به نام خداوند گردان سپهر | فروزنده ماه و ناهید و مهر

سیارات فراخورشیدی

چکیده تحقیق

آزادی سخن‌هایمان را به افرادی همچون جوردانو برونو،گالیلئو گالیله، نیکولاس کوپرنیک و … مدیون هستیم .کسانی که جسارت بیان ایده‌هایشان درباره سیارات و آسمان را در مقابل کلیساها داشتند با وجود اینکه می‌دانستند که امکان دارد به ارتداد متهم شده و محکوم شوند اما بشر اکنون توانایی دیدن چیزهایی فراتر از آسمآن‌ها و ستارگان را دارد که در این مقاله به آن می‌پردازیم.
لازم است از محدودیت‌ها بگذریم و از خورشید و منظومه شمسی مدتی دور شویم تا به ورای آنچه که می‌بینیم برسیم.

پیشگفتار

می‌خواهم مقدمه و پیشگفتار را با سخن کپلر شروع کنم، اولین کسی که قوانین حرکت سیارات را بنا نهاد یوهانس کپلر بزرگ:

من آسمان‌ها را اندازه گرفتم و دریافتم که: آسمان ذهن را حقیر می‌کند همانگونه که زمین، اجسام را.

یوهانس کپلر

چیزی که در این سخن کپلر قابل توجه است واژه حقیر است، از آن‌جایی که ذهن آدمی توانایی درک هر چیز را دارد پس بهتراست به جای محدود کردن خود به یک ستاره و سیاره‌های اطرافش به سیاراتی بپردازد که با چشم و حتی تلسکوپ معمولی نتوانیم آن را ببینم تا شاید راهی نیز برای پیدا کردن حیات در دیگر سیارات باشد.

در ادامه مقاله به آشکارسازی و اطلاعات آماری سیارات فراخورشیدی نیز خواهیم پرداخت تا راهی باشد برای داشتن اطلاعات بیشتر در مورد آن‌ها و البته راهی باشد برای توجه بیشتر شما به اجسامی که خارج از منظومه شمسی هستند.

اهداف تحقیق

هدف از خواندن هر نوشته علمی یادگیری بیشتر است، حتی اگر به قدر کافی هم در آن موضوع اطلاعات داشته باشید مروری بر دانسته‌هایتان خواهد بود، از این رو هدف این مقاله تنها تقویت دانسته‌های شما علاقه مندان به نجوم است‌، هدفی که دیگر اهداف مقاله یعنی آشنایی با سیارات فرا خورشیدی و ماورای منظومه شمسی‌، بررسی جدیدترین سیارات فراخورشیدی و تفاوت آن‌ها با دیگر سیارات را دربرمی‌گیرد.

فصل اول: تعریف سیارات و تفاوت آن‌ها با سیارات فراخورشیدی

اشخاصي که چشم‌انداز کيهاني را به عنوان يک چشم‌انداز کم ارزش مي‌بينند، به واقع بايد طرز تفکر خود را نسبت به جهان دوباره ارزيابي کنند. زيرا من وقتي در جهان جستجو مي‌کنم، مي‌دانم که هم کوچک هستم و هم بزرگ. بزرگ هستم زيرا به جهان تعلق دارم، و جهان نيز به من پيوسته است.

نیل دگرس تایسون

برای درک کامل سیارات فراخورشیدی ابتدا باید به درک درستی از سیارات برسیم پس با تعریف سیاره شروع می‌کنم : سیاره یک جرم آسمانی است که در حرکتی مداری به دور یک ستاره یا بقایای ستاره‌ای می‌گردد، جرم آن به اندازه‌ای است که تحت تاثیرنیروی گرانش خود گرد می‌شود اما آنقدر زیاد نیست که سبب همجوشی هسته‌ای شود. (ویکی پدیا)

اکنون که معنای دقیق سیاره را درک کردیم مفهوم سیارات منظومه شمسی را بگوییم‌، منظومه شمسی منظومه‌ای دربرگیرنده یک ستاره به نام خورشید و شماری اجرم آسمانی دیگر است که در مدار‌هایی مشخص پیرامون آن می‌گردند.(ویکی پدیا )

