حقوق الصورة: ناسا
إذا كان علماء الفلك الأجانب حول نجم بعيد قد درسوا الشمس الصغيرة قبل أربعة مليارات ونصف سنة ، فهل كان بإمكانهم رؤية علامات لأرض حديثة التكوين تدور حول هذا النجم الأصفر غير الضار؟ الإجابة هي نعم ، بحسب سكوت كينيون (مرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية) وبنيامين بروملي (جامعة يوتا). علاوة على ذلك ، يقول نموذج الكمبيوتر الخاص بهم أنه يمكننا استخدام نفس الإشارات لتحديد الأماكن التي تشكل فيها كواكب بحجم الأرض حاليًا عوالم شابة قد تستضيف يومًا ما حياة خاصة بها.
يقول كينيون وبروملي ، إن المفتاح لتحديد موقع الأرض حديثي الولادة ، ليس البحث عن الكوكب نفسه ، ولكن عن حلقة من الغبار تدور حول النجم الذي يمثل بصمة لتكوين كوكب الأرض (الصخرية).
يقول كينيون: "هناك احتمالات ، إذا كان هناك حلقة من الغبار ، فهناك كوكب".
من الصعب العثور على الكواكب الجيدة
يتكون نظامنا الشمسي من قرص دوامي من الغاز والغبار ، يسمى قرص كوكبي أولي ، يدور حول الشمس الصغيرة. تم العثور على نفس المواد في جميع أنحاء مجرتنا ، لذلك تتوقع قوانين الفيزياء أن أنظمة النجوم الأخرى ستشكل الكواكب بطريقة مماثلة.
على الرغم من أن الكواكب قد تكون شائعة ، إلا أنه من الصعب اكتشافها لأنها باهتة جدًا وتقع بالقرب من نجم أكثر إشراقًا. لذلك ، يبحث الفلكيون عن الكواكب من خلال البحث عن دليل غير مباشر على وجودها. في أنظمة الكواكب الصغيرة ، قد تكون هذه الأدلة موجودة في القرص نفسه ، وفي كيفية تأثير الكوكب على القرص المغبر الذي يتكون منه.
تمتلك الكواكب الكبيرة بحجم المشتري جاذبية قوية. هذه الجاذبية تؤثر بقوة على القرص المغبر. يمكن للمشتري الواحد مسح فجوة على شكل حلقة في القرص ، أو تشوه القرص ، أو إنشاء مساحات مركزة من الغبار تترك نمطًا في القرص مثل تنبيه من قارب. قد يفسر وجود كوكب عملاق نمط الاستيقاظ الذي يظهر في القرص حول النجم فيغا البالغ من العمر 350 مليون عام.
من ناحية أخرى ، فإن العوالم الصغيرة بحجم الأرض لها جاذبية أضعف. إنها تؤثر على القرص بشكل أضعف ، تاركة علامات أكثر دقة على وجودها. بدلاً من البحث عن الاعوجاجات أو التنبيهات ، يوصي كينيون وبروملي بالنظر في رؤية مدى سطوع النظام النجمي عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء (IR). (ضوء الأشعة تحت الحمراء ، الذي نعتبره حرارة ، هو ضوء ذو أطوال موجية أطول وطاقة أقل من الضوء المرئي.)
النجوم ذات الأقراص المتربة أكثر إشراقًا في الأشعة تحت الحمراء من النجوم التي لا تحتوي على أقراص. كلما زاد الغبار الذي يحمله النظام النجمي ، كان أكثر إشراقًا في الأشعة تحت الحمراء. أظهر كينيون وبروملي أن الفلكيين يمكنهم استخدام سطوع الأشعة تحت الحمراء ليس فقط لاكتشاف القرص ، ولكن أيضًا لمعرفة متى يتشكل كوكب بحجم الأرض داخل ذلك القرص.
يقول بروملي: "كنا أول من قام بحساب المستويات المتوقعة لإنتاج الغبار وما يرتبط بها من تجاوزات الأشعة تحت الحمراء ، وأول من أثبت أن تكوين كوكب الأرض ينتج كميات ملحوظة من الغبار".
بناء الكواكب من الألف إلى الياء
إن النظرية الأكثر انتشارًا لتشكيل الكوكب تدعو إلى بناء الكواكب "من الألف إلى الياء". وفقًا لنظرية التخثر ، تتصادم أجزاء صغيرة من مادة صخرية في قرص كوكبي أولي وتلتصق ببعضها البعض. على مدى آلاف السنين ، تنمو كتل صغيرة إلى كتل أكبر وأكبر ، مثل بناء رجل ثلج واحد من الثلج في كل مرة. في نهاية المطاف ، تنمو الكتل الصخرية كبيرة جدًا بحيث تصبح كواكب كاملة.
