استنشاق غاز الميثان في عالم بعيد

عرض فني للكوكب الخارجي الساخن WASP-80 b والذي قد يبدو لونه مزرقًا لعين الإنسان بسبب عدم وجود السحب على ارتفاعات عالية ووجود غاز الميثان في الغلاف الجوي الذي حدده تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا، على غرار كوكبي أورانوس ونبتون في نظامنا الشمسي الخاص. الائتمان: ناسا

ناساإنها تلسكوب جيمس ويب الفضائي اكتشاف غاز الميثان في الغلاف الجوي كوكب خارجي WASP-80 b، علامة فارقة في استكشاف الفضاء. ويلقي هذا الاكتشاف، الذي أكدته الأساليب المتقدمة لتحليل الضوء، الضوء على تكوين الكوكب ويتيح إجراء مقارنات مع كواكب نظامنا الشمسي.

رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا الكوكب الخارجي WASP-80 b أثناء مروره أمام وخلف نجمه المضيف، وكشف عن أطياف منبهة للغلاف الجوي الذي يحتوي على الميثان وبخار الماء. وبينما تم اكتشاف بخار الماء حتى الآن على أكثر من اثني عشر كوكبًا، كان الميثان، وهو جزيء موجود بكثرة في الغلاف الجوي للكوكب، حتى وقت قريب. كوكب المشتري, زحل, أورانوسو نبتون داخل نظامنا الشمسي – ظل بعيد المنال في أجواء الكواكب الخارجية العابرة عند دراسته بواسطة التحليل الطيفي الفضائي.

يخبرنا تايلور بيل من معهد أبحاث منطقة الخليج البيئي (BAERI)، الذي يعمل في مركز أبحاث أميس التابع لناسا في وادي السيليكون بكاليفورنيا، ولويس ويلبانكس من جامعة ولاية أريزونا، بالمزيد عن أهمية اكتشاف غاز الميثان في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية ويشرحان كيف اكتشف ويب. سهلت الملاحظات اكتشاف الميثان. تحديد هذا الجزيء المطلوب بشدة. وقد نشرت هذه النتائج مؤخرا في مجلة الطبيعة العلمية.

فهم “المشتري الساخن” WASP-80 ب

“مع درجة حرارة تبلغ حوالي 825 كلفن (حوالي 1025 درجة فهرنهايت)، WASP-80 b هو ما يسميه العلماء “المشتري الحار”، أي كواكب مماثلة في الحجم والكتلة لكوكب المشتري في نظامنا الشمسي، ولكن درجة حرارته تقع بين تلك الكواكب الساخنة، مثل 1450 درجة مئوية. K (2,150 درجة فهرنهايت) HD 209458 b (أول كوكب خارجي عابر يتم اكتشافه) وكواكب المشتري الباردة، مثل كوكبنا الذي يبلغ قياسه حوالي 125 كلفن (235 °F). يدور WASP-80 b حول نجمه القزم الأحمر مرة كل ثلاثة أيام، ويقع على بعد 163 سنة ضوئية في كوكبة العقاب. ولأن الكوكب قريب جداً من نجمه وكلاهما بعيد جداً عنا، فإننا لا نستطيع رؤية الكوكب مباشرة، حتى مع التلسكوبات الأكثر تقدماً مثل ويب. بدلًا من ذلك، يدرس الباحثون الضوء المشترك للنجم والكوكب باستخدام طريقة العبور (التي تم استخدامها لاكتشاف معظم الكواكب الخارجية المعروفة) وطريقة الكسوف.

تقنيات المراقبة المبتكرة

وباستخدام طريقة العبور، لاحظنا النظام أثناء تحرك الكوكب أمام نجمه من منظورنا، مما تسبب في انخفاض طفيف في الضوء الصادر عن النجوم التي نراها. إنه يشبه إلى حد ما عندما يمر شخص ما بجوار مصباح ويخفت الإضاءة. خلال هذا الوقت، تضيء النجمة حلقة رقيقة من الغلاف الجوي للكوكب حول حدود النهار والليل للكوكب، وعند ألوان معينة من الضوء حيث تمتص الجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي للكوكب الضوء، يبدو الغلاف الجوي أكثر سمكًا ويحجب المزيد من ضوء النجوم. مما يسبب تعتيمًا أعمق مقارنةً بالأطوال الموجية الأخرى حيث يبدو الغلاف الجوي شفافًا. تساعد هذه الطريقة العلماء مثلنا على فهم مكونات الغلاف الجوي للكوكب من خلال رؤية ألوان الضوء المحجوبة.

