دراسة أنظمة الكواكب خارج المجموعة الشمسية وتحديد العمر والتركيب الكيميائي لها

كيف يتم تحديد العمر والتركيب الكيميائي للكواكب؟

تم اشتقاق عمر النظام الشمسي الذي يقارب 4.6 مليار سنة من قياسات النشاط الإشعاعي في النيازك والعينات القمرية وقشرة الأرض، والكميات التي يتم قياسها هي كميات نظائر اليورانيوم والثوريوم والروبيديوم ونواتج اضمحلالها الرصاص والسترونتيوم.

يعتمد تقييم التركيب الكيميائي للنظام الشمسي على بيانات من الأرض والقمر والنيازك، وكذلك على التحليل الطيفي للضوء من الشمس والكواكب، وبشكل عام تتناقص وفرة النظام الشمسي من العناصر الكيميائية مع زيادة الوزن الذري، وذرات الهيدروجين هي الأكثر وفرة إلى حد بعيد وتشكل 91 في المائة، ثم يأتي الهيليوم بعد ذلك بنسبة 8.9% وجميع الأنواع الأخرى من الذرات معاً تصل إلى 0.1 بالمائة فقط.

ما هي نظريات النشأة للكواكب؟

إن أصل الأرض والقمر والنظام الشمسي ككل مشكلة لم يتم تسويتها بالتفصيل بعد، ربما تكونت الشمس نتيجة تكثف المنطقة الوسطى من سحابة كبيرة من الغاز والغبار مع تشكل الكواكب والأجسام الأخرى في النظام الشمسي بعد فترة وجيزة، وتأثر تكوينها بشدة بدرجات الحرارة والضغط في السديم الشمسي المتطور، ويمكن أن تتكثف المواد الأقل تطايراً إلى مواد صلبة قريبة نسبياً من الشمس لتكوين الكواكب الأرضية، كما يمكن أن تتكثف العناصر الخفيفة المتطايرة الوفيرة فقط على مسافات أكبر بكثير لتكوين الكواكب الغازية العملاقة.

في التسعينيات أكد علماء الفلك أن النجوم الأخرى لها كوكب واحد أو أكثر يدور حولها، ولقد دعمت الدراسات التي أجريت على أنظمة الكواكب هذه النماذج النظرية لعلماء الفلك حول كيفية تشكل النظام الشمسي للأرض وتحدت هذه النماذج، وعلى عكس النظام الشمسي فإن العديد من أنظمة الكواكب خارج المجموعة الشمسية لديها عمالقة غاز كبيرة مثل: كوكب المشتري يدور بالقرب من نجومهم، وفي بعض الحالات تكون هذه (المشتري الحار) أقرب إلى نجمها من عطارد إلى الشمس.

تشير حقيقة أن العديد من عمالقة الغازات التي تتشكل في المناطق الخارجية من نظامهم بالقرب من نجومهم، ويشير إلى أن عمالقة الغاز يهاجرون وأن مثل هذه الهجرة ربما حدثت في تاريخ النظام الشمسي، وفقاً لفرضية (Grand Tack) ربما يكون المشتري قد فعل ذلك في غضون بضعة ملايين من السنين من تكوين النظام الشمسي.

في هذا السيناريو فإن كوكب المشتري هو أول كوكب عملاق يتشكل على بعد حوالي 3 وحدات فلكية من الشمس، ويؤدي السحب من قرص الكواكب الأولية إلى هبوطه إلى الداخل إلى حوالي 1.5 وحدة فلكية، ومع ذلك بحلول هذا الوقت يبدأ زحل في التكوين في حوالي 3 وحدات فلكية، ويلتقط كوكب المشتري في صدى 3:2 (أي أنه لكل ثلاث دورات يصنعها المشتري يقوم زحل بثورتين)، ثم يهاجر الكوكبان إلى الخارج ويزيلان أي مادة كانت ستذهب إلى جعل المريخ أكبر، ويجب أن يكون المريخ أكبر من كوكب الزهرة أو الأرض لكنه نصف حجمهما فقط، يشرح (Grand Tack) الذي يتحرك فيه المشتري للداخل ثم للخارج الحجم الصغير للمريخ.

