تكشف لنا أقراص النجوم أسرار ظهور الكواكب

تخبر الصور التفصيلية للأقراص التي تدور حول النجوم الصغيرة تفاصيل مظهر النظام الشمسي.

[ قابل للنقر ]

خلال القرنين ونصف القرن الماضيين ، ركز العلماء الذين يحاولون تخيل ظهور أنظمة الكواكب (بما في ذلك نظامنا) على نقطة معينة: قرص يدور حول نجم ولد حديثًا ، حيث يتم تشكيل الكواكب من الغاز والغبار ، كما لو كان من الطين على عجلة فخارية.

ولكن ماذا عن التحقق التجريبي من هذه الفكرة ، والاكتشاف الحقيقي للكواكب الخارجية التي تلتصق ببعضها البعض من قطع المواد الدوارة؟ حتى الآن ، غير ناجحة. يقول روبين دونغ ، عالِم الفيزياء الفلكية بجامعة أريزونا: "يقول الجميع اليوم أن الكواكب تتكون من أقراص كوكبية أولية". "لكن هذا الاقتراح ، بعبارات دقيقة ، هو بيان نظري".

تشير إنجازات السنوات الأخيرة إلى أنها لن تظل نظرية لفترة طويلة. باستخدام أدوات الجيل الثاني الموجودة على التلسكوبات الأرضية العملاقة ، تمكنت العديد من الفرق أخيرًا من فحص الجزء الداخلي من العديد من الأقراص الكوكبية الأولية ، وكشفت عن صور غير متوقعة وغامضة.

حدثت أحدث الملاحظات في 11 أبريل ، عندما أصدر المرصد الجنوبي الأوروبي ثماني صور للأقراص المحيطة بالنجوم الشبيهة بالشمس ، والتي ربما توضح لنا كيف كان نظامنا الشمسي في مرحلة الطفولة.

لا تُظهر الصور نقاط ضوئية واضحة لا لبس فيها تشير إلى الكواكب. لكن هذه الأنظمة وغيرها لا تزال تحتوي على تلميحات مغرية ، وإن كانت غير مباشرة ، قد تختبئ فيها كواكب حديثة الولادة. تبدو بعض الأقراص مثل سجل الفينيل ، مع حلقات وثغرات يمكن نحتها بواسطة عوالم شابة. في أقراص أخرى ، يبرز النجم الأسطح العلوية والسفلية ، ويشكل بنية تشبه اليويو.

إذا استطاع الفلكيون العثور على جرثومة الكوكب في مثل هذا المكان ، فسيكون الربح كبيرًا. هذا لن يثبت فقط واحدة من أعمق أفكار علم الفلك - إن القياس العددي للمكان الذي يتكون فيه الكوكب ، وحجمه ، سيساعد على الفور في الحكم على النظريات المتحاربة حول تكوين الكوكب.

أحد الآراء حول تكوين الكواكب يسمى تراكم النواة ، ويقول أن الكواكب تتشكل ببطء ، وتتراكم حول النوى الصخرية ، في مناطق قريبة من نجمها. تشير نظرية أخرى إلى عدم استقرار الجاذبية للقرص ، مما يشير إلى أن الكواكب العملاقة يمكن أن تتكتل بسرعة وبعيدة عن نجمها. الآن يمكن اختبار هذه الأفكار على توزيع الكواكب المعروفة في نظامنا الشمسي والأنظمة خارج المجموعة الشمسية. لكنهم لم يدرسوا أبدًا بمثال العملية الجارية ، قبل أن تتاح للكواكب فرصة الهجرة وإعادة ترتيبها.

وهذا يعطي الفلكيين الذين يدرسون هذه الأنظمة هدفًا لم يكتمل بعد. انظر إلى العجلات المملة والبعيدة والخشنة. البحث عن الكواكب الصغيرة. أخيرًا ، بعد قرون من الترقب ، ابدأ في الكشف عن العمليات الأساسية التي تشكل العوالم في الكون.