وفي الوقت نفسه، وباستخدام طريقة الكسوف، لاحظنا النظام أثناء مرور الكوكب خلف نجمه من منظورنا، مما تسبب في انخفاض صغير آخر في إجمالي الضوء الذي تلقيناه. تبعث جميع الأجسام ضوءًا، يسمى الإشعاع الحراري، الذي تعتمد شدته ولونه على حرارة الجسم. قبل وبعد الكسوف مباشرة، يتم توجيه الجانب الساخن من الكوكب نحونا، ومن خلال قياس الانخفاض في الضوء أثناء الكسوف، تمكنا من قياس ضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث من الكوكب. بالنسبة لأطياف الكسوف، يظهر امتصاص الجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي للكوكب بشكل عام على شكل انخفاض في الضوء المنبعث من الكوكب عند أطوال موجية محددة. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن الكوكب أصغر بكثير وأكثر برودة من نجمه المضيف، فإن عمق الكسوف يكون أقل بكثير من عمق العبور.

طيف العبور المقاس (أعلى) وطيف الكسوف (أسفل) لـ WASP-80 b من وضع التحليل الطيفي بدون فتحات لـ NIRCam على تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا. يوجد في كلا الطيفين دليل واضح على امتصاص الماء والميثان، حيث يتم الإشارة إلى مساهمتهما من خلال الخطوط الملونة. أثناء العبور، يمر الكوكب أمام النجم، وفي طيف العبور، يؤدي وجود الجزيئات إلى حجب الغلاف الجوي للكوكب المزيد من الضوء عند ألوان معينة، مما يسبب توهينًا أعمق عند تلك الأطوال. أثناء الكسوف، يمر الكوكب خلف النجم، وفي هذا الطيف الكسوف، تمتص الجزيئات بعض الضوء المنبعث من الكوكب بألوان محددة، مما يؤدي إلى انخفاض أقل في السطوع أثناء الكسوف نسبة إلى العبور. حقوق الصورة: بايري/ناسا/تايلور بيل

تحليل البيانات الطيفية

كانت الملاحظات الأولى التي قمنا بها هي تحويلها إلى شيء نسميه بالطيف؛ وهو في الأساس قياس يوضح مقدار الضوء المحجوب أو المنبعث من الغلاف الجوي للكوكب بألوان (أو أطوال موجية) مختلفة من الضوء. هناك العديد من الأدوات المختلفة لتحويل الملاحظات الأولية إلى أطياف مفيدة. ولذلك استخدمنا طريقتين مختلفتين للتأكد من أن نتائجنا كانت قوية لافتراضات مختلفة. ثم قمنا بتفسير هذا الطيف باستخدام نوعين من النماذج لمحاكاة الشكل الذي سيبدو عليه الغلاف الجوي للكوكب في ظل هذه الظروف القاسية. النوع الأول من النماذج مرن تمامًا، حيث يتم تجربة الملايين من مجموعات الميثان ووفرة المياه ودرجات الحرارة للعثور على المجموعة التي تناسب بياناتنا بشكل أفضل. أما النوع الثاني، والذي يسمى “النماذج المتسقة ذاتيًا”، فهو يستكشف أيضًا ملايين التركيبات ولكنه يستخدم معرفتنا الحالية بالفيزياء والكيمياء لتحديد مستويات الميثان والماء التي يمكن توقعها. توصل كلا النوعين من النماذج إلى نفس النتيجة: الكشف النهائي عن غاز الميثان.

للتحقق من صحة نتائجنا، استخدمنا أساليب إحصائية قوية لتقييم احتمالية أن يكون اكتشافنا ضوضاء عشوائية. في مجالنا، نعتبر “المعيار الذهبي” هو ما يسمى “الكشف عن 5 سيجما”، مما يعني أن احتمالية الكشف بسبب الضوضاء العشوائية هي 1 في 1.7 مليون. وفي الوقت نفسه، اكتشفنا غاز الميثان عند درجة 6.1 سيجما في أطياف العبور والكسوف، مما يحدد احتمالات الاكتشاف الزائف في كل ملاحظة بنسبة 1 في 942 مليون، وهو ما يتجاوز المعيار الذهبي البالغ 5 سيجما ويعزز ثقتنا في كليهما. الاكتشافات.

