يكتشف تلسكوب جيمس ويب الغلاف الجوي الناتج عن محيط الصهارة على كوكب خارجي بعيد

حدد تلسكوب جيمس ويب الفضائي علامات وجود طبقة من الغاز حول الكوكب الصخري الخارجي TOI-561 b. ويشير الاكتشاف إلى وجود محيط شاسع من الصهارة على سطح الجرم السماوي. يدور الكوكب حول نجمه المضيف على مسافة قصيرة للغاية. استخدم الباحثون أدوات عالية الدقة لالتقاط انبعاثات الأشعة تحت الحمراء للنظام. وتتناقض البيانات مع التوقعات الأولية بأن الإشعاع النجمي قد جرف بالفعل أي أثر للغلاف الجوي في الموقع.

يقع النظام الكوكبي على بعد حوالي 280 سنة ضوئية من الأرض، ويقدم ظروفًا غير مضيافة وفقًا للمعايير المعروفة. يؤدي القرب من النجم المركزي إلى رفع درجات حرارة السطح إلى مستويات متطرفة. ويقدر العلماء أن الحرارة الشديدة تذيب القشرة الصخرية بشكل دائم. تخلق هذه الظاهرة دورة جيولوجية حيث تعمل الصهارة كخزان ديناميكي. تمتص المادة المتوهجة باستمرار وتطلق مركبات متطايرة في الفضاء الخارجي، مما يشكل تحديًا للنماذج التقليدية لتكوين الكواكب.

https://twitter.com/NASAWebb/status/1999132374647427401?ref_src=twsrc%5Etfw

الخصائص الفيزيائية والمدارية للجرم السماوي

ينتمي الكوكب الخارجي TOI-561 b إلى فئة الأرض الفائقة. ويجمع التصنيف عوالم صخرية ذات أبعاد أكبر من كوكبنا، ولكنها أصغر من عمالقة الغاز في النظام الشمسي. تصل الكثافة التي يحسبها علماء الفلك إلى 4.3 جرام لكل سنتيمتر مكعب. تشير القيمة إلى تكوين داخلي أقل إحكاما مما كان متوقعا بالنسبة لكرة صخرية بحتة تتعرض لضغوط عالية. وقد عزز القياس فرضية وجود غلاف غازي حول الكرة الأرضية، مما أدى إلى تغيير تصور بنية النجم.

تحدد ديناميكيات الكوكب المدارية الطقس القاسي المسجل على السطح. ويكمل الجرم السماوي دورة كاملة حول نجمه خلال 10 ساعات و33 دقيقة فقط. السرعة تثير إعجاب الخبراء. يقدر عمر النجم المضيف بـ 10 مليارات سنة ويحتوي على تركيز منخفض من المعادن الثقيلة. ويشير السيناريو إلى أن النظام قد تشكل في وقت قديم جدًا في الكون، عندما كانت العناصر الثقيلة لا تزال نادرة في المجرات.

لقد عززت الملاحظات الفلكية ملفًا تفصيليًا لنسب الكواكب الخارجية مقارنة بعالمنا.

• يبلغ نصف قطر الكوكب حوالي 1.4 مرة حجم الأرض.
• الكتلة الإجمالية للجرم السماوي هي ضعف كتلة الأرض.
• يصدر النجم المركزي للنظام كمية هائلة من الإشعاع المستمر.
• يحتفظ الكوكب دائمًا بنفس الجانب المواجه لمصدر الحرارة.
• تعمل قوة الجاذبية الشديدة على إيقاف الحركة الدورانية للكرة الأرضية.

يتلقى الوجه المضيء التأثير المباشر للطاقة النجمية دون أي انقطاع. تتجاوز درجة الحرارة على الجانب النهاري علامة 2700 درجة مئوية. ويظل الجانب الليلي غارقًا في الظلام الدائم. ويولد الفرق الحراري بين نصفي الكرة الأرضية تيارات طاقة معقدة في الطبقة الرقيقة من الغاز التي تكتشفها معدات المراقبة الفضائية.

ديناميات محيطات الصهارة وصيانة الغلاف الجوي

إن بقاء جو في مثل هذه البيئة المعادية قد حير المجتمع العلمي. غالبًا ما تفقد الكواكب ذات المدارات القصيرة جدًا أغلفةها الغازية بسرعة بسبب الرياح النجمية. تتبخر المادة المتطايرة وتهرب إلى الفضاء السحيق. وفي حالة TOI-561 b، يوفر محيط الصهارة العالمي الإجابة على اللغز. تعمل الصخور المنصهرة كمحرك جيولوجي ثابت، حيث تقوم بإعادة تدوير العناصر الكيميائية الموجودة في القشرة الأرضية.