الكشف المباشر

في البحث عن الكواكب في الأقراص الكواكب الأولية ، من السهل إقناع أنفسنا بأننا نراهم. وقد لاحظ علماء الفلك الذين يدرسون هذه الأقراص بالفعل العديد من نقاط الاختباء داخلها. على سبيل المثال ، في 6 مايو ، أبلغت مجموعة دولية عن علامات على كوكب عملاق يختبئ في نظام CS Chameleon. ولكن حتى الآن ، تظل هذه النقاط مرشحة للكواكب ، ولا تؤكدها العوالم.


يخفي نظام Chameleon CS ما يبدو وكأنه رفيق صغير - مميز بدائرة منقط. مرشحات الاستقطاب الخاصة (صورة زرقاء) تجعل من الممكن رؤية قرص الغبار بكائن مخفي.

قالت كاثرين فوليت ، عالمة الفلك في كلية أمهيرست: "نحن الآن في طليعة التكنولوجيا". "فيما يتعلق بالكواكب داخل الأقراص ، فإن جميع هذه الحالات على الإطلاق موضوع نقاش ساخن."

واحدة من أدوات البحث الرائدة هي SPHERE ، مثبتة على تلسكوب كبير جدًا في تشيلي ، في صحراء أتاكاما. التقط ثمانية صور حديثة لأقراص كوكبية أولية. والآخر ، الذي يعمل عليه فوليت ، هو Gemini Planet Imager (GPI) ، وهي أداة منافسة تقع على جبل آخر في تشيلي.


يحتوي القرص المحيط بـ TW Hydra على حلقات يمكن أن تكشف لنا عن الكواكب المخفية هناك.

تم تصميم كلاهما لالتقاط الفوتونات القادمة من الكواكب التي تدور حول النجوم الأخرى ، على عكس معظم دراسات الكواكب الخارجية الأخرى التي تعتمد على الميزات غير المباشرة. كلاهما ينتج بيانات أسهل لتفسيرها بعد التدريب على أنظمة النجوم القديمة والأنيقة ، مع اختفاء الأقراص بالفعل.

تحتاج هذه الكاميرات إلى القدرة على فصل البقع الخافتة للضوء عن النجوم الساطعة - إنها مثل العثور على يراعة يجلس على حافة بقعة ضوء بعيدة. يستخدمون البصريات التكيفية ، وهي تقنية تتبع تقلبات الغلاف الجوي ، وتعديل البصريات حسب الحاجة للتعويض عن التشوهات. هذا يعوض تأثير الهواء المحرض للأرض ، وتتوقف النجوم في الصور عن الوميض ، مما يعطي دقة أفضل. كما يستخدمون الكورونوغرافات لقطع الضوء القادم من النجم.

بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم هذه الكاميرات ، التي تبحث عن الكواكب ، حيلة أخرى - التصوير التفاضلي. على سبيل المثال ، يلتقط SPHERE صورتين في وقت واحد من خلال مرشحات مستقطبة مختلفة. ضوء النجوم ليس له استقطاب ، لذلك يبدو النجم في كلتا الصورتين متشابهتين. يمكن طرحه. ولكن عندما يكون الضوء مشتتًا ، يكون مستقطبًا. وهذا يسمح للفلكيين بعزل الفوتونات المنعكسة من قرص أو كوكب.

ثم تبحث الخوارزميات عن النقاط المتبقية في العالم. ولكن في حالة الكواكب في الأقراص ، يمكن أن تخلط الخوارزمية التكتلات والسحب مع عوالم جديدة.


تم إنشاء الدوائر المتحدة المركز المحيطة بالنجم الشاب HD 163296 على الأرجح من الكواكب التي تزن زحل تقريبًا ، والتي تنظف مناطق كاملة من الغاز والغبار.

