في السنوات الأخيرة، ازدادت دراسة الكواكب الخارجية بدون غلاف جوي لقد حقق هذا المجال قفزة هائلة بفضل إمكانيات تلسكوب جيمس ويب الفضائي. فما كان في السابق مجرد نقاط ضوئية بسيطة وتقديرات تقريبية، أصبح الآن صورة مباشرة لأسطحه الصخرية، ودرجات حرارته القصوى، وكيفية تفاعله مع نجومه.
تُظهر أحدث البيانات التي حصلت عليها فرق بحث دولية أن بعض هذه العوالم، وخاصة تلك التي تدور في مدارات قريبة جدًا من النجوم القزمة الحمراءلقد فقدت هذه الكواكب تقريبًا كل أثر لغلافها الغازي. هذا الفراغ الجوي يحولها إلى أفران كونية حقيقية من جهة، وصحاري متجمدة من جهة أخرى، مما له آثار واضحة على البحث عن كواكب صالحة للسكن في مجرتنا.
ترابيست-1 بجانب ترابيست-1 ج: أسطح عارية بجوار قزم أحمر
قام فريق دولي من الباحثين بتحليل الكواكب الخارجية بالتفصيل. ترابيست-1 بواسطة ترابيست-1 ج باستخدام قدرات الأشعة تحت الحمراء لتلسكوب جيمس ويب الفضائي. كان الهدف الرئيسي هو قياس الانبعاث الحراري لأسطحه للتحقق مما إذا كان هناك غلاف جوي قادر على إعادة توزيع الحرارة بين النهار والليل.
تشير الملاحظات إلى أن الحرارة تبقى محصورة بشكل شبه كامل في الجانب المضاء بنور الشمس من كلا الكوكبين، بينما لا يصدر الجانب المظلم أي إشعاع يُذكر. هذا الاختلاف الصارخ بين جانبي النهار والليل دليل واضح للغاية على أن لا يوجد غلاف جوي كثيف التي تنقل الطاقة عبر الرياح أو الدوران العالمي، كما يحدث على الأرض.
في عالم ذي غلاف غازي كثيف، يعمل الهواء المتحرك على تخفيف التباينات الحرارية، حتى لو كان الكوكب مقيدًا مدّيًا ويُظهر دائمًا نفس الوجه لنجمه. أما على كوكب ترابيست-1 بايك، فإن درجات الحرارة القصوى المقاسة تشير إلى الأسطح الصخرية المعرضة مباشرة للفضاءبدون وسادة غازية لتخفيف الإشعاع وفقدان الحرارة.
يستبعد الفريق وجود أغلفة جوية مماثلة لغلاف الأرض الجوي، ويشير إلى أنه إذا بقي أي غاز حول هذه الكواكب، فسيكون ذلك على الأرجح غرامة غير عاديةإن هذا الغياب شبه التام للهواء يجعل كوكب TRAPPIST-1 byc مثالاً نموذجياً للكواكب الخارجية التي لا تمتلك غلافاً جوياً، والتي تتشكل بفعل قربها من نجمها و... إشعاع نجمي مكثف التي يتلقونها.
تُعد هذه النتيجة ذات أهمية خاصة لأن TRAPPIST-1 هو قزم أحمر نشط للغايةنوع من النجوم شائع جدًا في مجرة درب التبانة، ويُعتبر من الأولويات في البحث عن عوالم صالحة للسكن منذ سنوات. إن فقدان كواكبه الداخلية غلافها الغازي بالكامل تقريبًا يُعزز فرضية أن الإشعاع المكثف والانفجارات النجمية قادرة على تدمير أغلفة الكواكب التي تدور حوله على مسافة قريبة جدًا.
في السياق الإسباني، تتابع الجامعات ومراكز الأبحاث هذه التطورات عن كثب. وفي مقابلة حديثة، قال أستاذ الفيزياء الفلكية في جامعة كومبلوتنسي بمدريد، يسوع جاليجو، قام بتحليل أهمية هذه الملاحظات التي أجراها جيمس ويب على TRAPPIST-1 byc بدقة، مسلطًا الضوء على كيفية السماح بالدراسة المباشرة لوجود أو عدم وجود أغلفة جوية على عوالم ذات حجم مماثل لحجمنا.