بعد حوالي 500 مليون سنة من (Grand Tack) وفقاً للنموذج الجميل (الذي سمي على اسم المدينة الفرنسية، حيث تم اقتراحه لأول مرة) بعد تشكل الكواكب العملاقة الأربعة (كوكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتون) تدور حول 5 ألى 17 وحدة فلكية من الشمس، وكانت هذه الكواكب في قرص من الأجسام الصغيرة تسمى الكواكب الصغيرة وفي رنين مداري مع بعضها البعض.

منذ حوالي أربعة مليارات سنة زادت التفاعلات الجاذبية مع الكواكب الصغيرة من الانحراف اللامركزي في مدارات الكواكب مما أدى إلى خروجها من الرنين، ثم هاجر زحل وأورانوس ونبتون إلى الخارج وهاجر كوكب المشتري إلى الداخل قليلاً (ربما قام أورانوس ونبتون بتبديل الأماكن)، أدت هذه الهجرة إلى تشتيت القرص، مما تسبب في القصف الثقيل المتأخر، وأصبحت البقايا الأخيرة للقرص هي حزام كويبر.

لم يتم تحديد أصل الأقمار الصناعية بالكامل، وفيما يتعلق بأصل القمر تأرجح رأي علماء الفلك لفترة طويلة بين النظريات التي رأت أن أصله وتكثيفه متزامنين مع تكوين الأرض، وتلك التي افترضت أصلاً منفصلاً للقمر والتقاطه لاحقاً بواسطة مجال الجاذبية الأرضية، فقد تحدى التشابه والاختلاف في وفرة العناصر الكيميائية ونظائرها على الأرض والقمر كل مجموعة من النظريات.

أخيراً في ثمانينيات القرن الماضي ظهر نموذج نال دعم معظم علماء القمر، وهو التأثير الكبير على الأرض وطرد المواد التي شكلت القمر فيما بعد، أما بالنسبة للكواكب الخارجية بأقمارها المتعددة والعديد منها صغير جداً وغير متشابه تماماً، فإن الصورة أقل وضوحاً.

إن البعض من هذه الأقمار لها أسطح جليدية ملساء نسبياً في حين أن البعض الآخر محفور بشدة واحد على الأقل مثل كوكب المشتري أو الحفر البركاني، وربما تكونت بعض الأقمار جنباً إلى جنب مع الكواكب الأم وقد تكون البعض الآخر قد تشكل في مكان آخر وتم أسره.

ما المقصود بدراسة أنظمة الكواكب خارج المجموعة الشمسية؟

تم اكتشاف أول كواكب خارج المجموعة الشمسية في عام 1992 وأكثر من 4100 من هذه الكواكب معروفة الآن، وأكثر من 600 من هذه الأنظمة لها أكثر من كوكب واحد، ونظراً لأن الكواكب أضعف بكثير من نجومها فقد تم تصوير أقل من 100 منها بشكل مباشر، تم العثور على معظم الكواكب خارج المجموعة الشمسية من خلال عبورها، وهو التعتيم الصغير لضوء النجم عندما يمر كوكب أمامه.

العديد من هذه الكواكب تختلف عن تلك الموجودة في النظام الشمسي، كواكب المشترى الساخنة هي كواكب غازية عملاقة تدور بالقرب من نجمها، فعلى سبيل المثال تبلغ كتلة 0.69 ضعف كتلة كوكب المشتري وتدور حول نجمه كل 3.52 يوماً، كواكب نبتون الحارة عبارة عن عمالقة جليدية كبيرة تبلغ حوالي 10 بالمائة من كتلة كوكب المشتري، والتي تدور أيضاً بالقرب من نجمها، الكواكب العملاقة هي كواكب من المحتمل أن تكون صخرية مثل الأرض ولكنها أكبر عدة مرات.

كان الهدف الأساسي لأبحاث الكواكب خارج المجموعة الشمسية هو العثور على كوكب آخر يمكنه دعم الحياة، وكان أحد الإرشادات المفيدة للعثور على كوكب داعم للحياة هو مفهوم المنطقة الصالحة للسكن وهي المسافة من نجم، حيث يمكن للمياه السائلة أن تعيش على سطح الكوكب، وقد تم العثور على حوالي 20 كوكباً بحجم الأرض تقريباً ويدور في منطقة صالحة للسكن.

