ترسم التلسكوبات في تشيلي خريطة الغلاف الجوي ثلاثي الأبعاد لكوكب تيروس الخارجي مع رياح حديدية

أكمل فريق دولي من علماء الفلك رسمًا غير مسبوق ثلاثي الأبعاد للغلاف الجوي للكوكب الخارجي WASP-121b، المعروف في الأوساط العلمية باسم Tyros. استخدم البحث البيانات التي تم جمعها بواسطة أربعة تلسكوبات عملاقة تقع في تشيلي. تمثل هذه الدراسة المرة الأولى التي يتمكن فيها العلم من مراقبة البنية المناخية الكاملة لعالم خارج النظام الشمسي. توضح نتائج التحقيق تفاصيل البيئة القاسية حيث تحمل الرياح الحديد والتيتانيوم. نشرت مجلة الطبيعة المقال مع النتائج الكاملة.

يقدم العملاق الغازي نظامًا للأرصاد الجوية يختلف هيكليًا عن أي نموذج معروف للباحثين. وهذه الظاهرة غير مسبوقة. أتاح تحليل المعلومات التي التقطها التلسكوب الكبير جدًا التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي تحديد الحركة الدقيقة للكتل الهوائية. إن القدرة على فصل طبقات الغلاف الجوي لجرم سماوي بعيد تفتح إمكانيات جديدة لدراسة الكواكب خارج المجموعة الشمسية.

الخصائص المدارية وظاهرة قفل المد والجزر

يدور الكوكب الخارجي Tyros حول النجم WASP-121 على مسافة 900 سنة ضوئية من الأرض. ويقع الجرم السماوي في كوكبة Puppis، ويمكن رؤيته في نصف الكرة الجنوبي. ويعرّف التصنيف الفلكي الجسم بأنه كوكب المشتري الساخن. يشير هذا المصطلح إلى الكواكب العملاقة التي تتكون أساسًا من الغاز والتي تحافظ على مدار قريب جدًا من نجومها المضيفة. وتستمر الفترة المدارية الكاملة 30 ساعة فقط. ويولد هذا القرب قوى جاذبية شديدة تؤثر بشكل دائم على دوران الكوكب.

أدى تفاعل الجاذبية المستمر إلى ظاهرة تسمى الدوران المتزامن. يظهر الكوكب دائمًا نفس الوجه للنجم، تمامًا كما يفعل القمر للأرض. يتلقى الجانب النهاري إشعاعًا نجميًا ثابتًا ويصل إلى درجات حرارة عالية جدًا. ويظل نصف الكرة الليلي في ظلام دائم. يسجل المناخ على هذا الجانب المظلم علامات أكثر برودة إلى حد كبير. يوفر هذا الاختلاف الحراري الوحشي بين الجانبين الطاقة اللازمة لتغذية العواصف ذات الأبعاد الهائلة.

تخلق الهندسة المدارية المحددة لـ Tyros بيئة تعمل فيها فيزياء الغلاف الجوي في ظل ظروف حدودية. إن التباين في درجات الحرارة بين النهار والليل يجبر الغلاف الجوي على إعادة توزيع الحرارة بقوة. وتتجاوز الرياح الناتجة عن هذه العملية بسهولة السرعات المسجلة في الأعاصير الأرضية. تعمل الديناميكيات الحرارية للكوكب كمحرك مستمر. يحرك هذا النظام الدورة العالمية للغازات والمعادن المتبخرة عبر سطح الكوكب.

طبقات الغلاف الجوي المستقلة ونقل المعادن الثقيلة

كشفت الدقة المكانية التي حققتها التلسكوبات في تشيلي عن نظام جوي مقسم إلى طبقات متداخلة متعددة. قامت الباحثة جوليا فيكتوريا سايدل، المؤلف الرئيسي للدراسة، بتنسيق تحليل البيانات الطيفية. وحدد الفريق أن تيارات الرياح تعمل بشكل مستقل على ارتفاعات مختلفة. البنية المناخية المكتشفة ليس لها مثيل على كوكب المشتري أو زحل أو أي عملاق غازي آخر في نظامنا الشمسي.