LHS 3844 b: كوكب أرضي عملاق بدون هواء ومحترق بفعل نجمه
قضية رئيسية أخرى ضمن عائلة الكواكب الخارجية بدون غلاف جوي إنه الكوكب الصخري LHS 3844 b، الذي يقع على بعد حوالي 48,5 سنة ضوئية من الأرض، ويدور حول نجم قزم أحمر. وهو كوكب عملاق أرضي، يبلغ نصف قطره حوالي 30% أكبر من نصف قطر الأرض، ويكمل دورة كاملة حول نجمه في 11 ساعة فقط. القرب الشديد إلى نجمها.
بسبب قربه الشديد من النجم، يخضع الكوكب لظاهرة التزامن المداري، مما يجعله يُظهر دائمًا نفس نصف الكرة الأرضية للنجم. يبقى هذا الجانب النهاري مضاءً باستمرار ويصل إلى درجات حرارة تصل إلى مئات الدرجات، بينما يغرق الجانب الليلي في ظلام دامس ودرجات حرارة أقل بكثير، لعدم وجود هواء لتوزيع الحرارة.
أتاحت الملاحظات التي أجريت باستخدام تلسكوب جيمس ويب، ولأول مرة، الكشف عن الضوء القادم مباشرة من السطح من هذا الكوكب الصخري الخارجي. استخدم الفريق العلمي، بقيادة سيباستيان زيبا (مركز الفيزياء الفلكية بجامعة هارفارد ومؤسسة سميثسونيان) ولورا كريدبيرج (معهد ماكس بلانك لعلم الفلك، في هايدلبرغ)، العديد من حالات الكسوف الثانوي المسجلة بين عامي 2023 و2024 لعزل سطوع الكوكب عن سطوع نجمه.
في هذه الملاحظات، قام جهاز MIRI التابع لتلسكوب جيمس ويب الفضائي، والذي يعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، بقياس الإشعاع المنبعث من نصف الكرة الأرضية النهاري في نطاق من 5 إلى 12 ميكرونبفضل هذه النافذة الطيفية، تمكن الباحثون من إعادة بناء الطيف الحراري للكوكب ومقارنته بنماذج مختلفة لأسطح الصخور المعروفة.
يشير التحليل إلى أن النجم LHS 3844 b يفتقر إلى غلاف جوي ملحوظ. فلو كان له غلاف غازي كثيف، لأظهر الطيف إشارات من جزيئات مثل... ثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكبريتبالإضافة إلى توزيع أكثر كفاءة للحرارة. ومع ذلك، لا تكشف البيانات عن آثار كبيرة لهذه المركبات المتطايرة، وتشير إلى عالم خالٍ تقريبًا، حيث تتركز الحرارة على الجانب المضاء بنور الشمس.
جيولوجيا عالم متطرف: ماذا يخبرنا الضوء المنبعث من LHS 3844 b
إلى جانب تأكيد عدم وجود غلاف جوي، يقدم الطيف الحراري لـ LHS 3844 b أدلة حول الغلاف الجوي نفسه. تكوين سطحها الصخريقارن الباحثون الملاحظات بأنواع مختلفة من القشرة الكوكبية، من الأسطح الغنية بالسيليكات المشابهة للأرض إلى التضاريس الأكثر قتامة مثل تلك الموجودة على عطارد أو القمر.
وتستبعد النتائج وجود قشرة أرضية مشابهة لقشرة الأرض، تتكون أساسًا من سيليكات خفيفة مثل الجرانيت، والتي ترتبط عادةً بـ النشاط التكتوني المطول ووجود الماء لفترات طويلة. بدلاً من ذلك، يتناسب الطيف بشكل أفضل مع المواد البازلتية والمعادن الداكنة، مع سمات تذكرنا ببحار القمر أو سطح عطارد.
يقترح الفريق سيناريوهين رئيسيين لتفسير هذا المظهر الداكن. من ناحية، من المحتمل أن يكون السطح مُهيمنًا عليه بواسطة بازلت حديث ذو أصل بركانيقد يكون هذا نتيجة ثورات بركانية جددت التضاريس في وقت قريب نسبيًا على المقياس الزمني الجيولوجي. أو قد تكون قشرة أرضية قديمة جدًا، مغطاة بالتربة السطحية، وخضعت لتعديلات على مدى مليارات السنين بفعل اصطدامات النيازك الدقيقة والإشعاع النجمي.
