كيف تطورت الأرض من محيط من الصهارة إلى الجوهرة الزرقاء النابضة بالحياة والتي تدعم الحياة كما هي الآن؟ في سنواتها الأولى ، كانت الأرض عبارة عن كرة ساخنة من الصهارة. الآن ، بعد 4.5 مليار سنة ، بالكاد يمكن التعرف عليه.
هل من الممكن العثور على الكواكب الخارجية هناك في الامتداد الشاسع ، وهي عبارة عن كرات شابة منصهرة تشبه إلى حد كبير كوكب الأرض؟ كم منهم يمكن أن نتوقع أن نجد؟ أين سنجدهم؟
أدى عمل جديد قام به فريق من الباحثين في جامعة شيفيلد في المملكة المتحدة إلى تحسين البحث عن هذه الكواكب الشابة المنصهرة.
قاد هذا البحث الجديد الدكتور ريتشارد باركر ، من قسم الفيزياء والفلك بالجامعة. الورقة بعنوان ' اكتشاف الكواكب الخارجية واعتمادها على أخذ العينات العشوائية لوظيفة الكتلة الأولية النجمية. 'تم نشره في مجلة الفيزياء الفلكية.
تسمى الكواكب الشابة المنصهرة المشابهة للأرض المبكرة جدًا كواكب المحيط الصهارة . في وقت مبكر جدًا من تاريخ هذه الكواكب ، كان اضمحلال العناصر المشعة يوفر الحرارة. مع مرور الوقت ، تساعد التأثيرات العملاقة للكواكب الصغيرة الأخرى الكوكب على اكتساب الكتلة ، وإنشاء محيطات صهارة عملاقة. من خلال دراسة هذه الكواكب ، يقول المؤلفون أننا سنكتسب فهمًا أفضل لكيفية تشكل الكواكب الصالحة للحياة مثل الأرض.
رسم توضيحي لفنان للأرض ، بعد وقت قصير من تشكيلها. تعرضت الأرض في أيامها الأولى لتأثيرات عملاقة متكررة ، تسبب كل منها في تكوين محيط من الصهارة وتسخين الكوكب لفترة من الزمن. يمكن للعلماء استخدام الحرارة الناتجة عن هذه التأثيرات للمساعدة في اكتشاف كواكب الصهارة الأخرى في مهدها. الائتمان: ناسا
عندما يتعلق الأمر بالكشف ، فإن هذه الكواكب المحيطية الصهارية لها شيء واحد لصالح العلماء: الحرارة. هذه الكواكب الصغيرة أكثر سخونة من الكواكب الصخرية القديمة ، كما أنها تظل ساخنة بسبب الاصطدام مع الكواكب الصغيرة الأخرى في الأنظمة الشمسية الفتية والفوضوية حيث يقيمون.
قال باركر في خبر صحفى . 'تصدر هذه الكواكب الكثير من الحرارة لدرجة أننا سنتمكن من مراقبة التوهج الناتج عنها باستخدام الجيل التالي من التلسكوبات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء.'
درس الفريق مجموعات من النجوم الشابة في مجرة درب التبانة ، لمحاولة تحديد ما إذا كانت أنواع معينة من النجوم تؤدي إلى هذه الأنواع من الكواكب. وجدوا نجومًا شبيهة بالشمس أكثر مما توقعوا. من هناك ، استنتجوا أن العدد الأكبر من النجوم الشبيهة بالشمس يزيد من احتمالات العثور على المزيد من الكواكب الشبيهة بالأرض حول تلك النجوم.
قال باركر: 'المواقع التي يمكن أن نجد فيها هذه الكواكب تسمى' مجموعات الشباب المتحركة 'وهي مجموعات من النجوم الشابة التي تقل أعمارها عن 100 مليون سنة - وهي عبارة عن نجم صغير'. نظرًا لأنهم صغار ، فهناك فرصة أكبر أيضًا للعثور على كواكب المحيط الصهارة الصغيرة من حولهم.