با توضیحات ویکی پدیا نتیجه‌گیریی که می‌کنیم این است که تنها سیاراتی که دور خورشید می‌چرخند جزو سیارات منظومه خورشیدی هستند. اکنون سوال این است که تکلیف سیاراتی که دور ستاره‌ای به غیر از خورشید می‌گردند چیست؟ آن‌ها سیارات فراخورشیدی نام دارند‌، سیاره فراخورشیدی یا سیاره غیرخورشیدی یا Exoplanet سیاره‌ای است که خارج از منظومه شمسی قرار دارد و به دور یک ستاره غیر از خورشید در حال گردش است.

هر روزه نشانه‌های جدیدی از وجود اتمسفر و شرایط حیات در بسیاری از این سیارات بدست می‌آید که این نشانه‌ها با سرعت چشمگیری در حال افزایش می‌باشند. حجم این داده‌ها به اندازه‌ای زیاد است که اخترشناسان را قادر ساخته تا حتی درباره چگونگی تشکیل و پیدایش این سیارات نیز نظریات قابل قبول و استنتاج‌هایی را ارائه دهند.
به‌طور کلی‌، دو روش برای تشکیل سیارات وجود دارد. اولین روش از طریق به‌هم‌پیوستگی است که در آن ستاره و سیاره از فروریزش گرانشی مستقل از یکدیگر تشکیل می‌شوند اما به‌حدی نزدیک هم هستند که نیروی جاذبه متقابل آن‌ها را در مدار به هم می‌پیوندد.
دومین روش که منظومه شمسی ما نیز از همان طریق بوجود آمده است‌، روش دایره‌ای (دیسک) است. در این روش ماده از یک دیسک باریک اطراف پیش‌ستاره فشرده می‌شود تا سیاره را تشکیل دهد. هر یک از این فرایندها مجموعه متفاوتی از پارامترها را دارند که اخترشناسان را قادر می‌سازد تا با برسی اثرات به‌جا مانده از آن‌ها، به آن پی‌ببرند.
(سایت نجوم ایران)

نخستین شناسایی علمی وجود یک سیاره فراخورشیدی در سال 1988 انجام شد ولی تایید اصلی وجود آن در سال 1992 به ثبت رسید. نام علمی آن PSR B1257+12B, C است که دور ستاره (پی‌اس‌آر بی 1257+12) در گردش است. پس از کشف آن از آن زمان تاکنون اخترشناسان با استفاده از دیگر روش‌های آشکارسازی، تعداد سیارات فراخورشیدی بسیار زیادی را کشف کرده و می‌کنند. تعداد این اکتشافات روز به روز در حال افزایش است.

قدرت منجمین در کشف فراخورشیدی‌ها به قدری بالا رفته است که حدود چند ماه پیش نیز اولین سیاره فراخورشیدی در خارج از کهکشان راه شیری به نام (ام 51 یو-ال-اس-1بی) که با کره زمین 31  میلیون سال نوری فاصله دارد کشف شد! روزان دی استفانو فیزیکدان آمریکایی در جواب این کشف گفت: «ما در تلاش هستیم تا عرصه جدیدی را برای یافتن جهآن‌های دیگر باز کنیم.» ستاره شناسان از رصدخانه پرتو ایکس چاندرا ناسا و با استفاده از تلسکوپ XMM  این سیاره را در کهکشان گرداب کشف کردند . برای شناسایی آن از اشعه ایکس توسط گروه روزان دی استفانو استفاده شد .(در فصل‌های بعد به روش‌های آشکارسازی سیارات فراخورشیدی خواهیم پرداخت.)  طبق گفته محققان این سیاره فراخورشیدی  به دور یک ستاره نوترونی و یک سیاه‌چاله می‌چرخد. براساس گزارش‌ها، رصد آن‌ها در مجموع حدود سه ساعت به طول انجامید و تشعشعات اشعه ایکس به صفر رسید. این امر به دانمشندان کمک کرد تا دریابند که  جرم سیاره احتمالاً به اندازه زحل است و به دور ستاره نوترونی در فاصله‌ای دو برابر فاصله زحل از خورشید می‌چرخد.
(به گزارش خبرنگار حوزه دریچه فناوری گروه فضای مجازی باشگاه خبرنگاران جوان‌، به نقل از سایت لایوساینس.)