ومع ذلك، فإن غياب علامات واضحة على وجود غازات بركانية، مثل ثاني أكسيد الكبريت أو ثاني أكسيد الكربون، يجعل فرضية النشاط البركاني هذا الاحتمال أقل ترجيحاً. بدلاً من ذلك، تكتسب فكرة سطح قديم ومظلم بفعل ما يسمى بالتجوية الفضائية زخماً، وهي عملية مشابهة لتلك التي أدت إلى اسوداد صخور القمر وعطارد بمرور الوقت.
تتراوح درجات الحرارة المقدرة في نصف الكرة الأرضية النهاري للنجم LHS 3844 b حول 1.000 كلفنأكثر من كافية لإذابة معادن مثل الرصاص. هذه القيمة، بالإضافة إلى ظاهرة التزامن المداري وانعدام الغلاف الجوي، تجعل الكوكب مختبرًا طبيعيًا لدراسة مدى قدرة الإشعاع المنبعث من قزم أحمر على تسخين سطح عالم صخري حرفيًا.
وبغض النظر عن الطبيعة المذهلة لهذه الأرقام، فإن الإنجاز الرئيسي هو أن المجتمع العلمي تمكن، ولأول مرة، من صف جيولوجيا كوكب خارج المجموعة الشمسية بشكل مباشر، دون الاعتماد فقط على نماذج الغلاف الجوي أو تقديرات الكثافة المتوسطة. الآن يمكن تحليل الصخرة نفسها، مما يفتح الباب أمام مقارنات أكثر دقة لتنوع أسطح الكواكب خارج المجموعة الشمسية.
كيف يكشف تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن الكواكب الخارجية الخالية من الغلاف الجوي
تعتمد قدرة تلسكوب جيمس ويب الفضائي على دراسة الكواكب الخارجية التي لا تمتلك غلافًا جويًا على تقنيات متطورة للغاية لتحليل سطوع الأنظمة النجمية. ومن أهم هذه التقنيات... التحليل الطيفي للكسوف الثانويوالتي تتضمن قياس كيفية تغير إجمالي الضوء عندما يمر الكوكب خلف نجمه كما يُرى من الأرض.
في حالة LHS 3844 b، رصد الفريق عدة كسوفات من هذا النوع بين عامي 2023 و2024. يكمن المفتاح في مقارنة سطوع النظام عندما يكون الكوكب مرئيًا مع سطوعه عندما يكون مختبئًا خلف النجم. يمثل الفرق بين القياسين... الانبعاثات الحرارية للكوكبوالتي يمكن تحليلها إلى أطوال موجية مختلفة بفضل أجهزة تلسكوب جيمس ويب.
عندما لا يمتلك كوكب خارج المجموعة الشمسية غلافًا جويًا أو يمتلك غلافًا رقيقًا جدًا، فإن معظم الإشعاع المكتشف في نطاق الأشعة تحت الحمراء يأتي من سطح صلب ساخنولهذا السبب فإن نطاق 5 إلى 12 ميكرون الذي يغطيه جهاز MIRI ذو قيمة كبيرة: فهو يسمح لنا بالتقاط البصمة الحرارية للمعادن المختلفة، وهو أمر كان من المستحيل تحقيقه باستخدام التلسكوبات السابقة لمثل هذه العوالم الصغيرة والبعيدة.
يحدث شيء مشابه مع نظام TRAPPIST-1 byc، على الرغم من أن التركيز في ذلك النظام كان أكثر على توزيع الحرارة بين نصفي الكرة الأرضية النهاري والليلي. في كلتا الحالتين، تباينات شديدة في درجات الحرارة تشير السجلات إلى نفس النتيجة: بدون طبقة من الغازات لإعادة توزيع الطاقة، فإن الجانب المعرض للنجم يسخن بشكل مفرط ويبرد الجانب المقابل بشكل مفرط.
