الكواكب الخارجية: عوالم خارج نظامنا الشمسي

أصغر كوكب خارج المجموعة الشمسية تم اكتشافه حتى الآن عمره أقل من مليون سنة.

أصغر كوكب خارج المجموعة الشمسية تم اكتشافه حتى الآن عمره أقل من مليون سنة ويدور حول كوكو تاو 4 ، وهو نجم يبعد 420 سنة ضوئية. استنتج علماء الفلك وجود الكوكب من ثقب هائل في القرص الغباري الذي يحيط بالنجم. يبلغ حجم الثقب 10 أضعاف حجم مدار الأرض حول الشمس ، وربما يكون ناتجًا عن قيام الكوكب بإخلاء مساحة في الغبار أثناء دورانه حول النجم. (رصيد الصورة: ناسا)



الكواكب الخارجية هي كواكب خارج نظامنا الشمسي. تم اكتشاف الآلاف في العقدين الماضيين ، معظمهم باستخدام تلسكوب كبلر الفضائي التابع لناسا.



تأتي هذه العوالم في مجموعة كبيرة من الأحجام والمدارات. بعضها كواكب عملاقة تعانق بالقرب من نجومها الأم ؛ البعض الآخر جليدي ، وبعضها صخري. تبحث وكالة ناسا ووكالات أخرى عن نوع خاص من الكواكب: كوكب بنفس حجم الأرض ، يدور حول نجم شبيه بالشمس في المنطقة الصالحة للسكن.

المنطقة الصالحة للسكن هي نطاق المسافات من نجم حيث تسمح درجة حرارة الكوكب بالمحيطات المائية السائلة ، وهو أمر بالغ الأهمية للحياة على الأرض. كان أول تعريف للمنطقة يعتمد على توازن حراري بسيط ، لكن الحسابات الحالية للمنطقة الصالحة للسكن تشمل العديد من العوامل الأخرى ، بما في ذلك تأثير الاحتباس الحراري للغلاف الجوي للكوكب. هذا يجعل حدود المنطقة الصالحة للسكن 'ضبابية'.



أعلن علماء الفلك في أغسطس 2016 أنهم ربما وجدوا مثل هذا كوكب يدور حول بروكسيما سنتوري . قال الباحثون إن العالم المكتشف حديثًا ، والمعروف باسم Proxima b ، أكبر بنحو 1.3 مرة من الأرض ، مما يشير إلى أن الكوكب الخارجي هو عالم صخري. الكوكب أيضا في النجم منطقة صالحة للسكن على بعد 4.7 مليون ميل (7.5 مليون كيلومتر) من نجمها المضيف. يكمل مدارًا واحدًا كل 11.2 يومًا من أيام الأرض. نتيجةً لذلك ، من المحتمل أن يكون الكوكب الخارجي مغلقًا تدريجيًا ، مما يعني أنه يظهر دائمًا نفس الوجه لنجمه المضيف ، تمامًا كما يظهر القمر وجهًا واحدًا فقط (الجانب القريب) للأرض.

تم اكتشاف معظم الكواكب الخارجية بواسطة تلسكوب كبلر الفضائي ، وهو مرصد بدأ العمل في عام 2009 ومن المتوقع أن ينهي مهمته في عام 2018 ، بمجرد نفاد الوقود. اعتبارًا من منتصف مارس 2018 ، اكتشف كبلر 2342 كوكبًا خارجيًا مؤكدًا وكشف عن وجود ربما 2245 كوكبًا آخر. العدد الإجمالي للكواكب التي اكتشفتها جميع المراصد هو 3،706.

الاكتشافات المبكرة

في حين لم يتم تأكيد وجود الكواكب الخارجية حتى تسعينيات القرن الماضي ، كان علماء الفلك مقتنعين لسنوات سابقة بوجودها. لم يكن هذا مجرد تفكير بالتمني ، ولكن بسبب بطء دوران شمسنا والنجوم الأخرى المشابهة لها ، كما أخبر عالم الفيزياء الفلكية في جامعة كولومبيا البريطانية جيمي ماثيوز موقع ProfoundSpace.org. ماثيوز ، عالم البعثة لمراقب تلسكوب الكواكب الخارجية العرضية (MOST) (التغير الدقيق وتذبذبات النجوم) ، شارك في بعض الاكتشافات المبكرة للكواكب الخارجية.