رسم الخرائط ثلاثي الأبعاد بالتفصيل السلوك المحدد لثلاثة تدفقات جوية متميزة:

• تيار نفاث من الصوديوم يدور حول المنطقة الاستوائية ويغطي نصف محيط الكوكب.
• طبقة وسطية مسؤولة عن نقل الحديد المتبخر من نصف الكرة الأرضية الساخن إلى الجانب البارد.
• تدفق علوي يتكون من رياح هيدروجينية تتحرك فوق تيار الصوديوم.

يتمتع تيار الصوديوم النفاث بسرعة أكبر من سرعة دوران الكوكب أثناء عبوره نصف الكرة المضاء. هذه الحركة السريعة تهز الغلاف الجوي العلوي بعنف. يحدث نقل الحديد والتيتانيوم لأن درجات الحرارة القصوى في النهار تبخر هذه المعادن الثقيلة. وتحمل الرياح المواد الغازية إلى الجانب الليلي. يؤدي انخفاض درجة الحرارة في نصف الكرة المظلم إلى تكثيف المعادن وترسبها بسرعة.

تكنولوجيا المراقبة والتحليل الطيفي المتقدمة

ويعتمد نجاح المسح على القدرات التقنية للتلسكوب الكبير جدا الذي يديره المرصد الأوروبي الجنوبي. قام الفريق بدمج البيانات من أربع وحدات تلسكوب لتحقيق الدقة اللازمة. التقطت الأجهزة الضوء من النجم WASP-121 أثناء ترشيحه عبر الغلاف الجوي للكوكب الخارجي أثناء العبور المداري. يتيح لنا تحليل هذا الضوء المفلتر تحديد التوقيع الكيميائي للعناصر الموجودة في الهواء الفضائي.

وكانت تقنية التحليل الطيفي عالية الدقة ضرورية لفصل طبقات الرياح المختلفة. قام علماء الفلك بقياس انزياح دوبلر في الضوء الذي تمتصه غازات الغلاف الجوي. وكشفت البيانات عن أنماط معقدة. يشير هذا الانحراف إلى السرعة والاتجاه الذي تتحرك فيه العناصر الكيميائية بالنسبة للمراقب على الأرض. وقد أتاح تجميع هذه القياسات على مدارات متعددة بناء نموذج ثلاثي الأبعاد غير مسبوق.

تأثير الاكتشاف على الفيزياء الفلكية والنماذج المناخية

يخضع الفهم العلمي لتكوين وسلوك الأجواء الكوكبية للمراجعة بعد نشره في مجلة الطبيعة. تعتمد النماذج المناخية التقليدية على ملاحظات عطارد والزهرة والأرض والمريخ وعمالقة النظام الشمسي. يتحدى الكوكب الخارجي WASP-121b هذه الافتراضات من خلال إظهار ديناميكيات سوائل مختلفة تمامًا. ويثبت هذا الاكتشاف أن تنوع الأرصاد الجوية في الكون يتجاوز التوقعات النظرية السابقة.

تعمل البيئة القاسية لـ Tyros كمختبر لفيزياء السوائل الطبيعية. يستخدم الباحثون المعلومات التي تم جمعها لاختبار كيفية تفاعل الإشعاع النجمي والجاذبية والدوران في سيناريوهات الطاقة العالية. تساعد دراسة تيار الصوديوم النفاث ونقل الحديد على تحسين المعادلات الرياضية. تصف هذه الحسابات دوران الغلاف الجوي في ظل الظروف القاسية للضغط ودرجة الحرارة.

يركز علم الفلك الحديث جهوده على التوصيف التفصيلي للكواكب خارج المجموعة الشمسية. يمثل رسم الخرائط ثلاثية الأبعاد لـ Tyros خطوة فنية ضرورية قبل تحليل العوالم الصخرية الأصغر. ستكون التقنيات التي طورتها جوليا فيكتوريا سايدل وفريقها بمثابة أساس للتحقيقات المستقبلية. توفر المراقبة المستمرة لكواكب المشتري الساخنة معرفة أساسية لتطور الفيزياء الفلكية الفضائية في العقود القادمة.