رصد أحد أثقل العناصر الكيميائية في الغلاف الجوي لكوكب خارجي

باستخدام التلسكوب الكبير جدًا للمرصد الأوروبي الجنوبي، اكتشف علماء الفلك أثقل عنصر عُثر عليه على الإطلاق في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية: الباريوم. وقد فوجئوا باكتشافه على ارتفاعات كبيرة في الغلاف الجوي لكل من العملاقين الغازيين شديدي الحرارة WASP-76 b و WASP-121 b، وهما كوكبان خارجيان يدوران حول النجوم خارج نظامنا الشمسي.

يثير هذا الاكتشاف غير المتوقع تساؤلات حول الشكل الذي قد تكون عليه هذه الأجواء الغريبة.

يقول توماس أزيفيدو سيلفا، طالب الدكتوراه في جامعة بورتو ومعهد الفيزياء الفلكية وعلوم الفضاء (IA) في البرتغال، الذي قاد الدراسة المنشورة في “Astronomy & Astrophysics”: «إن الجزء المحير وغير المنطقي هو: لماذا يوجد مثل هذا العنصر الثقيل في الطبقات العليا من الغلاف الجوي لهذه الكواكب؟».

لا يُعد كلٌ من WASP-76 وWASP-121 كواكب خارجية عادية. ويُعرف كلاهما بكواكب المشتري شديدة الحرارة، إذ يشابهان في حجمهما حجم كوكب المشتري وترتفع درجة السطح فيهما إلى 1000 درجة مئوية، التي تعد مرتفعة للغاية. وهذا بسبب قربهما من النجوم المضيفة، ما يعني أيضًا أن المدار حول كل نجم يستغرق يومًا إلى يومين فقط. وهذا يعطي هذه الكواكب سمات غريبة إلى حد ما، فعلى سبيل المثال يشتبه العلماء أن السماء تمطر حديدًا في WASP-76 b.

لكن مع ذلك، فوجئ العلماء بالعثور على الباريوم، الذي يُعد أثقل بمرتين ونصف من الحديد، في الغلاف الجوي العلوي للكوكبين WASP-76 b و WASP-121 b.

يوضح المؤلف المشارك أوليفييه ديمانجون، الباحث من جامعة بورتو و(IA): «نظرًا للجاذبية العالية للكواكب، نتوقع أن تسقط العناصر الثقيلة مثل الباريوم بسرعة إلى الطبقات السفلية من الغلاف الجوي».

يقول أزيفيدو سيلفا: «كان هذا اكتشافًا عرضيًا، لم نكن نتوقع أو نبحث عن الباريوم تحديدًا، وكان علينا التحقق من أنه كان قادمًا بالفعل من الكوكب، لأنه لم يسبق وجوده في أي كوكب خارج المجموعة الشمسية من قبل».

تشير حقيقة اكتشاف الباريوم في الغلاف الجوي لكلا الكوكبين -من نوع كواكب المشتري شديدة الحرارة- إلى أن هذه الفئة من الكواكب قد تكون أكثر غرابةً مما كان يُظن سابقًا.

مع أننا نرى الباريوم أحيانًا في سمائنا فهو سبب اللون الأخضر اللامع في الألعاب النارية، فإن السؤال المطروح على العلماء هو: ما العملية الطبيعية التي قد تتسبب في وجود هذا العنصر الثقيل على ارتفاعات عالية في هذه الكواكب الخارجية؟ وكما يوضح ديمانجون: «في الوقت الحالي، لسنا متأكدين من ماهية هذه الآليات».

تعد كواكب المشتري الحارة مفيدة للغاية في دراسة الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية، ويوضح ديمانجون: « تكون أغلفتها الجوية ممتدةً للغاية كونها غازية وساخنة، لذا يكون رصدها ودراستها أسهل من تلك الموجودة في الكواكب الأصغر أو الأبرد».

يتطلب تحديد تركيب الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية معدات متخصصة للغاية. استخدم الفريق أداة ESPRESSO على ESO VLT في تشيلي لتحليل ضوء النجوم الذي رُشح عبر الأغلفة الجوية لكل من ـ WASP-76 b و WASP-121 b. وهذا ما جعل الكشف عن عدة عناصر فيها بوضوح ممكنًا، بما في ذلك الباريوم.