كان لعلماء الفلك قصة منشأ لنظامنا الشمسي. ببساطة ، انهارت سحابة دوارة من الغاز والغبار (تسمى سديم البروتوسولار) تحت جاذبيتها وشكلت الشمس والكواكب. مع انهيار السحابة ، كان الحفاظ على الزخم الزاوي يعني أن الشمس التي ستصبح قريبًا يجب أن تدور بشكل أسرع وأسرع. ولكن بينما تحتوي الشمس على 99.8٪ من كتلة النظام الشمسي ، تمتلك الكواكب 96٪ من الزخم الزاوي. سأل علماء الفلك أنفسهم لماذا تدور الشمس ببطء شديد.

كان للشمس الفتية مجال مغناطيسي قوي جدًا ، تمتد خطوط قوتها إلى قرص الغاز الدائر الذي تتشكل منه الكواكب. ترتبط خطوط المجال هذه بالجسيمات المشحونة في الغاز ، وعملت مثل المراسي ، مما أدى إلى إبطاء دوران الشمس المتكونة وتدوير الغاز الذي سيتحول في النهاية إلى كواكب. تدور معظم النجوم ببطء ، مثل الشمس ، لذلك استنتج علماء الفلك أن نفس 'الكبح المغناطيسي' حدث لهم ، مما يعني أن تكوين الكواكب يجب أن يكون قد حدث لهم. المعنى الضمني: يجب أن تكون الكواكب مشتركة حول النجوم الشبيهة بالشمس.

لهذا السبب وغيره ، حصر علماء الفلك في البداية بحثهم عن الكواكب الخارجية على نجوم مشابهة للشمس ، لكن أول اكتشافين كانا حول نجم نابض (جثة تدور بسرعة لنجم مات كمستعر أعظم) تسمى PSR 1257 + 12 ، في 1992. أول اكتشاف مؤكد لعالم يدور حول نجم شبيه بالشمس ، في عام 1995 ، كان 51 Pegasi b - كوكب المشتري بكتلة أقرب 20 مرة من شمسه منا. كانت تلك مفاجأة. لكن غريبة أخرى ظهرت قبل سبع سنوات والتي ألمحت إلى ثروة الكواكب الخارجية القادمة.



اكتشف فريق كندي كوكبًا بحجم كوكب المشتري حول جاما سيفي في عام 1988 ، ولكن نظرًا لأن مداره كان أصغر بكثير من مدار كوكب المشتري ، لم يطالب العلماء باكتشاف كوكب نهائي. لم نكن نتوقع كواكب من هذا القبيل. قال ماثيوز: `` لقد كان مختلفًا بدرجة كافية عن كوكب في نظامنا الشمسي لدرجة أنهم كانوا حذرين ''.

كانت معظم الاكتشافات الأولى للكواكب الخارجية عبارة عن عمالقة غاز ضخمة بحجم كوكب المشتري (أو أكبر) تدور بالقرب من نجومهم الأم. هذا لأن علماء الفلك كانوا يعتمدون على تقنية السرعة الشعاعية ، والتي تقيس مدى تذبذب النجم عندما يدور كوكب أو كواكب حوله. تنتج هذه الكواكب الكبيرة القريبة تأثيرًا كبيرًا على نجمها الأم ، مما يؤدي إلى سهولة اكتشاف التذبذب.

قبل عصر اكتشافات الكواكب الخارجية ، كانت الأدوات قادرة فقط على قياس الحركات النجمية حتى كيلومتر واحد في الثانية ، وهي غير دقيقة للغاية لاكتشاف التذبذب بسبب كوكب. الآن ، يمكن لبعض الأدوات قياس سرعات منخفضة تصل إلى سنتيمتر في الثانية ، وفقًا لماثيوز. ويرجع ذلك جزئيًا إلى تحسين الأجهزة ، ولكن أيضًا لأن علماء الفلك أصبحوا الآن أكثر خبرة في إخراج الإشارات الدقيقة من البيانات.

كبلر ، تيس والمراصد الأخرى

تم إطلاق Kepler في عام 2009 في مهمة رئيسية لمراقبة منطقة في كوكبة الدجاجة. نفذت كبلر هذه المهمة لمدة أربع سنوات - ضعف عمر مهمتها الأولية - حتى فشلت معظم عجلات رد الفعل (أجهزة التوجيه). ثم وضعت ناسا كبلر في مهمة جديدة تسمى K2 ، حيث يستخدم كبلر ضغط الرياح الشمسية للحفاظ على موقعه في الفضاء. يقوم المرصد بتبديل مجال رؤيته بشكل دوري لتجنب وهج الشمس. تباطأت وتيرة اكتشاف كبلر للكواكب بعد التحول إلى K2 ، ولكن لا يزال يتم العثور على مئات الكواكب الخارجية باستخدام الطريقة الجديدة. احتوى أحدث إصدار لبياناته ، في فبراير 2018 ، على 95 كوكبًا جديدًا.