تقوم الصهارة بإذابة الغازات الموجودة بداخلها تحت ظروف معينة من الضغط ودرجة الحرارة. وعندما تدور المادة وتصل إلى السطح، تنطلق مركبات متطايرة على شكل بخار. تحل هذه العملية محل الغلاف الجوي بنفس المعدل الذي يدمره الإشعاع النجمي فيه. تخلق الدورة المستمرة للامتصاص والانبعاث توازنًا ديناميكيًا نادرًا. إن التفاعل بين الفضاء الداخلي والخارجي للكوكب يمنع العالم من أن يصبح صخرة قاحلة وجرداء.

نشر الباحثون نتائج التحليل في مجلة The Astrophysical Journal Letters. توضح الدراسة بالتفصيل كيف يؤثر التركيب الكيميائي للصهارة على نوع الغاز المنبعث. تشير النمذجة الحاسوبية إلى أن الغلاف الجوي الثانوي يختلف بشكل كبير عن السحابة البدائية التي شكلت الكوكب قبل مليارات السنين. تغير الحرارة الشديدة التركيب الجزيئي للعناصر المتوفرة على السطح، مما يخلق كيمياء جوية فريدة تعتمد على النشاط البركاني العالمي.

تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء لالتقاط البيانات المكانية

يتطلب جمع المعلومات استخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة، المعروف باسم NIRSpec. المعدات جزء من الهيكل الرئيسي لتلسكوب جيمس ويب الفضائي. وجرت حملة الرصد خلال شهر مايو 2024، حيث قام علماء الفلك برصد النظام لأكثر من 37 ساعة متواصلة. سمح وقت التعرض بتسجيل أربعة مدارات كاملة للكوكب الخارجي، مما يضمن حجمًا كافيًا من البيانات لإجراء تحليلات إحصائية دقيقة.

واستخدم الفريق تقنية الكسوف الثانوي لعزل ضوء الكوكب. وتتكون الطريقة من قياس السطوع الكلي للنظام عندما يكون الكوكب بجوار النجم. ثم يقوم العلماء بقياس الضوء الصادر من النجم فقط عندما يمر الكوكب خلفه. ويكشف الفرق بين القيمتين عن مقدار الطاقة الحرارية المنبعثة من الجرم السماوي نفسه. جعلت دقة جيمس ويب إجراء القياس ممكنًا، وتغلبت على قيود المراصد السابقة.

وأكدت قناتان مستقلتان لمعالجة البيانات النتائج. أدى التحليل الدقيق إلى القضاء على الضوضاء الناجمة عن الاختلافات في الأدوات أو التداخل الكوني. أظهر طيف الضوء الذي تم الحصول عليه أنماطًا لا تتوافق مع سطح صخري صلب. وأشار البصمة الحرارية مباشرة إلى وجود طبقة غازية تنشر الحرارة حول الكرة الأرضية، مما يبدد جزءا من الطاقة من الجانب النهاري إلى المناطق الأكثر برودة.

اتصالات بالتاريخ الجيولوجي للأرض

تقدم دراسة العوالم المتطرفة أدلة حول ماضي كوكبنا. مرت الأرض بمرحلة محيط الصهارة العالمية بعد وقت قصير من تكوينها. أدى تأثير الأجرام السماوية الضخمة إلى إذابة القشرة الأرضية المبكرة. إن فهم كيفية إدارة TOI-561 b للغازات المتطايرة يساعد الجيولوجيين على فهم تطور الغلاف الجوي المبكر للأرض. تخضع العمليات الفيزيائية لنفس القوانين العالمية، بغض النظر عن المسافة بين الأنظمة النجمية.

ويوسع هذا الاكتشاف الحدود المعروفة للاحتفاظ بالأغلفة الجوية في الكون. حددت النماذج النظرية السابقة أن العوالم القريبة جدًا من نجومها لن تكون قادرة على دعم أي غطاء غازي. الملاحظة المباشرة تكسر هذا النموذج. يحتاج علم الكواكب الآن إلى مراجعة حسابات التبخر الجوي في الأنظمة النجمية القديمة، مع الأخذ في الاعتبار الدور النشط للبراكين ومحيطات الصهارة في تجديد الغازات.

من المقرر حملات مراقبة جديدة لرسم خريطة للتوزيع الدقيق للحرارة على الكوكب الخارجي. يخطط علماء الفلك لدراسة منحنى الطور الكامل للجرم السماوي. سيقيس الإجراء التغير في درجات الحرارة حيث يعرض الكوكب زوايا مختلفة لوجهه المضيء تجاه الأرض. ستوضح البيانات المستقبلية التركيب الكيميائي الدقيق للغاز المنبعث من محيط الصهارة المتوهج، مما يكشف عن اللبنات الأساسية لهذا العالم البعيد.