فصل دوم: روش‌های آشکارسازی سیارات فراخورشیدی

شاید زمانی که مردمان دوردست در سیاره‌های دیگر طول موجی از ما دریافت می‌کنند‌، همه‌ی آنچه می‌شنوند یک فریاد ممتد باشد.

اریس مورداک

شش روش کلی برای آشکارسازی سیارات فراخورشیدی وجود دارد که عبارتند از:

1- روش تصویربرداری مستقیم

روش تصویربرداری مستقیم، تنها روشی است که در آن سیاره به‌طور مستقیم مشاهده می‌شود. این روش برای سیاره‌های جوان و داغی مناسب ‌است که به اندازه‌ی کافی از ستاره میزبان خود دور هستند. تعداد سیاره‌هایی که با این روش کشف شده‌اند زیاد نیست. در حال حاضر با پیشرفت روش‌های کروناگرافی استفاده از این روش در حال افزایش‌است.

در باقی روش‌ها سیاره فراخورشیدی به‌طور مستقیم دیده نمی‌شود و تنها می‌توان با رصد ستاره میزبان و مشاهده تأثیرات گرانشی یا تغییرات نوری‌ای که سیاره بر روی آن می‌گذارد، به طور غیرمستقیم، به وجود سیاره پی‌برد.

2- روش سرعت شعاعی

تاکنون اندازه‌گیری سرعت شعاعی موفق‌ترین روش در کشف سیاره‌های فراخورشیدی بوده‌است. حدود نیمی از آن‌ها با این روش کشف شده‌اند. در یک سیستم ستاره‌ای، این تنها سیاره نیست که در حال حرکت در مدارش است، بلکه ستاره و سیاره، هر دو به دور مرکز جرم مشترکشان در حال گردش هستند.

مرکز جرم دو یا چند جسم آسمانی در حال چرخش به دور هم، نقطه‌ای‌است در فضای بین آن‌ها که این اجرام به دور آن می‌گردند. این مفهوم در اخترشناسی و اخترفیزیک اهمیت زیادی دارد.

چون مرکز جرم این سیستم به مرکز ستاره بسیار نزدیک‌است، مدار ستاره بسیار بسیار کوچک است؛ که این موجب حرکت نوسانی ریزی در ستاره می‌شود. این حرکت نوسانی باعث ایجاد پدیده دوپلر می‌شود که با اندازه‌گیری انتقال به سرخ در طیف ستاره قابل اندازه‌گیری است. این روش برای سیاره‌های سنگین و بزرگی مناسب است که به ستاره میزبان خود بسیار نزدیک هستند.

اثر دوپلر برای اولین بار توسط ریاضی‌دان و منجم استرالیایی کریستیان دوپلر در سال 1842 بیان شد از این اثر برای اندازه‌گیری سرعت ماشین‌ها‌، فشارخون، حرکت ستارگان و کهکشآن‌ها استفاده می‌شود. برگرفته از کتاب نظریه‌های تاثیر گذار در علم فیزیک اثر جوان بیکر

3- روش گذر از مقابل ستاره

اساس این روش مانند مطالعه ستاره‌های دوتایی گرفتی است. در برخی موارد، هنگامی که زاویه تمایل مدار نزدیک به ۹۰ درجه است. پدیده گذر روی می‌دهد که در آن سیاره از دید ما از روبروی قرص ستاره میزبان عبور می‌کند. در نتیجه این گذر مقداری از نور ستاره مسدود می‌شود و روشنایی ظاهری ستاره اندکی تغییر می‌کند.

اگر در اندازه‌گیری‌های نورسنجی، تغییر نوری در ستاره ایجاد شود، می‌تواند مدرکی از وجود یک سیاره در اطراف آن باشد. هرچند برای تأیید قطعی کشف سیاره، به رصدهای پشتیبان نیازاست. روش گذر دومین روش موفق در کشف سیارات فراخورشیدی و نیز نخستین متد موفق در شخصیت‌پردازی سیارات است.