مخطط المعلومات العوالم الغريبة 20

ملصق Infographic للعوالم الغريبة مقاس 20 × 60 بوصة. اشتري هنا (رصيد الصورة: متجر guesswhozoo.com)

كشف كبلر عن وفرة من أنواع مختلفة من الكواكب. إلى جانب عمالقة الغاز والكواكب الأرضية ، فقد ساعدت في تحديد فئة جديدة بالكامل تُعرف باسم ' الأرض الفائقة ': الكواكب التي تقع بين حجم الأرض ونبتون. يقع بعضها في المناطق الصالحة للسكن لنجومها ، لكن علماء الأحياء الفلكية يعودون إلى لوحة الرسم للنظر في كيفية تطور الحياة في مثل هذه العوالم. أظهرت ملاحظات كبلر أن الكواكب الفائقة موجودة بوفرة في كوننا. (الغريب أن نظامنا الشمسي لا يبدو أنه يحتوي على كوكب بهذا الحجم ، على الرغم من أن البعض يعتقد أن كوكبًا كبيرًا يُدعى 'الكوكب التاسع' قد يكون كامنًا في الروافد الخارجية للنظام الشمسي).

طريقة كبلر الأساسية للبحث عن الكواكب هي طريقة 'العبور'. يراقب كبلر ضوء النجم. إذا كان الضوء خافتًا على فترات منتظمة ومتوقعة ، فهذا يشير إلى أن كوكبًا يمر عبر وجه النجم. في عام 2014 ، كشف علماء فلك كبلر (بما في ذلك الطالب السابق لماثيوز جيسون رو) عن طريقة جديدة 'تحقق من خلال التعددية' زادت من معدل ترقية علماء الفلك للكواكب المرشحة إلى كواكب مؤكدة. تعتمد هذه التقنية على الاستقرار المداري - فالعديد من عمليات عبور النجم التي تحدث بفترات قصيرة يمكن أن تكون فقط بسبب الكواكب في مدارات صغيرة ، نظرًا لأن تضاعف النجوم الكسوف التي قد تحاكي سيطرد بعضها البعض جاذبيًا من النظام في غضون بضعة ملايين من السنين فقط.

بينما تنهي كيبلر مهمتها ، من المتوقع إطلاق مرصد جديد يسمى Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) في ربيع عام 2018. وسوف يدور TESS حول الأرض كل 13.7 يومًا وسيجري مسحًا شاملًا للسماء على مدار عامين. وستقوم بمسح نصف الكرة الجنوبي في عامها الأول ، ونصف الكرة الشمالي (الذي يتضمن حقل كبلر الأصلي) في عامه الثاني. من المتوقع أن يكشف المرصد عن عدد أكبر من الكواكب الخارجية ، بما في ذلك 50 على الأقل بحجم كوكب الأرض.

تشمل مراصد الكواكب البارزة الأخرى (الماضي والحاضر) ما يلي:

  • جهاز قياس الطيف HARPS على تلسكوب La Silla بطول 3.6 متر في المرصد الأوروبي الجنوبي في تشيلي ، وكان أول ضوء له في عام 2003. الجهاز مصمم للنظر في الاهتزازات التي يسببها كوكب في دوران النجم. عثر HARPS على أكثر من 100 كوكب خارج المجموعة الشمسية نفسها ، ويستخدم بانتظام لتأكيد الملاحظات من كبلر والمراصد الأخرى.
  • التلسكوب الكندي للتغيرات الدقيقة وتذبذبات النجوم (MOST) ، الذي بدأ عمليات المراقبة في عام 2003. تم تصميم معظمه لمراقبة علم الفلك النجمي ، أو الزلازل النجمية. لكنها شاركت أيضًا في اكتشافات الكواكب الخارجية ، مثل العثور على كوكب خارج المجموعة الشمسية 55 Cancri e.
  • وكالة الفضاء الفرنسية CoRoT (COnvection ROtation and Planetary Transits) ، والتي عملت بين عامي 2006 و 2012. ووجدت بضع عشرات من الكواكب المؤكدة ، بما في ذلك COROT-7b - أول كوكب خارج المجموعة الشمسية كان له في الغالب تكوين صخري أو معدني.
  • ناسا / وكالة الفضاء الأوروبية تلسكوبات هابل وناسا سبيتزر الفضائية ، التي تراقب بشكل دوري الكواكب في الأطوال الموجية المرئية أو تحت الحمراء ، على التوالي. (يتوفر مزيد من المعلومات حول الغلاف الجوي للكوكب في الأشعة تحت الحمراء.)
  • القمر الصناعي الأوروبي المميز للكواكب الخارجية (CHEOPS) ، والذي من المتوقع أن يكون جاهزًا للإطلاق في عام 2018. تم تصميم المهمة لحساب أقطار الكواكب بدقة ، لا سيما تلك الكواكب التي تقع بين كتل الأرض الفائقة ونبتون.
  • تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لوكالة ناسا ، والمتوقع إطلاقه في عام 2020. وهو متخصص في مراقبة الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء. من المتوقع أن يكشف المرصد القوي المزيد عن قابلية السكن لبعض الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية.
  • تلسكوب PLAnetary العابر وتذبذبات النجوم (PLATO) التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، والذي من المتوقع إطلاقه في عام 2024. وهو مصمم لمعرفة كيفية تشكل الكواكب وأي الظروف ، إن وجدت ، يمكن أن تكون ملائمة للحياة.
  • مهمة ESA ARIEL (الاستقصاء الكبير للكواكب الخارجية بالأشعة تحت الحمراء للاستشعار عن بعد في الغلاف الجوي) ، والتي ستطلق في منتصف عام 2028. من المتوقع أن يرصد 1000 كوكب خارج المجموعة الشمسية وأن يقوم أيضًا بإجراء مسح للتركيبات الكيميائية لغلافها الجوي.

