رحلة ويب لفهم الأجواء الغريبة في عالم بعيد

يؤكد التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة للنجم المنتهي وجود اختلافات في جو الصباح والمساء.

منذ الأول كوكب خارج المجموعة الشمسية تم اكتشاف آلاف الكواكب التي تدور حول نجوم خارج نظامنا الشمسي في عام 1992، وتم تأكيد وجودها من خلال عدد لا يحصى من الطرق المختلفة، بما في ذلك التصوير المباشر، والعدسات الدقيقة الجاذبية، وقياس العبور، والقياسات الفلكية. على مر السنين، تطورت التقنيات لدراسة هذه الكواكب الخارجية، حيث يتعلم علماء الفلك تفاصيل حول التركيبات الجوية لهذه العوالم البعيدة.

ناسا‘س تلسكوب جيمس ويب الفضائي يواصل تطوير هذا المجال من الدراسة وتعميق فهمنا لتنوع الكواكب الخارجية وأجوائها.

ما هو الأحدث؟ لقد سمح ويب لعلماء الفلك بتحليل الاختلافات الجوية بين الصباح والمساء على كوكب خارجي مغلق مديًا – وهو إنجاز لا يصدق لعالم بعيد يبعد 700 سنة ضوئية عن الأرض مثل WASP-39 b.

يُظهر هذا المفهوم الفني كيف قد يبدو الكوكب الخارجي WASP-39 b بناءً على ملاحظات العبور غير المباشرة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لوكالة ناسا بالإضافة إلى تلسكوبات فضائية وأرضية أخرى. حقوق النشر: وكالة ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، رالف كروفورد (معهد علوم الفضاء)

تلسكوب ويب الفضائي يبحث في شروق الشمس وغروبها الأبدي على العوالم البعيدة

أكد باحثون يستخدمون تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لوكالة ناسا أخيرًا ما تنبأت به النماذج سابقًا: الكوكب الخارجي لديه اختلافات بين غلافه الجوي الصباحي الأبدي وغلافه الجوي المسائي الأبدي. WASP-39 b، كوكب عملاق يبلغ قطره 1.3 مرة أكبر من كوكبنا. كوكب المشتري، ولكن كتلة مماثلة ل زحل يدور الكوكب حول نجم يبعد عن الأرض حوالي 700 سنة ضوئية، وهو مرتبط بنجمه الأم بشكل مدّي. وهذا يعني أن له جانبًا نهاريًا ثابتًا وجانبًا ليليًا ثابتًا – حيث يكون أحد جانبي الكوكب دائمًا معرضًا لنجمه، بينما يكون الجانب الآخر دائمًا محاطًا بالظلام.

وباستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء القريب التابع لمرصد ويب، أكد علماء الفلك وجود فرق في درجات الحرارة بين الصباح الأبدي والمساء الأبدي على كوكب WASP-39 b، حيث يبدو المساء أكثر سخونة بنحو 300 درجة مئوية. فهرنهايت درجات (حوالي 200 درجة مئوية كما وجدوا أدلة على وجود غطاء سحابي مختلف، حيث من المرجح أن يكون جزء الصباح الدائم من الكوكب أكثر غيومًا من المساء.

يصف هذا الرسم المتحرك كيف يستخدم ويب التحليل الطيفي النافذ لدراسة أجواء الكواكب الخارجية البعيدة. حقوق الصورة: وكالة ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، ليا هوستاك

التطورات في دراسات الغلاف الجوي للكواكب الخارجية

قام علماء الفلك بتحليل طيف انتقالي يتراوح بين 2 إلى 5 ميكرون لكوكب WASP-39 b، وهي تقنية تدرس نهاية الكوكب الخارجي، وهي الحد الفاصل بين الجانب النهاري والجانب الليلي للكوكب. يتم إنشاء طيف انتقالي من خلال مقارنة ضوء النجوم المصفى عبر الغلاف الجوي للكوكب أثناء تحركه أمام النجم، بضوء النجوم غير المصفى الذي تم اكتشافه عندما يكون الكوكب بجانب النجم. عند إجراء هذه المقارنة، يمكن للباحثين الحصول على معلومات حول درجة الحرارة والتكوين والخصائص الأخرى للغلاف الجوي للكوكب.

قال نيستور إسبينوزا، الباحث في الكواكب الخارجية في معهد ماكس بلانك لعلوم الفضاء: “أصبح WASP-39 b بمثابة كوكب مرجعي في دراسة الغلاف الجوي للكواكب الخارجية باستخدام تلسكوب ويب”. معهد علوم التلسكوب الفضائي ويقول المؤلف الرئيسي للدراسة: “إن الكوكب يتمتع بغلاف جوي منتفخ، لذا فإن الإشارة القادمة من ضوء النجوم التي تمر عبر الغلاف الجوي للكوكب قوية للغاية”.

