راهنمای کائنات برای مبتدیان ( بخش ۲ )؛ برون‌سیارات

برون‌سیارات، سیاراتی هستند که به دور ستاره‌ای به جز خورشید ما می‌چرخند. ما ۳۴۹۳ برون‌سیاره را شناسایی کرده‌ایم و این تعداد هر هفته بیشتر می‌شود. اولین برون‌سیاره را دو اختر شناس به نامهای الکساندر ولشتان و دیل فریل در ۱۹۹۲ یافتند که به دور "جسد" یک نواختر می‌گشت.
 
اما اولین برون‌سیاره‌ای را که به دور ستاره‌ای مثل خورشید می‌گشت اخترشناسی به نام جف مارسی در ۱۹۹۹ پیدا کرد. ما اکنون منظومه‌هایی یافته‌ایم که پنج، شش و حتی هفت سیاره به دور ستاره‌ای می‌چرخند.
 
حدود یک سوم ستاره‌های نزدیک به ما سیاره دارند و پیرامون یک سوم دیگر را صفحات حلقوی (دیسک) غبار فرا گرفته که سیارات از جامد شدن همین ابرهای غبار بوجود می‌آیند. بنابراین تقریبا مطمئنیم که در کهکشان راه شیری تعداد سیارات بیشتر از ستارگان است و به صدها میلیارد می‌رسد. پیش از کشف اولین منظومه ستاره‌ای، انتظار این بود که این منظومه‌ها شبیه منظومه شمسی باشند، سیاره‌های سنگی (خاکی) مثل زمین و مریخ در مدارهای نزدیکتر و سیارات عظیم گازی مثل بهرام و کیوان در مدارهای دورتر. شگفت اینکه اکثر منظومه‌های ستاره‌ای اصلا شبیه منظومه شمسی نیستند.
 
بسیاری از منظومه‌های ستاره‌ای سیاراتی عظیم دارند به نام "مشتری‌های داغ" که فاصله مدارشان با ستاره‌ای که به دور آن می گردند بسیار کمتر از فاصله خورشید با نزدیکتر سیاره‌اش یعنی تیر است. اگر این مشتری‌های داغ در همان مدار نزدیک به ستاره‌شان شکل گرفته بودند، به بیرون پرتاب می‌شدند؛ بنابراین مشتری‌های داغ باید در جایی دورتر شکل گرفته و بتدریج به سمت مرکز مهاجرت کرده باشند. بسیاری از منظومه‌های ستاره‌ای عجیب و غریب سیاراتی دارند که جرمشان بارها از جرم زمین بیشتر است. جای خالی این "ابرزمین‌ها" در منظومه شمسی مشهود است، البته ادعایی هست که منظومه شمسی چنین سیاره‌ای دارد، سیاره‌ای که به آن لقب سیاره نهم داده‌اند و می‌گویند در جایی بسیار دورتر از آخرین سیاره یعنی نپتون قرار دارد. در بعضی منظومه‌های ستاره‌ای، برخی سیارات، مداری بسیار بیضوی شبیه دنباله‌دارها دارند و در برخی دیگر سیاراتی هستند که ‌مدار مشترک دارند. سیاراتی هستند که در جهت عکس دور ستاره خود می‌چرخند. توضیح وجود این سیاره‌های "وارون‌گرد" دشوار است چون باور ما این است که سیارات از سخت شدن واریزه‌های باقیمانده از تشکیل ستارگان بوجود می‌آیند. از آنجا که واریزه‌ها فقط در یک جهت دور ستاره می‌گردند، پس سیاره‌ها هم باید مثل منظومه شمسی در همان جهت بچرخند. ما فکر می‌کردیم با مطالعه منظومه شمسی، در باره شکل‌گیری سیارات زیاد می‌دانیم اما معلوم شد که هنوز باید خیلی چیزها را یاد بگیریم.
چگونه برون‌سیارات را ردیابی می‌کنیم؟
سیارات نور ستاره خود را باز می‌تابانند و اما چون در قیاس با ستاره خود کوچکند، کم نور هم هستند و چون در مدارهایی نزدیک به ستاره می‌چرخند، رصد مستقیم آنها تقریبا ناممکن است؛ آنها نیز مثل شب پره‌ای که در پرتو نورافکن پرواز می‌کند دیده نمی‌شوند. از این رو بیشتر برون‌سیارات غیر مستقیم و به دلیل تاثیری که بر ستاره مادر خود می‌گذارند ردیابی می‌شوند. اساس کار ما این است که گرانش نیرویی دو طرفه است. ستاره سیاره را می‌کشد اما سیاره هم ستاره را می‌کشد. این باعث می‌شود ستاره همیشه مختصری نوسان کند. دیدن این پدیده در آسمان دشوار است اما اندازه‌گیری آن در پرتو نور ستاره کاملا آسان است.
ستاره وقتی به ما دور یا نزدیک می‌شود بسامد (فرکانس) نورش به تناوب تغییر می‌کند. این "پدیده داپلر" معادل آژیر ماشین پلیس است؛ وقتی نزدیک می‌شود صدایش زیرتر (فرکانس بالاتر) و وقتی دور می شود صدایش بم‌تر (فرکانس پایین‌تر) می‌شود. پدیده داپلر مدتی را که سیاره طول می‌کشد دور ستاره‌اش بچرخد، اندازه مدار سیاره و حداقل جرمِ ممکن ستاره را هم آشکار می‌کند.
 