تظهر هذه النتائج الجديدة أننا ما زلنا في بداية كشفنا لألغاز الكواكب الخارجية. مع أدوات مستقبلية مثل مقياس الطيف عالي الدقة ذي التشتت العالي ANDES، الذي سيكون على تلسكوب ESO الكبير القادم، سيتمكن علماء الفلك من دراسة الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية الكبيرة والصغيرة، بما في ذلك الكواكب الصخرية المشابهة للأرض، بعمق أكبر بكثير وجمع المزيد من الأدلة حول طبيعة هذه العوالم الغريبة.

اقرأ أيضًا: يهدف مجال أبحاث جديد إلى فهم الأغلفة الجوية الخاصة بالكواكب الخارجية

درس فريق باحثين دولي بيانات 25 كوكبًا خارجيًا ووجد صلةً بين خصائص أغلفتها الجوية، بما فيها المقاطع الجانبية الحرارية ودرجات الوفرة الكيميائية داخلها. تُعد هذه المرة الأولى التي يدرس فيها الباحثون أغلفة الكواكب الجوية الخارجية بصورة جماعية لا فردية. ستساعد هذه النتائج على إنشاء نظرية عامة لتشكل الكواكب، ما يطور فهم جميع الكواكب من بينها الأرض.

يوجد حاليًا أكثر من 3000 كوكب خارجي مؤكد، وهي الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى غير الشمس. تصعب دراسة هذه الكواكب تفصيليًا نظرًا لبعدها عن الأرض، لذا فقد كان تحديد خصائص إحدى هذه الكواكب الخارجية إنجازًا كبيرًا.

استخدم علماء الفلك في هذا البحث بيانات محفوظةً تخص 25 كوكب مشتري حار، وهي كواكب غازية عملاقة تدور قرب نجومها المضيفة. تضمنت البيانات عمليات مراقبة مدتها 600 ساعة من مرصد هابل الفضائي، وأكثر من 400 ساعة من عمليات المراقبة من مرصد سبيتزر الفضائي.

كان وجود انقلاب الحرارة أو غيابه إحدى الخصائص التي تحقق منها الفريق. تحبس الأغلفة الجوية الكوكبية الحرارة، لذا ترتفع درجة الحرارة عمومًا عند التوغل عميقًا داخل الغلاف الجوي. لكن بعض الكواكب تظهر انقلابًا حراريًا، وتكون درجة حرارة طبقة الغلاف الجوي العليا أعلى من الطبقة الموجودة أسفله. يسبب وجود غاز الأوزون على الأرض حدوث انقلاب حراري.

وجد الفريق أن معظم كواكب المشتري الحارة التي يحدث فيها انقلاب حراري تظهر دلائل تشير إلى وجود أيون الهيدروجين، وأنواع معدنية مثل أكسيد التيتانيوم وأكسيد الفاناديوم وهدريد الحديد أيضًا. وفي المقابل، فإن الكواكب الخارجية التي لم تحظ بهذه المواد الكيميائية لم تختبر تقريبًا أي انقلاب حراري إطلاقًا.

من الصعب استخلاص نتائج بناءً على الترابط وحده. لكن بما أن الأنواع المعدنية هذه تمتص الضوء النجمي بفعالية، تقول إحدى النظريات أنه عند وجود المواد الكيميائية هذه في الغلاف الجوي العلوي، فإنها تمتص الضوء من النجم المضيف مسببةً بذلك ارتفاع درجة الحرارة.

أوضح الباحث المساعد في الدراسة ماساهيرو إيكوما من المرصد الفلكي الوطني في اليابان قائلًا: «تنبأت نظرية تشكل العملاق الغازي التي طرحتها أنا وطلابي بالتنوع في مكونات الأغلفة الجوية الخاصة بالمشتري الحار، وساهمت في تحفيز دراسة خصائص الأغلفة الجوية الاستقصائية المنهجية هذه».

ستساهم هذه الدراسة الجديدة التي تحدد مجموعات الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية المتماثلة في تحسين النماذج النظرية، ما يقرب الباحثين من فهم شامل لتشكل الكواكب. ستقدم البيانات الجديدة من مراصد الجيل الجديد مثل جيمس ويب وتوينكل وأرييل خلال العقد القادم بيانات آلاف الكواكب الخارجية، ما يتيح ويستدعي فئات جديدةً لتصنيف الكواكب الخارجية تفوق الأساليب التي استُكشفت في هذا البحث.

المصدر: ScienceDaily – ترجمة أنا أصدق العلم