أمضى فوليت وزملاؤه السنوات القليلة الماضية وهم يحاولون تحليل هذه الإشارات الخاطئة. كما درسوا مرشحي الكواكب الغامضين ، بما في ذلك أولئك الذين لا يبدو أنهم يتحركون في مدارات حول نجمهم الأم وفقًا لقوانين كبلر للحركة ، مثل جميع الكواكب العادية.

وفي الوقت نفسه ، يفتح مسار آخر للكواكب. على الرغم من أن SPHERE و GPI لم يجدوا تأكيدًا نهائيًا للعالم الناشئ ، إلا أنهم تمكنوا من توفير أوضح صور لأقراص الكواكب الأولية.

أخيرًا ، عندما رأينا هذه الأقراص بالتفصيل ، اكتشفنا فيها حديقة حيوانات كاملة من الميزات الغريبة التي قد ترتبط بتشكيل الكواكب. قال كونستانتين باتيجين ، عالِم الفيزياء الفلكية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "لقد غيّر هذا الصورة بالكامل". "كانت هناك ثورة".

تكمن المشكلة في مقارنة هذه الميزات مع الكواكب المفترضة التي تسببها. وهذا صعب للغاية. قال فوليت: "نحن نتحدث عن الأقراص كعلامات على الكواكب". "ولكن إذا كانت هذه علامات على الكواكب ، فإننا لا نعرف حتى الآن كيف نفسرها."

مهد حلزوني

فكر في الصورة المذهلة التي تم اكتشافها لأول مرة في عام 2012 . في ستة أقراص كواكب أولية على الأقل ، هناك شيء يلف الغاز والغبار إلى لوالب تشبه الأصداف ، أو أكمام المجرات.


يحتوي القرص الكواكب الأولي المحيط بالنجم الشاب في HL Taurus على العديد من الحلقات المتراكزة. يعتقد علماء الفلك أن الكواكب في عملية التشكيل تقطع الهياكل المعقدة فيها.

لدى الفلكيين فكرتان رئيسيتان لتفسير ما يخلق هذه الأذرع الحلزونية. كلاهما يستند إلى نظرية اللوالب المجرية القديمة ، التي كانت موجودة منذ عقود. وفقًا لهذه الفكرة ، يدور الغاز والغبار حول نجم حديث الولادة ، ويبدأان في التراكم على شكل ازدحام مروري سماوي. ولكن ، يجب أن يتسبب شيء ما في حدوث اضطراب أساسي.

اقترح علماء الفلك أنه في النجوم المحاطة بأقراص ثقيلة - مثل وزن ربع النجم نفسه على الأقل - يمكن أن تؤدي الأجزاء غير المستقرة بالجاذبية إلى تراكم المواد في شكل أذرع لولبية. لكن الباحثين وجدوا العديد من الأقراص اللولبية ، التي تكون كتلتها أقل بكثير من هذه العتبة ، مما يعني أن بعض الآليات الأخرى يجب أن تعمل هنا.

ربما يستحق إلقاء اللوم على دمية متحركة. في عام 2015 ، قام فريق بقيادة دونغ ، عالم الفيزياء الفلكية من ولاية أريزونا ، بعمل محاكاة أظهرت كيف أن الكواكب العملاقة ، أكبر بقليل من المشتري ، يمكن أن تتسبب في ظهور دوامات دوامة. سوف يقع الكوكب مباشرة على طرف أحد الأذرع ، وسيسحب اللولب خلفه ، يتحرك في المدار. في هذه الحالة ، سيكون كل دوامة سهمًا عملاقًا يشير إلى الضحية - كوكبًا في عملية المنشأ.

في عام 2016 ، وجد فريق دونغ دليلاً على أن هذه اللوالب يمكن أن تولدها أجسام ضخمة. في هذه الحالة ، كان الجسم البادئ للنجم HD 100453 نجمًا قزمًا ، وهو أسهل ملاحظة من الكوكب. وأصبحت دليلاً على جدوى الفكرة. قال دونغ: "بعد ذلك ، بدأ الناس يثقون في هذا النموذج أكثر".

