يستكشف علماء الفلك السماء باستمرار بحثًا عن ما هو غير متوقع. إنهم يبحثون عن نتوءات غير متوقعة في بياناتهم - تشير إلى كوكب غير معروف يدور حول نجم ، أو فئة جديدة من الأجسام الفلكية أو حتى مجموعة جديدة من القوانين الفيزيائية التي ستعيد كتابة القديمة. إنهم على استعداد لتبني أفكار جديدة قد تحل محل حكمة السنوات الماضية.
ولكن هناك استثناء واحد للقاعدة: البحث عن Earth 2.0. هنا لا نريد أن نجد ما هو غير متوقع ، بل ما هو متوقع. نريد أن نجد كوكبًا مشابهًا لكوكبنا ، ويمكننا تقريبًا أن نطلق عليه وطننا.
بينما ، لا يمكننا تصوير هذه الكواكب بالضبط بتفاصيل كافية لمعرفة ما إذا كان المرء عالمًا مائيًا به نباتات وحضارات خضراء فاتنة ، يمكننا استخدام طرق غير مباشرة للعثور على كوكب 'يشبه الأرض' - كوكب له كتلة مماثلة و نصف قطرها على الأرض.
هناك مشكلة واحدة فقط: التقنيات الحالية لقياس كتلة كوكب خارج المجموعة الشمسية محدودة. حتى الآن يقيس علماء الفلك السرعة الشعاعية - التذبذبات الصغيرة في مدار النجم أثناء تجاذبه بفعل الجاذبية لكوكب خارج المجموعة الشمسية - لاشتقاق نسبة الكتلة من الكوكب إلى النجم.
ولكن بالنظر إلى أن معظم الكواكب الخارجية يتم اكتشافها من خلال إشارة العبور الخاصة بها - وهي تنخفض في الضوء مع مرور كوكب أمام نجمه المضيف - ألن يكون رائعًا إذا تمكنا من قياس كتلته بناءً على هذه الطريقة وحدها؟ حسنًا ، وجد علماء الفلك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة.
طالب الدراسات العليا جوليان دي ويت وزميل ماك آرثر سارة سيجر طوروا تقنية جديدة لتحديد الكتلة باستخدام إشارة عبور كوكب خارج المجموعة الشمسية وحدها. عندما يمر كوكب ما ، يمر ضوء النجم عبر طبقة رقيقة من الغلاف الجوي للكوكب ، والتي تمتص أطوال موجية معينة من ضوء النجم. بمجرد وصول ضوء النجوم إلى الأرض ، سيتم طبعه بالبصمات الكيميائية لتكوين الغلاف الجوي.
يسمح ما يسمى بطيف الإرسال لعلماء الفلك بدراسة الغلاف الجوي لهذه العوالم الغريبة.
ولكن هذا هو المفتاح: كوكب أكثر ضخامة يمكنه التمسك بغلاف جوي أكثر سمكًا. لذلك من الناحية النظرية ، يمكن قياس كتلة الكوكب بناءً على الغلاف الجوي ، أو طيف الإرسال وحده.
بالطبع لا يوجد ارتباط واحد لواحد أو كنا قد اكتشفنا ذلك منذ فترة طويلة. يعتمد امتداد الغلاف الجوي أيضًا على درجة حرارته ووزن جزيئاته. الهيدروجين خفيف جدًا لدرجة أنه ينزلق بعيدًا عن الغلاف الجوي بسهولة أكبر من الأكسجين على سبيل المثال.
لذلك عمل دي فيت من معادلة قياسية تصف ارتفاع المقياس - المسافة الرأسية التي ينخفض عليها ضغط الغلاف الجوي. يعتمد مدى انخفاض الضغط على درجة حرارة الكوكب ، وقوة الجاذبية للكوكب (المعروف أيضًا باسم الكتلة) وكثافة الغلاف الجوي.
وفقًا للجبر الأساسي: معرفة أي ثلاثة من هذه المعلمات سيتيح لنا حل المعامل الرابع. لذلك يمكن اشتقاق قوة جاذبية الكوكب ، أو كتلته ، من درجة حرارة الغلاف الجوي ، وملف تعريف الضغط والكثافة - وهي معلمات يمكن الحصول عليها في طيف الإرسال وحده.
مع العمل النظري وراءهم ، استخدم دي ويت وسيجر Jupiter HD 189733b الساخن ، مع كتلة راسخة بالفعل ، كدراسة حالة. كشفت حساباتهم عن نفس قياس الكتلة (1.15 مرة كتلة كوكب المشتري) كتلك التي تم الحصول عليها بقياسات السرعة الشعاعية.
ستكون هذه التقنية الجديدة قادرة على تمييز كتلة الكواكب الخارجية بناءً على بيانات عبورها وحدها. بينما تظل كواكب المشتري الساخنة الهدف الرئيسي للتقنية الجديدة ، يهدف دي ويت وسيجر إلى وصف الكواكب الشبيهة بالأرض في المستقبل القريب. مع إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي المقرر إجراؤه في عام 2018 ، يجب أن يكون علماء الفلك قادرين على الحصول على كتلة من عوالم أصغر بكثير.
تم نشر الورقة البحثية في مجلة Science وهي متاحة الآن للتنزيل في شكل أطول بكثير هنا .