حتى وقت قريب نسبياً، لم يكن بالإمكان وصف الكواكب الصخرية خارج المجموعة الشمسية إلا بثلاثة معايير أساسية: الكتلة ونصف القطر ومتوسط الكثافةبفضل تلسكوب جيمس ويب الفضائي، خطونا خطوة أبعد، حيث أصبحنا قادرين على تحديد ما إذا كانت هذه الكواكب تحتفظ بغلاف جوي، وكيف يبدو سطحها، وما هي العمليات الجيولوجية التي قد تكون نشطة أو كانت نشطة في الماضي.
ماذا تعني هذه العوالم التي لا تحتوي على غلاف جوي بالنسبة لقابلية السكن؟
لا يعتبر كل من LHS 3844 b والكواكب الداخلية لنظام TRAPPIST-1 مرشحين صالحين للسكن. درجات الحرارة القصوىإن افتقارها للغلاف الجوي وتعرضها المستمر للإشعاع من نجومها يجعلها خارج أي سيناريو معقول للحياة كما نعرفها. ومع ذلك، فإن دراستها أساسية لفهم الظروف التي تدمر أو تحافظ على الأغلفة الغازية.
تُعزز أمثلة الكواكب الخارجية التي لا تمتلك أغلفة جوية وتدور على مقربة شديدة من الأقزام الحمراء فكرة أن هذه الأجرام السماوية، على الرغم من كونها الأكثر وفرة في المجرة، يمكن أن تكون معادية للعوالم الصخرية تقع في مدارات داخلية للغاية. يمكن للانفجارات المتكررة والرياح النجمية الشديدة والإشعاع عالي الطاقة أن تؤدي إلى تآكل الغلاف الجوي وتبديده حتى يصبح السطح مكشوفًا تمامًا.
في المقابل، رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي كواكب خارجية أخرى، مثل ك2-18 بتُظهر هذه الكواكب علامات على وجود جزيئات تحتوي على الكربون في طيف غلافها الجوي، مما يشير إلى وجود غلاف غازي أكثر كثافة. وتُبين هذه العوالم، التي تقع على مسافات متوسطة من نجمها، أن ليس كل الكواكب التي تدور حول الأقزام الحمراء تفقد غلافها الجوي، على الرغم من أن التوازن يبدو دقيقًا.
داخل نظام TRAPPIST-1 نفسه، توجد بعض الكواكب التي تقع على مسافة أبعد قليلاً من النجم، مثل ترابيست-1 هـلا تزال هذه الكواكب تُعتبر مرشحة مثيرة للاهتمام من منظور قابلية السكن. وتهدف عمليات الرصد المستمرة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى تحديد ما إذا كانت هذه العوالم المتوسطة قد تمكنت من الاحتفاظ ببعض غلافها الجوي على الرغم من النشاط النجمي.
تساعد هذه الفسيفساء من الحالات - من الكواكب العملاقة المحترقة التي لا تحتوي على غلاف جوي إلى الكواكب المعتدلة التي تحتوي على غاز قابل للكشف - المجتمع العلمي على تحديد أفضل للأماكن التي يكون فيها الأمر جديرًا بالاهتمام. ابحث عن علامات الحياة في المستقبل، يعد معرفة الظروف التي يتم في ظلها الحفاظ على الغلاف الجوي أو فقدانه أمراً أساسياً لاختيار الأهداف ذات الأولوية لكل من تلسكوب جيمس ويب والتلسكوبات القادمة التي سيتم إطلاقها في أوروبا وأماكن أخرى في العالم.
تُظهر الدراسات التي أُجريت على الكواكب الخارجية الصخرية TRAPPIST-1 b وTRAPPIST-1 cy وLHS 3844 b، مجتمعةً، صورةً مفادها أن العديد من هذه الكواكب ينتهي بها المطاف كعوالم خالية من الغلاف الجوي، ذات أسطح جرداء وتقلبات حرارية شديدة بين الليل والنهار. وقد تحققت هذه النتائج إلى حد كبير بفضل... تلسكوب جيمس ويب الفضائي وبمتابعة دقيقة من قبل المجتمع العلمي الأوروبي والإسباني، فإنهم يعيدون تعريف ما نعرفه عن تطور الكواكب الصخرية وعن مدى تأثير فقدان الغلاف الجوي على الحدود الفاصلة بين بيئة قابلة للسكن وصحراء كونية معادية تمامًا.