سيؤدي العثور على مثل هذا الكوكب عند طرف الكم إلى إغلاق هذا الشيء ، ولكن لا يزال الفلكيون يتوقعونه. في ورقة حديثة نشرت في مجلة Astrophysical Journal Letters ، قام فريق بقيادة Bean Wren ، وهو باحث في جامعة جونز هوبكنز ، بجمع وتحليل البيانات حول دوامة MWC 758 ، والتي تم جمعها لأكثر من عشر سنوات.


يمكن إنشاء الأذرع الحلزونية المحيطة بنجم MWC 758 بواسطة كوكب عملاق يقع في نهاية أحد الأذرع

يوضح تحليل Wren أنه خلال هذا الوقت ، يمكن أن تتحول الضفائر قليلاً ، حوالي 6/10 درجة في السنة. وقال رن إن هذا الدوران يتوافق مع كوكب عملاق على طرف كم يدور كل 600 عام. لكن مثل هذا الكوكب ، إن وجد ، لا يزال يختبئ منا.

بالطبع ، حتى لو كانت اللوالب مرتبطة بشكل فريد بالكواكب ، فلن تقودنا إلى جميع عوالم حديثي الولادة. في عمليات المحاكاة ، فقط عمالقة الغاز هم الأقوياء بما يكفي لإنشاء أنماط لولبية. يجب اكتشاف عوالم أصغر بطرق أخرى. بالإضافة إلى ذلك ، لا تحتوي جميع الأقراص الكوكبية الأولية على لوالب.

على سبيل المثال ، في أي من صور SPHERE الجديدة ، تحتوي الأقراص المتكونة حول النجوم الشبيهة بالشمس على أذرع لولبية. كما قال Henning Avenhaus من معهد ماكس بلانك الفلكي ، فإن هذا يشير إلى أن ظهور اللوالب أكثر فعالية حول النجوم الأكثر ضخامة. لكنهم والعديد من الأقراص الكوكبية الأولية الأخرى يظهرون شيئًا آخر أكثر واعدة: فواصل.

الكواكب في الشقوق

في خريف عام 2014 ، قرر علماء الفلك فحص ALMA ، وهي مجموعة من لوحات التلسكوبات الراديوية في جبال الأنديز الشيلية ، تدريبها على أكبر قرص كوكبي أولي يمكنهم العثور عليه. عندما تم عرض الصورة النهائية التي تظهر الدموع والحلقات السميكة في نظام HL Taurus ، تجمد الجميع.

قال لوكاس شيزا ، عالم الفلك في جامعة دييغو بورتاليس: "وقد أمضينا بقية الاجتماع نتحدث عن إتش إل توروس". عند دراسة الفجوات ، جادل العلماء المجتمعون حول ما إذا كانت قد تم إنشاؤها من قبل الكواكب. في وقت لاحق ، فحص العلماء الذين يعانون من ALMA صورًا لنظام قريب آخر ، TW Hydra ، والذي كانت فيه نفس الفجوات مرئية حتى بمزيد من التفصيل. لكن لا يمكن لأي من الأنظمة حل الجدل حول ما إذا كانت الكسور ناتجة عن الكواكب المشكلة ، أو أي شيء آخر. قال شيزا: "لا يزال هناك جدل".


تدرس الهوائيات الـ 66 لمرصد ALMA السماء فوقها أثناء وجودها في هضبة Chinantor في جبال الأنديز الشيلية.

مثل اللوالب ، يمكن للكواكب والتأثيرات الأخرى تغيير شكل الغاز. كوكب لآلاف وملايين السنين سيقطع ثلمه فيه. عند التحرك في المدار ، سوف يجذب مادة القرص لنفسه ، وكذلك يبعثرها من المدار ، ويترك قطعًا فارغًا.