يظهر منحنى الضوء من تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لوكالة ناسا تغير سطوع نظام نجم WASP-39 بمرور الوقت أثناء عبور الكوكب للنجم. تم إجراء هذه الملاحظة باستخدام وضع التسلسل الزمني للأجسام الساطعة في NIRSpec، والذي يستخدم شبكة لنشر الضوء من جسم ساطع واحد (مثل النجم المضيف لـ WASP-39 b) وقياس سطوع كل طول موجي للضوء على فترات زمنية محددة. حقوق النشر: وكالة ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، رالف كروفورد (معهد علوم الفضاء)

رؤى حول درجة الحرارة وتكوين الغلاف الجوي

وتمثل أطياف ويب المنشورة سابقًا لجو WASP-39b، والتي كشفت عن وجود ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت وبخار الماء والصوديوم، الحدود النهارية/الليلية بالكامل – ولم تكن هناك محاولة مفصلة للتمييز بين جانب وآخر.

والآن، يقوم التحليل الجديد ببناء طيفين مختلفين من منطقة النهاية، مما يؤدي إلى تقسيم حدود الليل والنهار إلى نصفين دائريين، أحدهما من المساء والآخر من الصباح. وتكشف البيانات أن المساء كان أكثر حرارة بشكل ملحوظ، حيث بلغت درجة الحرارة 1450 درجة فهرنهايت (800 درجة مئوية)، وكان الصباح أكثر برودة نسبيًا حيث بلغت درجة الحرارة 1150 درجة فهرنهايت (600 درجة مئوية).

يُظهِر هذا الطيف النفاذ، الذي تم التقاطه باستخدام وضع التسلسل الزمني للأجسام الساطعة في جهاز NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) PRISM التابع لمرصد ويب، كميات ضوء النجوم القريب من الأشعة تحت الحمراء التي حجبها الغلاف الجوي لكوكب خارجي عملاق غازي ساخن WASP-39 b. يُظهِر الطيف أدلة واضحة على وجود الماء وثاني أكسيد الكربون، واختلافًا في درجات الحرارة بين الصباح والمساء على الكوكب الخارجي.
أظهرت دراسة جديدة لطيف انتقال الضوء لكوكب WASP-39 b وجود طيفين مختلفين من حدود الليل والنهار الثابتة على الكوكب الخارجي، مما أدى إلى تقسيم منطقة النهاية هذه إلى نصفين دائريين، أحدهما من المساء والآخر من الصباح. وتكشف البيانات أن المساء كان أكثر سخونة بشكل ملحوظ، حيث بلغت درجة الحرارة 1450 درجة فهرنهايت (800 درجة مئوية)، وكان الصباح أكثر برودة نسبيًا حيث بلغت درجة الحرارة 1150 درجة فهرنهايت (600 درجة مئوية).
تمثل الخطوط الزرقاء والصفراء النموذج الأفضل الذي يأخذ في الاعتبار البيانات والخصائص المعروفة لـ WASP-39 b ونجمه (على سبيل المثال الحجم والكتلة ودرجة الحرارة) والخصائص المفترضة للغلاف الجوي.
حقوق النشر: وكالة ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، رالف كروفورد (معهد علوم تلسكوب الفضاء)

آثار التغيرات في درجات الحرارة

“من المذهل حقًا أن نتمكن من تحليل هذا الاختلاف الطفيف، وهذا ممكن فقط بفضل حساسية ويب عبر أطوال الموجات القريبة من الأشعة تحت الحمراء وأجهزة الاستشعار الضوئية المستقرة للغاية”، كما قال إسبينوزا. “أي حركة صغيرة في الجهاز أو مع المرصد أثناء جمع البيانات كانت ستحد بشدة من قدرتنا على إجراء هذا الاكتشاف. يجب أن يكون دقيقًا بشكل غير عادي، وهذا هو بالضبط ويب”.

كما يسمح النمذجة الشاملة للبيانات التي تم الحصول عليها للباحثين بالتحقيق في بنية الغلاف الجوي لكوكب WASP-39 b، والغطاء السحابي، ولماذا يكون المساء أكثر حرارة. وبينما ستدرس أعمال الفريق المستقبلية كيف يمكن للغطاء السحابي أن يؤثر على درجة الحرارة، والعكس صحيح، أكد علماء الفلك أن دوران الغاز حول الكوكب هو السبب الرئيسي وراء اختلاف درجات الحرارة على كوكب WASP-39 b.

فهم أنماط الرياح الكوكبية وديناميكيات درجات الحرارة

على كوكب خارجي شديد الإشعاع مثل WASP-39 b الذي يدور بالقرب نسبيًا من نجمه، يتوقع الباحثون عمومًا أن يتحرك الغاز أثناء دوران الكوكب حول نجمه: يجب أن يتحرك الغاز الأكثر سخونة من الجانب النهاري خلال المساء إلى الجانب الليلي عبر تيار نفاث استوائي قوي. نظرًا لأن فرق درجات الحرارة شديد للغاية، فإن فرق الضغط الجوي سيكون كبيرًا أيضًا، مما سيؤدي بدوره إلى سرعات رياح عالية.