4- روش اخترسنجی

اخترسنجی شاخه‌ای از اخترشناسی است: دانش اندازه‌گیری‌های دقیق جایگاه ستارگان و اجسام نجومی مانند کهکشآن‌ها و سحابی‌ها و … در آسمان و بررسی تغییرات جایگاه آن‌ها است. اطلاعات به‌دست آمده از راه اخترسنجی امکان یافتن آگاهی‌های دقیق‌تری را در مورد بررسی منشأ فیزیکی منظومه خورشیدی و کهکشان راه‌شیری فراهم می‌کند.

5- روش ریزهمگرایی (میکرولنزینگ)

ریزهمگرایی تنها روش شناخته‌شده است که می‌تواند سیاراتِ در فواصل بسیار دور را شناسایی کند. این درحالی است که بُرد شناسایی سرعت شعاعی، تا فاصله ۱۰۰ سال نوری از زمین، نورسنجی و گذرسنجی تا فاصله صدها سال نوری و ریزهمگرایی تا نزدیکی مرکز کهکشان (هزاران سال نوری) است. ریزهمگرایی یک اثر نجومی است که توسط نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شد.

براساس گفته اینشتین، زمانی که نور ساطع شده از یک ستاره در مسیرخود به سمت یک ناظر روی زمین، با فاصله خیلی کم از یک ستاره دیگر عبور می‌کند، گرانش ستاره میانی پرتوهای نور از ستاره چشمه را اندکی خم می‌کند که منجر می‌شود دو ستاره دورتر از مقدار معمول از یکدیگر به نظر آیند. این اثر، توسط سر آرتور ادینگتون در ۱۹۱۹ استفاده شد تا اولین شاهد تجربی را برای نسبیت عام فراهم آورد.

نکته مثبت این روش آن است که می‌توانیم سیارات فراخورشیدی کوچک و دور را نیز مشاهده کنیم. اما به علت فاصله زیاد سیاره فراخورشیدی تا زمین، امکان رصد این سیاره کشف شده خیلی کم است.

(برگرفته از سایت علمی فضای بیکران)

6- روش زمان‌سنجی تپ‌اختری

این روش جزء راه‌های قدیمی برای شناسایی سیارات فراخورشیدی است که شامل اندازه‌گیری‌های دقیق موقعیت ستاره مادر در آسمان در طول دوره‌های زمانی مختلف است. اگر ستاره‌ای، سیاره داشته باشد، اثر گرانشی آن سبب می‌شود، ستاره در مدارهایی گردش داشته باشد. این سبب تغییر موقعیت ستاره می‌شود و با اخترسنجی دقیق، می‌توان به این تغییرات موقعیتی در زمینه ستاره‌های دور پی‌برد اما این روش در مقایسه با دیگر راهکار‌های امروزی کارایی کمتری دارد زیرا برای یافتن سیارات فراخورشیدی، نیازمند تلسکوپ‌های بزرگ و قوی است؛ از طرفی شرایط جوی هم تاحدودی باعث بروز مشکل می‌شود.

(برگرفته از سایت علمی فضای بیکران )

فصل سوم: امکان حیات در سیارات فراخورشیدی

کیهان در بین ماست، ما از توده‌ی ستارگان ساخته شده‌ایم. ما راهی برای مشاهده کیهان به خودش هستیم.

کارل سیگن

وجود حیات در دیگر سیارات منظومه شمسی همواره مورد توجه بوده است‌، نیاکان ما با نگاه به سیاراتی همچون زهره‌، مریخ‌، زحل و… آن‌ها را ستارگان متمایز از سایر ستارگان و گاهی الهه‌هایی که خودشان به‌وجود آورده بودند تصور می‌کردند. امروزه ما درباره آن سیاره‌های منظومه شمسی که نیاکان ما آن‌ها را خدایان می‌نامیدند اطلاعات کافی داریم و حتی می‌دانیم کدام یک مناسب برای حیات بشری هست و کدام یک نیست‌، از این رو تلاش برای کشف حیات در سیاره سرخ یعنی مریخ افزایش یافت؛ وامروزه  نیز به لطف کسانی همچون ایلان ماسک ادامه دارد‌. از این‌ها گذشته‌، می‌پردازیم به امکان حیات برای بشریت روی سیارات فراخورشیدی که شبیه به زمین هستند (از نظر اندازه‌، عناصر سازنده و…).