الآثار المترتبة على الكشف عن الميثان

مع هذا الاكتشاف الموثوق، لم نتمكن من العثور على جزيء بعيد المنال فحسب، بل يمكننا الآن البدء في استكشاف ما يخبرنا به هذا التركيب الكيميائي عن ولادة الكوكب ونموه وتطوره. على سبيل المثال، من خلال قياس كمية الميثان والماء على الكوكب، يمكننا استنتاج نسبة ذرات الكربون إلى ذرات الأكسجين. يجب أن تتغير هذه النسبة اعتمادًا على مكان وزمان تشكل الكواكب في نظامها. لذا فإن فحص نسبة الكربون إلى الأكسجين يمكن أن يوفر أدلة حول ما إذا كان الكوكب قد تشكل بالقرب من نجمه أو بعيدًا قبل أن يتحرك تدريجيًا نحو الداخل.

الشيء الآخر الذي يثير اهتمامنا بشأن هذا الاكتشاف هو إتاحة الفرصة لمقارنة الكواكب خارج نظامنا الشمسي بالكواكب الموجودة بداخله. لدى وكالة ناسا تاريخ في إرسال المركبات الفضائية إلى عمالقة الغاز في نظامنا الشمسي لقياس كمية الميثان والجزيئات الأخرى الموجودة في غلافها الجوي. الآن، من خلال قياس نفس الغاز في كوكب خارج المجموعة الشمسية، يمكننا البدء في إجراء مقارنة “من تفاح إلى تفاح” ومعرفة ما إذا كانت التوقعات من النظام الشمسي تتطابق مع ما نراه خارجه.

التطلع إلى الأمام مع تلسكوب جيمس ويب الفضائي

أخيرًا، بينما نتطلع إلى الاكتشافات المستقبلية مع ويب، توضح لنا هذه النتيجة أننا على أعتاب اكتشافات أكثر إثارة. ستسمح لنا عمليات رصد MIRI وNIRCam الإضافية لـ WASP-80 b باستخدام Webb باستكشاف خصائص الغلاف الجوي عند أطوال موجية مختلفة من الضوء. نتائجنا تقودنا إلى الاعتقاد بأننا سنكون قادرين على مراقبة جزيئات أخرى غنية بالكربون مثل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، مما سيسمح لنا برسم صورة أكثر اكتمالا للظروف في الغلاف الجوي لهذا الكوكب.

بالإضافة إلى ذلك، عندما نجد غاز الميثان والغازات الأخرى في الكواكب الخارجية، سنستمر في توسيع معرفتنا حول كيفية عمل الكيمياء والفيزياء في ظل ظروف مختلفة عن تلك التي نعيشها على الأرض، وربما نكون قريبًا على كواكب أخرى تذكرنا بما لدينا. هنا. في المنزل. هناك شيء واحد واضح: رحلة الاستكشاف باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي مليئة بالمفاجآت المحتملة.

المرجع: “الميثان في الغلاف الجوي للكوكب الخارجي الساخن WASP-80b” بقلم تايلور جيه بيل، لويس ويلبانكس، إيفريت شلاوين، مايكل آر لاين، جوناثان جيه فورتني، توماس بي جرين، كازوماسا أونو، فيفيان بارمنتييه، إميلي راوشر ، توماس جي بيتي، ساجنيك موخيرجي، ليندسي إس وايزر، مارثا إل بوير، مارسيا جيه ريكي وجون إيه ستانسبيري، 22 نوفمبر 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06687-0

عن المؤلفين:

• تايلور بيل هو باحث ما بعد الدكتوراه في معهد أبحاث منطقة الخليج البيئي (BAERI)، ويعمل في مركز أبحاث أميس التابع لناسا في وادي السيليكون في كاليفورنيا.
• لويس ويلبانكس هو زميل ناسا هابل في جامعة ولاية أريزونا في تيمبي، أريزونا.