وباستخدام نماذج الدورة العامة، وهي نماذج ثلاثية الأبعاد تشبه تلك المستخدمة للتنبؤ بأنماط الطقس على الأرض، وجد الباحثون أن الرياح السائدة على كوكب WASP-39 b تتحرك على الأرجح من الجانب الليلي عبر خط النهاية الصباحي، وحول الجانب النهاري، وعبر خط النهاية المسائي، ثم حول الجانب الليلي. ونتيجة لذلك، يكون الجانب الصباحي من خط النهاية أكثر برودة من الجانب المسائي. بعبارة أخرى، يتعرض الجانب الصباحي لضربات من الرياح الهوائية التي تم تبريدها على الجانب الليلي، بينما تضرب المساء رياح الهواء الساخن على الجانب النهاري. وتشير الأبحاث إلى أن سرعات الرياح على كوكب WASP-39 b يمكن أن تصل إلى آلاف الأميال في الساعة!

اتجاهات البحث المستقبلية ومساهمات ويب العلمية المبكرة

وأضاف إسبينوزا: “هذا التحليل مثير للاهتمام بشكل خاص أيضًا لأنك تحصل على معلومات ثلاثية الأبعاد عن الكوكب لم تكن تحصل عليها من قبل”. “نظرًا لأننا نستطيع أن نقول إن الحافة المسائية أكثر سخونة، فهذا يعني أنها أكثر انتفاخًا قليلاً. لذا، من الناحية النظرية، هناك انتفاخ صغير عند الطرف المنتهي يقترب من الجانب الليلي للكوكب”.

وقد نشرت نتائج الفريق في المجلة طبيعة.

وسوف يسعى الباحثون الآن إلى استخدام نفس طريقة التحليل لدراسة الاختلافات الجوية لكواكب المشترى الساخنة المقيدة مديًا الأخرى، كجزء من برنامج المراقبين العامين لدورة ويب الثانية 3969.

كان WASP-39 b من بين الأهداف الأولى التي قام ويب بتحليلها عندما بدأ عملياته العلمية المنتظمة في عام 2022. تم جمع البيانات في هذه الدراسة بموجب برنامج الإصدار العلمي المبكر 1366، والذي تم تصميمه لمساعدة العلماء على تعلم كيفية استخدام أدوات التلسكوب بسرعة وتحقيق إمكاناته العلمية الكاملة.

مرجع: “النهايات غير المتجانسة على الكوكب الخارجي WASP-39 b” بقلم نيستور إسبينوزا، وماريا إي. شتاينروك، وجيمس كيرك، وريان جيه. ماكدونالد، وأرجون بي. سافيل، وكينيث أرنولد، وإليزا إم.-آر. Kempton، Matthew M. Murphy، Ludmila Carone، Maria Zamyatina، David A. Lewis، Dominic Samra، Sven Kiefer، Emily Rauscher، Duncan Christie، Nathan Mayne، Christiane Helling، Zafar Rustamkulov، Vivien Parmentier، Erin M. May، Aarynn L. Carter، Xi Zhang، Mercedes López-Morales، Natalie Allen، Jasmina Blecic، Leen Decin، Luigi Mancini، Karan Molaverdikhani، Benjamin V. Rackham، Enric Palle، Shang-Min Tsai، Eva-Maria Ahrer، Jacob L. Bean، Ian JM Crossfield، David Haegele، Eric Hébrard، Laura Kreidberg، Diana Powell، Aaron D. Schneider، Luis Welbanks، Peter Wheatley، Rafael Brahm و Nicolas Crouzet، 15 يوليو 2024، طبيعة.
DOI: 10.1038/s41586-024-07768-4

تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) هو مرصد فضائي كبير تم إطلاقه في 25 ديسمبر 2021. وهو مشروع تعاوني يضم وكالة ناسا وجامعة هارفارد وجامعة هارفارد. وكالة الفضاء الأوروبية (ESA)، ووكالة الفضاء الكندية (CSA). وباعتبارها الخليفة العلمي لبرنامج تلسكوب هابل الفضائيتم تصميم تلسكوب جيمس ويب لتوفير دقة وحساسية غير مسبوقة في نطاق الأشعة تحت الحمراء للطيف الكهرومغناطيسي. تسمح هذه القدرة لعلماء الفلك بدراسة كل مرحلة من مراحل التاريخ الكوني – من التوهجات الأولى بعد الانفجار العظيممن خلال موقعه عند نقطة لاغرانج الثانية (L2)، سوف يستكشف تلسكوب جيمس ويب مجموعة واسعة من الأسئلة العلمية، مما يساعد في الكشف عن رؤى جديدة حول بنية الكون وأصوله.