يقوم كينيون وبروملي بوضع نموذج لعملية تكوين الكوكب باستخدام برنامج كمبيوتر معقد. إنهم "يزرعون" قرص كوكبي أولي بحجم مليار كوكب بحجم 0.6 ميل (1 كيلومتر) ، كلهم يدورون حول نجم مركزي ، ويدفعون النظام إلى الأمام في الوقت المناسب لمعرفة كيف تتطور الكواكب من تلك المكونات الأساسية.
يقول Bromley: "لقد جعلنا المحاكاة واقعية قدر الإمكان وما زلنا نكمل الحسابات في فترة زمنية معقولة".
وجدوا أن عملية تكوين الكوكب فعالة بشكل ملحوظ. في البداية ، تحدث الاصطدامات بين الكائنات الكوكبية بسرعات منخفضة ، لذلك تميل الأجسام المتصادمة إلى الاندماج والنمو. على مسافة الأرض-الشمس النموذجية ، يستغرق الأمر حوالي 1000 عام فقط لكي تنمو الأجسام التي يبلغ طولها كيلومترًا واحدًا لتصبح كائنات يبلغ طولها 100 كيلومتر (60 ميل). تنتج 10000 سنة أخرى كواكب أولية بقطر 600 ميل ، والتي تنمو على مدى 10000 سنة إضافية لتصبح كواكب أولية بقطر 1200 ميل. وبالتالي ، يمكن أن تتشكل الأجسام بحجم القمر في أقل من 20000 عام.
مع نمو الكواكب داخل القرص بشكل أكبر وأكبر ، تزداد جاذبيتها قوة. بمجرد أن يصل عدد قليل من الأشياء إلى 600 ميل ، تبدأ في "تحريك" الأشياء الصغيرة المتبقية. مقلاع الجاذبية تقطع قطع الصخور الصغيرة بحجم الكويكب إلى سرعات أعلى وأعلى. إنهم يسافرون بسرعة كبيرة لدرجة أنهم عندما يصطدمون ، لا يندمجون ، بل ينسحقون ، ويحطمون بعضهم البعض بعنف. بينما تستمر أكبر الكواكب الأولية في النمو ، فإن بقية الكواكب الصخرية تطحن بعضها البعض في غبار.
يقول كينيون: "يتشكل الغبار في مكان تشكل الكوكب مباشرة ، على مسافة واحدة من نجمه". ونتيجة لذلك ، تشير درجة حرارة الغبار إلى مكان تشكل الكوكب. سيكون الغبار في مدار يشبه الزهرة أشد حرارة من الغبار في مدار يشبه الأرض ، مما يعطي فكرة عن مسافة كوكب الأطفال عن نجمه.
يحدد حجم أكبر الكائنات في القرص معدل إنتاج الغبار. مقدار ذروة الغبار عندما تكونت الكواكب الأولية 600 ميل.
يقول بروملي: "ينبغي أن يكون تلسكوب سبيتزر قادرًا على اكتشاف قمم الغبار هذه".
حاليًا ، لا يغطي نموذج تكوين الكواكب الأرضية لكينيون وبروملي سوى جزء صغير من النظام الشمسي ، من مدار الزهرة إلى مسافة تقارب منتصف الطريق بين الأرض والمريخ. في المستقبل ، يخططون لتوسيع النموذج ليشمل مدارات قريبة من الشمس مثل عطارد وبعيدة مثل المريخ.
كما قاموا بنمذجة تشكيل حزام كويبر - وهي منطقة من الأجسام الصغيرة الجليدية والصخرية خارج مدار نبتون. الخطوة المنطقية التالية هي نمذجة تشكيل عمالقة الغاز مثل المشتري وزحل.
يقول كينيون مبتسمًا: "نبدأ عند حواف النظام الشمسي ونعمل للداخل". "نحن نعمل أيضًا على الخروج بكميات كبيرة. الأرض أكبر 1000 مرة من جسم حزام كويبر ، والمشتري أكبر 1000 مرة من الأرض ".
"إن هدفنا النهائي هو نمذجة وفهم تشكيل نظامنا الشمسي بأكمله." يقدر كينيون أن هدفهم يمكن تحقيقه في غضون عقد من الزمان ، حيث تستمر سرعة الكمبيوتر في الزيادة ، مما يتيح محاكاة النظام الشمسي بأكمله.
تم نشر هذا البحث في 20 فبراير 2004 من مجلة رسائل الفيزياء الفلكية. معلومات ورسوم متحركة إضافية متاحة على الإنترنت على http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
يقع مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية في كامبريدج ، ماساتشوستس ، وهو تعاون مشترك بين مرصد سميثسونيان للفيزياء الفلكية ومرصد كلية هارفارد. يدرس علماء CfA ، في ستة أقسام بحثية ، أصل الكون وتطوره ومصيره النهائي.
المصدر الأصلي: بيان صحفي CfA
