معمای زمان تشکیل سیاره‌های فراخورشیدی کشف شد

به گزارش سرویس ترجمه ایمنا، زمان شکل‌گیری نخستین سیاره‌های کوچک، نحوه برافزایش سیاره‌ها و تکامل ژئوفیزیکی و ترکیبی آن‌ها را تعیین می‌کند. مشاهدات نجومی قرص‌های پیراستاره‌ای و زمین‌شناسی منظومه شمسی شواهدی ارائه می‌کند که نشان می‌دهد تشکیل سیاره‌های کوچک در طول فروپاشی ابر مولکولی، بسیار زودتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، آغاز شده است. در این مطالعات شواهد متمایزی از سیستم‌های سیاره‌ای کوتوله سفید برای شکل‌گیری سیاره‌های کوچک به‌دست آمد که طی چند صد هزار سال اول پس از فروپاشی ابر در منظومه‌های فراسیاره‌ای رخ می‌دهد.

بخش قابل‌توجهی از کوتوله‌های سفید دارای مواد سیاره‌ای غنی از هسته آهنی یا مواد گوشته هستند. برای تشکیل هسته‌های آهنی سیارک‌های خارجی که توسط کوتوله‌های سفید ایجاد می‌شود، گرمایش قابل‌توجهی لازم است. با شبیه‌سازی تکامل سیاره‌ای کوچک و تکامل برخورد، مشخص شد که محتمل‌ترین منبع گرما هسته‌های رادیواکتیو کوتاه‌مدت است. بنابراین مواد غنی هسته در اتمسفر کوتوله‌های سفید، شواهد مستقلی برای شکل‌گیری سریع سیاره‌ای، هم‌زمان با شکل‌گیری ستاره ارائه می‌دهند.

رشد همزمان ستاره مادر و سیاره فرزند

مطالعات محققان دانشگاه کمبریج روی بعضی از قدیمی‌ترین ستاره‌های کیهان، درک بشر را از نحوه شکل‌گیری منظومه شمسی تغییر داد و یکی از معماهای بزرگ نجوم را حل کرد. نتایج این مطالعات با همکاری محققانی از دانشگاه آکسفورد، دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان و مؤسسه تحقیقاتی ماکس پلانک انجام گرفت، در مجله Nature Astronomy منتشر شده و نشان داد که بلوک‌های سازنده سیاراتی مانند مشتری و زحل به احتمال زیاد در زمانی که یک ستاره جوان در حال رشد است شروع به تشکیل می‌کنند؛ حال آن‌که تاکنون تصور می‌شد آغاز شکل‌گیری سیاره‌ها زمانی اتفاق می‌افتد که ستاره به اندازه نهایی خود رسیده باشد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که سیاره‌ها و ستاره مادر آن‌ها هم‌زمان با هم رشد می‌کنند.

محققان دانشگاه کمبریج پیش از آغاز مطالعات خود اشاره کردند که اخترشناسان نظریه بسیار خوبی از نحوه تشکیل سیاره‌ها دارند، اما زمان شکل‌گیری آن‌ها سوالی بزرگ در ذهن است. هیچ‌کس نمی‌داند که آیا شکل‌گیری سیاره‌ها زمانی آغاز می‌شود که ستاره مادر هنوز در حال رشد است یا میلیون‌ها سال بعد نهایی شدن رشد ستاره است که سیاره مراحل شکل‌گیری خود را آغاز می‌کند.

آن‌ها برای پاسخ به این پرسش خود ستارگان کوتوله سفید (بقایای باستانی و کم نور ستارگانی مانند خورشید) را مورد مطالعه قرار دادند تا اجزای سازنده سیاره‌ها را بررسی کنند. آن‌ها دلیل انتخاب خود را این‌گونه بیان کردند که بعضی از کوتوله‌های سفید آزمایشگاه‌های شگفت‌انگیزی هستند، زیرا جو نازک آن‌ها تقریباً شبیه قبرستان‌های آسمانی است.