يجب أن يكون نقش الجاذبية هذا تراكميًا. قال جيفري فانغ ، عالِم الفيزياء الفلكية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي: `` لخلق دوامة ، تحتاج إلى أكثر من المشتري - لكن العالم بحجم نبتون ، أو حتى صغير مثل الأرض ، يمكن أن يخلق قطعًا ملحوظة ''.

وقال: "كل هذه الكواكب لديها القدرة على خلق قطع عميقة بما فيه الكفاية حتى نتمكن من رؤيتها بسهولة باستخدام أدوات اليوم". ما هو مهم ، قد تكون هذه القواطع فرصتنا الوحيدة في المستقبل القريب لدراسة تكوين الكواكب الصغيرة ، والتي سيكون من الصعب ملاحظتها في القرص أكثر من عوالم بحجم المشتري.

ما يمكن إنشاء مثل هذه الأقسام ، إن لم يكن الكواكب؟ يمكن للحقل المغناطيسي للقرص إنشاء مناطق بها اضطرابات ، مما يسرع المواد من المناطق التي يمكن أن تصبح "مناطق ميتة" مغناطيسية فارغة. أو التغيرات المفاجئة في التركيب الكيميائي يمكن أن تخلق فجوة مماثلة لعمل الكوكب. على سبيل المثال ، يمثل خط الثلج لنظام النجوم الحد الفاصل بين القرص الداخلي الساخن ، حيث يوجد الماء على شكل بخار ، والقرص الخارجي ، حيث يتجمد الماء إلى حبيبات صلبة. تحدث انتقالات مماثلة في مواد أخرى ، على سبيل المثال ، أول أكسيد الكربون والأمونيا.

هذا الارتباك يجبر الفلكيين على البحث عن مفتاح الإجابة. قال فانغ: "في أفضل الأحوال ، سنرى الكوكب بعيدًا عن بعضنا البعض". من الناحية الفنية ، لن تتمكن التكنولوجيا الحالية من رؤية الكوكب نفسه ، ولكن قرصًا من المواد يسقط عليه حول الكوكب. إذا كانت هذه الإشارة يمكن أن ترتبط بدائرة أو فجوة ، فإن ذلك سيساعد المراقبين على مقارنة العوالم الجديدة وخصائص القرص بشكل أفضل مع بعضهم البعض.

انتظر ، ربما لم يمض وقت طويل. قال شيزا ، الذي رفض الخوض في التفاصيل: "الصور الأكثر إثارة للاهتمام التي رأيتها لم تنشر بعد". "في الأشهر المقبلة ، يمكننا أن نتوقع ظهور الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام."

يجب أن تكون التلسكوبات من الجيل التالي قادرة على المساعدة. سيكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي قادرًا على النظر داخل الأقراص على موجات الأشعة تحت الحمراء والعثور مباشرة على الكواكب. تأخر إطلاقه مؤخرًا مرة أخرى ، هذه المرة لعام 2020.


سيستخدم التلسكوب الكبير للغاية الذي يتم بناؤه حاليًا في تشيلي أشعة الليزر لإنشاء "نجوم" اصطناعية في الغلاف الجوي العلوي ، مما سيسمح للباحثين بإزالة وميض السماء.

قال بروس ماكنتوش من جامعة ستانفورد ، الذي يدير فريق GPI ، إن مشكلة محاصرة عملية تكوين الكوكب هي "تحد علمي ممتاز" للتلسكوبات التي يبلغ طولها 30 مترًا. المراصد بهذا الحجم ، مثل التلسكوب الكبير للغاية الذي يتم بناؤه حاليًا في تشيلي ، ستكون قادرة على النظر إلى الهياكل الأصغر حتى داخل الأقراص الكواكب الأولية.

وقال دونغ إنه عندما يحدث ذلك ، فإن الاعتراف بمراقبة تكوين الكوكب سيكون بمثابة "اختراق". ما كانت قصة رياضية عن ولادة العوالم سيتم لعبها في الوقت الحقيقي ، في بيانات حقيقية. "وكل هذا مرتبط بالسؤال الأساسي لأصلنا".