گروهی از محققان دانشگاه ایالتی واشنگتن در آمریکا سیارات فراخورشیدی جدیدی را با استفاده از داده‌های ماموریت تلسکوپ کپلر کشف کرده و می‌گویند، این سیارات قابل سکونت ممکن است نسبت به زمین شرایط بهتری برای حفظ حیات در مدت زمان طولانی‌تر داشته باشند.

احتمال وجود حیات در جای دیگر از این جهان یکی از سوالات عمده‌ای است که علم مدرن همواره در جستجوی آن است. 

در حالی که هنوز هیچ مدرک مستقیمی از وجود چنین حیاتی کشف نشده است اما مأموریت‌های شکار سیاره فراخورشیدی مانند ماموریت فضاپیمای «کپلر» بسیاری از ایده‌ها را در مورد چگونگی شکل‌گیری سیستم‌های سیاره‌ای تغییر داده و ابزارهایی را برای محققان فراهم کرده‌اند که می‌توانند درباره حیات ورای منظومه شمسی بدون تمرکز زیاد بر حدس و گمان، بیاندیشند.

از بیش از چهار هزار سیاره فراخورشیدی (کشف شده تا   22 مارس 2022) تعدادی قابل سکونت قلمداد می‌شوند. البته این عبارت تا حدودی گمراه کننده است زیرا به این معنی نیست که فردی بتواند در یک سیاره فرود آید و خانه‌سازی را شروع کند.

بلکه قابل سکونت بودن یک سیاره به این معنی است که یک سیاره سنگی در منطقه مداری درستی در اطراف ستاره مادر خود قرار دارد و درجه حرارت آن به اندازه‌ای ​​است که آب مایع بدون یخ زدن یا جوشیدن در سطح آن وجود داشته باشد. به این منطقه یا ناحیه، ناحیه حیات‌پذیر در اطراف آن ستاره می‌گویند. برای مثال زمین با این معیارها قابل سکونت است اما ناهید و مریخ قابل سکونت نیستند. اکنون محققان دانشگاه ایالتی واشنگتن، ۲۴ سیاره فراخورشیدی پیدا کرده‌اند که نه تنها قابل سکونت بوده بلکه بالقوه قابل سکونت‌تر از زمین هستند. این سیارات فراخورشیدی در فاصله بیش از ۱۰۰ سال نوری از خورشید واقع شده‌اند و دارای برخی ویژگی‌هایی هستند که باعث می‌شود برای حفظ حیات بهتر از زمین باشند.

(گزارش از پایگاه اینترنتی اطلس نیوز )

هم اکنون  بیش از 8000 سیاره جزو کاندیداهای سیارات فراخورشیدی هستند که پژوهش‌های دقیق اخترشناسان تنها 5000 از آن‌ها را به ثبت رسانیده است. مابقی آن‌ها در حال بررسی و پژوهش دقیق‌تر هستند.

ماهواره تِس TESS

ماهواره نقشه‌بردار فراخورشیدی‌های گذران Transiting Exoplanet Survey Satellite که به اختصار تس TESS نامیده می‌شود، یک تلسکوپ فضایی ساخت ناسا است که ۱۹ آوریل سال ۲۰۱۸ میلادی به فضا پرتاب شد. به عنوان ادامهی برنامه کاوشگران، هدف تس جستجوی سیاره‌های فراخورشیدیِ بیشتر در منطقه‌ای از آسمان به وسعت ۴۰۰ برابر پوشش مأموریت کپلر (که قبلا نام آن آمد.) با استفاده از روش گذر است. به‌ویژه آن‌هایی که در ناحیه حیات‌پذیر ستاره قرار دارند. انتظار می‌رود که این ماهواره موفق به پیدا کردن بیش از ۲۰٬۰۰۰ سیارهی دیگر شود. (ویکی‌پدیا)

پایان

محقق: کمند حسن‌نژاد
نوروز 1401