فضای داخلی سیاره‌ها به‌طور معمول دور از دسترس تلسکوپ است، اما دسته خاصی از کوتوله‌های سفید دارای عناصر سنگینی مانند منیزیم، آهن و کلسیم در اتمسفر معمول خود هستند. این عناصر به‌احتمال زیاد از اجسام کوچکی مانند سیارک‌هایی آمده است که از شکل‌گیری سیاره‌ها باقی مانده‌، به کوتوله‌های سفید برخورد کرده و در اتمسفر آن‌ها سوخته‌اند. در نتیجه مشاهدات طیف‌سنجی این دسته از کوتوله‌های سفید می‌تواند امکان بررسی فضای داخلی آن سیارک‌های متلاشی‌شده را فراهم آورد و بینش مستقیمی از شرایط شکل‌گیری آن‌ها در اختیار اخترشناسان قرار بدهد.

اعتقاد بر این است که تشکیل سیاره در یک دیسک پیش‌سیاره‌ای شروع می‌شود که از هیدروژن، هلیوم و ذرات ریز یخ و غبار ساخته شده است و به دور یک ستاره جوان می‌چرخد. براساس نظریه فعلی در مورد چگونگی تشکیل سیارات، ذرات غبار به یکدیگر می‌چسبند و در نهایت اجسام جامد بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند. تعدادی از این اجرام بزرگ‌تر به انباشته شدن ادامه خواهند داد و به سیاره تبدیل می‌شوند، بعضی از آن‌ها نیز مانند آن‌هایی که در این مطالعه فعلی با کوتوله‌های سفید برخورد کرده‌اند، به‌صورت سیارک باقی می‌مانند.

نتایج به‌دست آمده از بررسی دانشمندان کمبریج

محققان دانشگاه کمبریج مشاهدات طیف‌سنجی اتمسفر ۲۰۰ کوتوله سفید از کهکشان‌های مجاور را تجزیه‌وتحلیل کردند. براساس نتایج به‌دست آمده ترکیب عناصری که در اتمسفر این کوتوله‌های سفید دیده می‌شود را تنها در یک صورت می‌توان توضیح داد؛ یعنی زمانی که ذوب شدن بسیاری از سیارک‌های اولیه هم‌زمان با فرو رفتن آهسته آهن سنگین به هسته و شناور ماندن عناصر سبک روی سطح انجام گرفته باشد. این فرآیند که به‌عنوان تمایز شناخته می‌شود، همان چیزی است که باعث شد زمین هسته‌ای غنی از آهن داشته باشد.

محققان اعلام کردند که علت ذوب را تنها می‌توان به عناصر رادیواکتیو بسیار کوتاه‌مدت نسبت داد که در مراحل اولیه تشکیل منظومه سیاره‌ای وجود داشته‌اند، اما طی تنها یک میلیون سال از بین می‌روند. به عبارت دیگر اگر این سیارک‌ها توسط چیزی ذوب شوند که تنها برای مدت کوتاهی در زمان تولد منظومه سیاره‌ای وجود دارد، فرآیند تشکیل سیاره باید خیلی سریع آغاز شود.

نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که نظریه اولیه موجود برای شکل‌گیری سیاره‌ها به‌احتمال زیاد صحیح است و مشتری و زحل زمان زیادی برای رشد به اندازه‌های فعلی خود داشتند، اما مطالعه حاضر تکمیل‌کننده اجماع فزاینده در این زمینه است که «شکل‌گیری سیاره در اوایل و هم‌زمان با رشد ستاره مادر آغاز شده و نخستین اجرام منظومه شمسی هم‌زمان با ستاره خود شکل گرفته است.» تجزیه‌وتحلیل کوتوله‌های سفید نشان داد که فرآیند ذوب رادیواکتیو مکانیزمی بالقوه در همه‌جای کیهان است که بر شکل‌گیری تمام سیاره‌های فراخورشیدی تأثیر می‌گذارد.

محققان دانشگاه کمبریج خاطرنشان کردند که مطالعه فعلی تنها آغاز کار است و هر بار کشف یک کوتوله سفید جدید شواهد و اطلاعات بیشتری درباره نحوه تشکیل سیاره‌ها به‌دست می‌دهد. آن‌ها تاکید کردند که طی مطالعات آینده می‌توانند با ردیابی عناصری مانند نیکل و کروم دریابند که یک سیارک در زمان تشکیل هسته آهنی خود چقدر بزرگ بوده است.