رسم توضيحي لفنان لـ Beta Pictoris ، نجم عنوان Beta Pictoris Moving Group. وفقًا لهذه الدراسة الجديدة ، هناك فرصة بنسبة 0.75٪ لاكتشاف كوكب محيط من الصهارة حول هذا النوع من النجوم في هذه المجموعة. يظهر انطباع هذا الفنان كيف يمكن أن يظهر كوكب خارج المجموعة الشمسية حول هذا النجم. الائتمان: ESO / L. كالسادا
وأوضح باركر: 'ومع ذلك ، فإنها تحتوي عادةً على بضع عشرات من النجوم فقط ، وكان من الصعب تحديد ما إذا كنا قد وجدنا كل النجوم في كل مجموعة لأنها تمتزج في خلفية مجرة درب التبانة'.
كان ذلك معوقًا هامًا أمام هذا الخط من التحقيق. هذا هو مكان وكالة الفضاء الأوروبية تلسكوب جايا الفضائي ادخل.
يقوم جايا بفهرسة عينة تمثيلية من النجوم في مجرة درب التبانة - حوالي مليار منها - بدقة غير مسبوقة. من هذه البيانات ، تنشئ Gaia نوعًا من التعداد النجمي ، وهي خريطة ثلاثية الأبعاد لمجرتنا ستخبرنا كثيرًا عن تكوينها وتشكيلها وتطورها. مكنت قدرات Gaia باركر والباحثين المشاركين معه من إحراز تقدم.
'لقد ساعدتنا الملاحظات من تلسكوب Gaia في العثور على المزيد من النجوم في هذه المجموعات ، مما مكننا من إجراء هذه الدراسة.'
كانت البيانات من مركبة الفضاء جايا التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية جزءًا مهمًا من هذه الدراسة. هذه الصورة هي أول خريطة سماء لـ Gaia. الائتمان: ESA / Gaia / DPAC. شكر وتقدير: A. Moitinho & M. Barros (CENTRA - University of Lisbon) ، نيابة عن DPAC.
يعتمد العمل على مفهوم النجم وظيفة الكتلة الأولية (صندوق النقد الدولي). يصف IMF مقدار الكتلة الأولية المتاحة لتشكيل النجوم ، في هذه الحالة داخل مجموعات الشباب المتحركة (YMG). ولكن نظرًا لأن YMGs تحتوي على عدد قليل من النجوم ، فإن أخذ عينات من IMF الخاص بها يعني أنه يمكن أن يكون هناك تنوع كبير في عدد النجوم.
أظهر أخذ عينات من صندوق النقد الدولي للفريق من YMGs أن بعض المجموعات كانت ناقصة في الأقزام الحمراء ، والمعروفة باسم الأقزام الحمراء. من هناك ، خلصوا إلى أن احتمال اكتشاف كواكب المحيط الصهارة مثل الأرض الفتية يعتمد بشكل كبير على 'الأعداد الدقيقة للنجوم الناتجة من خلال أخذ العينات العشوائية من صندوق النقد الدولي ،' كما كتبوا في ورقتهم.
انطباع الفنان عن نظام الكواكب الخارجية التي تدور حول نجم قزم أحمر منخفض الكتلة. نظرًا لأنه من الصعب اكتشاف كواكب المحيطات الصهارية حول الأقزام الحمراء ، فإن عدد الأقزام الحمراء في كل مجموعة صغيرة متحركة يؤثر على احتمال العثور على كواكب المحيط الصهارة في تلك المجموعات. الائتمان: ناسا / مختبر الدفع النفاث
هذا كثيف بعض الشيء ، وربما معقد. كيف يضاف كل هذا إلى العثور على المزيد من كواكب المحيط الصهارة المشابهة للأرض الفتية؟
المفتاح يكمن في أخذ عينات من صندوق النقد الدولي ، وفي كلمة أولية. صندوق النقد الدولي هو قياس للكتلة الموزعة بين مجموعة من النجوم ، في هذه الحالة المجموعات الشابة المتحركة. إنه ليس وصفًا للكتلة الفعلية في مجموعة النجوم ، لأن النجوم تتطور بشكل مختلف. انها ص وظيفة توزيع القابلية .