در سال ۱۹۹۵ گروهی از دانشمندان سوییسی به سرپرستی مایکل مه‌یر با همین شیوه برای اولین بار سیاره‌ای را کشف کردند که به دور ستاره‌ای مثل خورشید می گردد، پگاسوس بی ۵۱.
 
یافتن سیارات از راه دیگری هم ممکن است، وقتی مدار سیاره مرتب از جلوی ستاره بگذرد. هنگام عبور سیاره از مقابل ستاره‌اش، نور ستاره اندکی ضعیفتر به ما می‌رسد و اگر اندازه ستاره را بدانیم، این افت نور اندازه سیاره را هم فاش می کند. اگر جرم سیاره را با پدیده داپلر پیدا کنیم، چگالی آن را نیز می‌توانیم حساب کنیم.
 
منظومه‌های سیاره‌ای بسیار اندکی هستند که سرعت شعاعی سیاراتش کاملا در معرض دید ما باشد (edge-on)، بنابراین مشاهده گذر آنها از مقابل سیاره شان مستلزم رصد شمار عظیمی ستاره است.
 

 
روش دیگر یافتن سیارات بر مبنای این است که ستاره و سیاره‌اش، نور یک ستاره دوردست را متمرکز کرده یا "همگرایی گرانشی" ایجاد کند. وقتی سیاره‌ای به دور ستاره‌اش می گردد، درخشندگی ستاره پس زمینه به تناوب تغییر می‌کند و همین وجود سیاره را آشکار می‌کند.
 
با اینکه ثابت شده روش‌های غیر مستقیم کارآمد هستند، اخترشناسان دوست دارند این روش‌ها را کنار بگذارند و مستقیما از برون‌سیارات عکس بردارند.
 
گروهی از اخترشناسان در سال ۲۰۰۴ اولین ردیابی یک سیاره عظیم را با عکسبرداری مستقیم گزارش کردند. از آن زمان بارها تصویربرداری مستقیم انجام شده اما چالش اصل تصویربرداری مستقیم از سیاره‌ای شبیه زمین است.
ما از کجا می‌دانیم برون سیارات از چه تشکیل شده‌اند؟
اگوست کنت فیلسوف فرانسوی در سال ۱۸۳۵ گفته بود: "ما هیچ گاه و به هیچ وجه قادر نخواهیم بود ترکیب شیمیایی و ساختار معدنی ستارگان را مطالعه کنیم."
 