رسم تخطيطي يوضح الأحجام النسبية للكواكب الغريبة الجديدة التي اكتشفها كبلر ، مقارنة بالأرض والمشتري.

رسم تخطيطي يوضح الأحجام النسبية للكواكب الغريبة الجديدة التي اكتشفها كبلر ، مقارنة بالأرض والمشتري.(رصيد الصورة: ناسا / تيم بايل)

الكواكب الخارجية البارزة

مع وجود الآلاف للاختيار من بينها ، من الصعب تضييق نطاق عدد قليل. الكواكب الصغيرة الصلبة في المنطقة الصالحة للسكن هي من المعالم البارزة تلقائيًا ، لكن ماثيوز حدد خمسة كواكب خارجية أخرى وسعت منظورنا حول كيفية تشكل الكواكب وتطورها:

  • 51 بيجاسي ب:كما ذكرنا سابقًا ، كان هذا أول كوكب يتم تأكيده حول نجم شبيه بالشمس. نصف كتلة كوكب المشتري ، يدور حول شمسه على مسافة قريبة من عطارد من شمسنا. 51 Pegasi b قريب جدًا من نجمه الأم لدرجة أنه من المحتمل أن يكون مقفلًا تدريجيًا ، مما يعني أن جانبًا واحدًا يواجه النجم دائمًا.
  • HD 209458 ب:كان هذا أول كوكب يُعثر عليه (في عام 1999) يعبر نجمه (على الرغم من اكتشافه بتقنية دوبلر المتمايلة) وفي السنوات اللاحقة تراكمت المزيد من الاكتشافات. كان أول كوكب خارج النظام الشمسي يمكننا من خلاله تحديد جوانب غلافه الجوي ، بما في ذلك ملف درجة الحرارة ونقص السحب. (شارك ماثيوز في بعض الملاحظات باستخدام MOST).
  • 55 السرطان من:تدور هذه الأرض العملاقة حول نجم يكون ساطعًا بما يكفي لرؤيته بالعين ، مما يعني أنه يمكن لعلماء الفلك دراسة النظام بتفاصيل أكثر من أي نجم آخر تقريبًا. يبلغ طول `` عامها '' 17 ساعة و 41 دقيقة فقط (تم التعرف عليه عند معظم التحديق في النظام لمدة أسبوعين في عام 2011). يتكهن العلماء النظريون بأن الكوكب قد يكون غنيًا بالكربون وله نواة من الألماس.
  • HD 80606 ب:في وقت اكتشافه في عام 2001 ، كان يحمل الرقم القياسي باعتباره أكثر الكواكب الخارجية غرابة التي تم اكتشافها على الإطلاق. من الممكن أن يكون مداره الغريب (الذي يشبه مذنب هالي حول الشمس) ناتجًا عن تأثير نجم آخر. مداره المتطرف سيجعل بيئة الكوكب متغيرة للغاية.
  • WASP-33b:تم اكتشاف هذا الكوكب في عام 2011 ولديه نوع من طبقة 'واقية من الشمس' - طبقة الستراتوسفير - التي تمتص بعض الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية من نجمه الأم. لا يدور هذا الكوكب حول نجمه 'للخلف' فحسب ، بل يطلق أيضًا اهتزازات في النجم ، يراها القمر الصناعي MOST.