ما هي آلية دراسة النجوم؟

تتضمن الكميات القابلة للقياس في الفيزياء الفلكية النجمية السمات الخارجية للنجوم وهي: المسافة ودرجة الحرارة وطيف الإشعاع واللمعان والتكوين (للطبقات الخارجية) والقطر والكتلة والتنوع في أي من هذه، ويستخدم علماء الفيزياء الفلكية النظرية هذه الملاحظات لنمذجة بنية النجوم واستنباط نظريات لتكوينها وتطورها، كما يمكن استخدام المعلومات الموضعية للتحليل الديناميكي، والذي ينتج عنه تقديرات للكتل النجمية.

في نظام يعود تاريخه على الأقل إلى عالم الفلك والرياضيات اليوناني هيبارخوس في القرن الثاني قبل الميلاد، يُقاس السطوع النجمي الظاهر (م) بالمقادير، ويتم الآن تحديد الأقدار بحيث يكون النجم الأول أكثر سطوعاً من النجم السادس بمقدار 100 مرة، إذ لا يمكن للعين البشرية أن ترى نجوماً أضعف من قوتها السادسة تقريباً، لكن الأدوات الحديثة المستخدمة مع التلسكوبات الكبيرة يمكن أن تسجل نجوماً باهتة مثل قوتها 30، ووفقاً للاتفاقية يُعرَّف الحجم المطلق (M) على أنه الحجم الذي سيبدو للنجم إذا كان يقع على مسافة قياسية تبلغ 10 فرسخ فلكي.

إن مقياس المقدار مثبت على مجموعة من النجوم القياسية، والمقياس المطلق للقدرة الإشعاعية هو اللمعان والذي يرتبط بالقدر المطلق، وعادة ما يتم التعبير عنه بوحدة (ergs) في الثانية (ergs / sec)، وفي بعض الأحيان يتم تحديد اللمعان من حيث لمعان الشمس 3.86 × 1033 ergs / sec، كما يمكن حساب اللمعان عند معرفة الحجم المطلق، وقد يكون التصحيح ضرورياً لامتصاص النجوم بين النجوم.

هناك عدة طرق لقياس قطر النجم، حيث أنه من السطوع والمسافة يمكن حساب اللمعان (L)، ومن ملاحظات السطوع بأطوال موجية مختلفة يمكن حساب درجة الحرارة (T)؛ ونظراً لأن الإشعاع الصادر عن العديد من النجوم يمكن تقريبه جيداً بواسطة طيف الجسم الأسود بلانك.

يشير نصف القطر (R) إلى الغلاف الضوئي للنجم المنطقة التي يصبح فيها النجم معتماً بشكل فعال للمراقبة الخارجية، ويمكن قياس الأقطار الزاويّة النجمية من خلال قياس التداخل؛ أي من خلال الجمع بين عدة تلسكوبات معاً لتشكيل أداة أكبر يمكنها تحديد الأحجام أصغر من تلك التي يستطيع التلسكوب الفردي حلها، وبدلاً من ذلك يمكن مراقبة شدة ضوء النجم أثناء الاحتجاب بالقمر، مما ينتج عنه حواف حيود يعتمد نمطها على القطر الزاوي للنجم، ويمكن قياس الأقطار الزاويّة النجمية بعدة ملياري ثانية.

إن النجوم الأخرى التي تكون أكبر وأقل كتلة من الشمس لها هياكل متشابهة إلى حد كبير، لكن الحجم والضغط المركزي ودرجة الحرارة ومعدل الاندماج هي وظائف لكتلة النجم وتكوينه، النجوم واندماجها الداخلي واللمعان الناتج يتم الحفاظ عليهما مستقرين ضد الانهيار من خلال توازن دقيق بين الضغط الداخلي الناتج عن التجاذب والضغط الخارجي الذي توفره الفوتونات الناتجة في تفاعلات الاندماج.