او اشتباه می‌کرد و این دو سال پس از درگذشتش ثابت شد. اتم‌ها و مولکول‌ها وقتی گرم شوند، با طول موج خاص (انرژی) خود نور ساطع می‌کنند اما در جو سرد ستاره، همان طول موج را جذب می‌کنند. این باعث ایجاد خط‌های سیاه در طیف نور ستارگان می‌شود، مثل بارکدهای روی اجناس. به همین ترتیب وقتی یک برون سیاره از جلوی ستاره عبور می کند، نور ستاره در سر راه رسیدن به کره زمین، از جو برون سیاره عبور می کند و این امکان وجود دارد که بارکدهای خاص مواد موجود در جو سیاره را ببینیم. این روش تاکنون شماری از مواد مثل سدیم، مونواکسید کربن، دی‌اکسید کربن و آب را در جو برون سیارات نشان داده است. اگر مولکول اکسیژن که گازی ناپایدار است در جو یک برون‌سیاره ردیابی شود، نشانه تولید مستمر آن توسط موجودات زنده است.
منطقه قابل سکونت هر ستاره منطقه‌ای که آب مایع براحتی می‌‍تواند در آن وجود داشته باشد. سیاره ١ بیش از حد داغ است. سیاره ٢ با اندازه‌ای بین یک تا دو برابر زمین در منطقه قابل سکونت قرار داد. سیاره ٣ بیش از حد سرد است. ما چگونه از وجود حیات در برون‌سیارات مطلع خواهیم شد؟
ما فقط یک نمونه از حیات می‌شناسیم که آن هم در همین کره زمین است بنابراین چاره‌ای نداریم که به حیات به همان شکلی که می‌شناسیم نگاه کنیم. حیات در کره زمین به آب نیاز دارد و این باعث شکل‌گیری مفهوم "منطقه قابل سکونت" ستاره شده است، منطقه‌ای که مدار سیاره آنقدر به ستاره‌اش نزدیک است که آب در آن منجمد نشود و آنقدر از ستاره فاصله دارد که آب در آن جوش نیاید. این منطقه نه خیلی سرد نه خیلی داغ برای اکثر ستارگان عظیم موسوم کوتوله قرمز، محدوده‌ای کوچکی است اما برای ستارگانی مثل خورشید این محدوده بزرگتر است.
 
مفهوم منطقه قابل سکونت بتازگی بسیار گسترده‌تر شده است. دلیل آن کشف اقیانوس‌های پوشیده از یخ در اروپا -ماه (قمر) بهرام- و انسلادوس -ماه کیوان- است. این سیارات نور بسیار اندکی دریافت می‌کنند بنابراین باید جامد و یخ‌زده باشند اما کشش و واکشش و جزر و مدی که ستاره مادر ایجاد می‌کند، آنها را گرم می‌کند. این احتمال هم وجود دارد که سیاره‌ای بسیار دور از ستاره‌اش باشد اما با پتویی از گازهای گلخانه پوشیده شده باشد و با پرتوهای رادیواکتیو سنگ و خاک خودش گرم شود.
 
به نظر می رسد حیات در محیط‌هایی بسیار متفاوت با کره زمین نیز ممکن است.
*درباره نویسنده
*مارکوس چٌن اخترشناس رادیویی موسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا بوده و اکنون به عنوان نویسنده و کارشناس علمی فعالیت می‌کند. او چندین کتاب در فیزیک نظری نوشته که آخرین آن -ظهور گرانش- برنده جایزه بهترین کتاب علمی سال ۲۰۱۷ نشریه ساندی تایمز شده است. او در برنامه‌های متعدد تلویزیونی و رادیویی شرکت داشته و برای تولید اپلیکیشن منظومه شمسی برای آی‌پد برنده جایزه نوآوری شده است.