلك حتى الآن.”

وجدت الدراسة أيضًا ، بشكل مفاجئ ، أن الغاز المحيط بـ TOI 560.01 كان يتسرب بشكل فعال نحو النجم.

يقول أستاذ علوم الكواكب هيذر كنوتسون ، مستشار تشانغ والمؤلف المشارك للدراسة: “كان هذا غير متوقع ، حيث تتوقع معظم النماذج أن الغاز يجب أن يتدفق بعيدًا عن النجم”. “لا يزال لدينا الكثير لنتعلمه حول كيفية عمل هذه التدفقات في الممارسة العملية.”

وأوضح فجوة الكواكب

منذ البداية الكواكب الخارجية تم اكتشاف النجوم التي تدور حول الشمس في منتصف التسعينيات ، وتم العثور على الآلاف من النجوم الأخرى. العديد من هذه المدارات قريبة من نجومها ، والمدارات الأصغر والصخرية تنقسم عمومًا إلى مجموعتين: نبتون الصغيرة والأرض الفائقة. لا توجد كواكب من هذه الأنواع في نظامنا الشمسي. يبلغ حجم الكواكب الفائقة 1.6 ضعف حجم الأرض (وأحيانًا يكون حجمها 1.75 ضعف حجم الأرض) ، في حين أن حجم كوكب نبتون الصغير يتراوح بين ضعفين وأربعة أضعاف حجم الأرض. تم اكتشاف عدد قليل من الكواكب ذات الأحجام بين هذين النوعين من الكواكب.

أحد التفسيرات المحتملة لهذه الفجوة هو أن نبتون المصغرة تتحول إلى كواكب أرضية فائقة. يُفترض أن Mini-Neptunes يتم تغطيتها بواسطة أجواء بدائية مصنوعة من الهيدروجين و الهيليوم. الهيدروجين والهيليوم متبقيان من تشكل النجم المركزي ، الذي يولد من سحب الغاز. إذا كان نبتون صغيرًا بما يكفي وقريبًا بدرجة كافية من نجمه ، فإن الأشعة السينية النجمية والأشعة فوق البنفسجية يمكن أن تزيل غلافه الجوي البدائي على مدى مئات الملايين من السنين ، حسب نظرية العلماء. سيترك هذا بعد ذلك أرضًا صخرية فائقة نصف قطرها أصغر بكثير ، والتي يمكن ، من الناحية النظرية ، أن تحتفظ بغلاف جوي رقيق نسبيًا مشابه للغلاف الجوي المحيط بكوكبنا.

يقول تشانغ: “إن الكوكب الموجود في الفجوة سيكون له غلاف جوي كافٍ لتضخيم نصف قطره ، مما يجعله يعترض المزيد من الإشعاع النجمي ، وبالتالي يؤدي إلى فقدان سريع للكتلة”. “لكن الغلاف الجوي رقيق بدرجة كافية بحيث يضيع بسرعة. ولهذا السبب لن يبقى الكوكب في الفجوة لفترة طويلة.”

يمكن لسيناريوهات أخرى تفسير الفجوة ، وفقًا لعلماء الفلك. على سبيل المثال ، ربما لم تجمع الكواكب الصخرية الصغيرة أبدًا غلافًا غازيًا في المقام الأول ، ويمكن أن تكون نبتون الصغيرة عوالم مائية وليست مغطاة بغاز الهيدروجين. يمثل هذا الاكتشاف الأخير لاثنين من نبتون صغيرتين مع هروب من الغلاف الجوي أول دليل مباشر لدعم النظرية القائلة بأن نبتون المصغرة تتحول بالفعل إلى كواكب أرضية فائقة.

التوقيعات في ضوء الشمس

كان علماء الفلك قادرين على اكتشاف الغلاف الجوي الهارب من خلال مشاهدة تقاطع نبتون الصغير أمام نجومهم المضيفة أو عبورهم. لا يمكن رؤية الكواكب مباشرة ، ولكن عندما تمر أمامها النجوم من وجهة نظرنا على الأرض ، يمكن للتلسكوبات البحث عن امتصاص ضوء النجوم بواسطة الذرات في الغلاف الجوي للكواكب. في حالة المصغر Neptune TOI 560.01 ، وجد الباحثون بصمات الهيليوم. بالنسبة للنظام النجمي HD 63433 ، وجد الفريق بصمات الهيدروجين في الكوكب الخارجي الذي درسوه ، ويسمى HD 63433 c ، ولكن ليس الكوكب الداخلي ، HD 63433 b.

يوضح تشانغ: “ربما يكون الكوكب الداخلي قد فقد غلافه الجوي بالفعل”.

تقدم سرعة الغازات الدليل على أن الغلاف الجوي يهرب. يتحرك الهليوم المرصود حول TOI 560.01 بسرعة 20 كيلومترًا في الثانية ، بينما يتحرك هيدروجين يتحرك HD 63433 c بسرعة تصل إلى 50 كيلومترًا في الثانية. إن جاذبية هذه النبتون الصغيرة ليست قوية بما يكفي للاحتفاظ بمثل هذا الغاز سريع الحركة. يشير مدى التدفقات الخارجية حول الكواكب أيضًا إلى هروب من الغلاف الجوي: شرنقة الغاز حول TOI 560.01 أكبر 3.5 مرة على الأقل من نصف قطر الكوكب ، والشرنقة حول HD 63433 c هي على الأقل 12 ضعف نصف قطرها كوكب.

كشفت الملاحظات أيضًا أن الغاز المفقود من TOI 560.01 كان يتدفق نحو النجم. يجب أن تكشف الملاحظات المستقبلية لنبتون المصغرة الأخرى عما إذا كان TOI 560.01 شذوذًا أو ما إذا كان التدفق الخارجي المتحرك للداخل أكثر شيوعًا.

يقول كنوتسون: “بصفتنا علماء كواكب خارجية ، تعلمنا أن نتوقع ما هو غير متوقع”. “هذه العوالم الغريبة تفاجئنا باستمرار بفيزياء جديدة تتجاوز ما نلاحظه في نظامنا الشمسي.”