ومن هناك ، كتب المؤلفون أن 'اكتشاف كواكب المحيطات الصهارية الأرضية يعتمد بشكل كبير على الأعداد الدقيقة للنجوم التي يتم إنتاجها من خلال أخذ العينات العشوائية من صندوق النقد الدولي'. أخذ الفريق عينات من صندوق النقد الدولي لحقل المجرة وقارنوه بصندوق النقد الدولي المكون من 10 مجموعات شابة متحركة منفصلة ، وهي مجموعات من النجوم الشابة حيث توقعوا العثور على كواكب المحيط الصهارة الأرضية الشابة.
يسرد هذا الرقم من الدراسة 10 مجموعات شابة متحركة وأعمارها ومسافاتها والعدد المرصود لكل نوع من النجوم في كل مجموعة. حقوق الصورة: Bottrill et all، 2020.
مع هذه البيانات في متناول اليد ، قام الفريق بحساب احتمالات العثور على كواكب المحيط الصهاري في ثلاثة YMGs مع تلسكوبات وأدوات مستقبلية. يتم الكشف عن كواكب المحيطات الصهارية من خلال حرارتها ، والتي ترتفع بعد اصطدامها العملاق بأقراص الكواكب الأولية. كانت مجموعات YMG الثلاثة هي Beta Pictoris و TW Hydrae و Eta Chamaeoleontis.
يوضح هذا الشكل من الدراسة ثلاثة من مجموعات الشباب المتحركة وأنواع النجوم في كل منها. ثم يعرض عدد الاصطدامات العملاقة المتوقعة في قرص كوكبي أولي ، ثم احتمالية اكتشاف تلك التأثيرات باستخدام ELT. يُظهر العمود الرابع اكتشافات التأثير العملاق المتوقعة باستخدام ELT ، ويوضح العمود الخامس طول الفترة الزمنية التي يمكن فيها اكتشاف الحرارة الناتجة عن تلك التأثيرات على كوكب الصهارة في المحيط.
توصل الفريق إلى ثلاث استنتاجات:
- ثمانية من عشرة عينات YMGs كانت ناقصة في M-stars (الأقزام الحمراء) مقارنة بالمجال المجري IMF.
- سبعة من YMGs تستضيف أيضًا المزيد من النجوم A ، وستة تستضيف عددًا أكبر من النجوم G ، مما هو متوقع عند مقارنتها بالمجال المجري IMF. وهذا يعني وجود احتمال أكبر لاكتشاف كواكب المحيطات الصهارية ، حيث يسهل القيام بذلك حول هذه الأنواع من النجوم مقارنة بالنجوم M.
- أنتج أخذ عينات من صندوق النقد الدولي في مجموعات الشباب المتحركة انتشارًا في العدد المتوقع للنجوم المستضيفة للكواكب. هذا يعني أنه حتى في YMGs ذات الكتل المماثلة وعلى مسافات مماثلة ، فإن احتمالية اكتشاف كواكب المحيط الصهارة ستختلف.
بسيط ، أليس كذلك؟
يدور هذا العمل حول العثور على كواكب شابة ، وهذا يعني الكواكب الأخرى التي هي كواكب المحيطات الصهارية الآن ، وستبرد في النهاية. يتم اكتشاف هذه الكواكب بسهولة أكبر من الكواكب الأخرى لأنها تنبعث منها الكثير من الحرارة. وتتصاعد هذه الحرارة بعد اصطدام هائل بين الكوكب الشاب وكوكب آخر في قرص الكواكب الأولية. إنها بمثابة نقطة انطلاق لفهم عدد كواكب المحيطات الصهارية ، وما هي الاحتمالات ، وأنواع النجوم التي تدور حولها.
في المستقبل ، يأمل الفريق في استخدام محاكاة حاسوبية مفصلة لشرح أصول YMG أنفسهم. يقولون أن أبحاثهم ستساعد العلماء أيضًا على فهم كيف يكون تكوين النجوم عالميًا.
مثل العديد من الدراسات ، إنها نقطة انطلاق مثيرة للاهتمام للعمل في المستقبل. يساعد الباحثين على التفكير في الملاحظات التي ستكون ممكنة باستخدام التلسكوبات المستقبلية ، والاستفسارات العلمية التي سيتمكنون من متابعتها. في هذه الحالة ، يقدم بعض الإرشادات حول مكان وكيفية البحث عن كواكب أخرى أصغر سناً.