الملخص:
تبين عمليات رصد العشرات من النجوم الشابة الشبيهة بالشمس التي أجراها تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) التابع لناسا أن القوى التي تجرد الغاز من الأقراص المكونة للكواكب تتغير مع نضوج الأنظمة النجمية.
يستمر الغاز المستخدم في تكوين الكواكب حول النجوم الشابة في الاختفاء. تظهر الملاحظات الجديدة من تلسكوب ويب أن فقدان الغاز هذا لا يحدث بنفس الطريقة في جميع مراحل التطور المبكر للنظام الكوكبي. وبدلًا من ذلك، يبدو أن الرياح النجمية المسؤولة عن حمل المواد بعيدًا عن النظام تتغير مع تقدم عمر النظام.
قامت هذه الدراسة، التي قادها نامان باجاج من جامعة أريزونا وشاركت فيها أوما جولدي، العالمة في معهد SETI، بتحليل أقراص الكواكب الأولية حول 72 نجمًا شابًا يشبه الشمس. هذه واحدة من أكبر دراسات تلسكوب ويب لتكوين الكواكب حتى الآن. وجدت الدراسة أنه في مراحل مختلفة من تطور قرص الكواكب الأولية، ستهيمن آليات مختلفة لإزالة الغاز. وقد نشرت النتائج ذات الصلة في المجلة الفلكية.
من المثير للاهتمام، كما قال جولدي، أن الباحثين أصبحوا الآن قادرين على ملاحظة كيفية تغير الآليات التي تقوم بإزالة الغاز من الأقراص المكونة للكواكب بمرور الوقت، وذلك باستخدام عينات كبيرة من النجوم الشابة. يؤدي تبدد القرص الكوكبي الأولي إلى تحديد ساعة أساسية لتكوين الكوكب: بمجرد اختفاء الغاز، تنتهي فرصة تكوين كوكب عملاق غني بالغاز.
يبلغ عمر النظام الشمسي اليوم حوالي 4.5 مليار سنة، ومعظمه فارغ. ومع ذلك، في الملايين القليلة الأولى من السنين بعد ولادة الشمس، كانت الشمس الصغيرة محاطة بقرص كوكبي أولي كثيف، حيث كانت كتلة الغاز حوالي 100 مرة ضعف كتلة الغبار. وفي نهاية المطاف، يختفي معظم هذا الغاز.
تعد سرعة اختفاء الغاز أمرًا بالغ الأهمية؛ لأن الغاز الموجود في قرص الكواكب الأولية هو المادة الخام اللازمة لتكوين الكواكب العملاقة مثل المشتري وزحل. إذا تبدد الغاز قبل الأوان، فقد لا يكون لدى الكواكب الوقت الكافي لتكوين أغلفة جوية كبيرة.
استخدم باجاي وزملاؤه الملاحظات المؤرشفة من أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) الخاصة بتلسكوب ويب لإعادة بناء تطور قرص الكواكب الأولية. تمر هذه الأنظمة النجمية الـ 72 بمراحل مختلفة من تطور الأنظمة الكوكبية الشابة. قام الباحثون بدمجها في تسلسل تطوري لتتبع كيفية تغير الآليات التي تزيل الغاز من أقراص الكواكب الأولية مع تقدم العمر.
تختبر الدراسة أيضًا التنبؤات النظرية التي تم إجراؤها قبل أن يتمكن تلسكوب ويب من مراقبة المادة المعنية بشكل مباشر. في عام 2020، عملت إيلاريا باسكوتشي، أستاذة مختبر القمر والكواكب، باعتبارها المؤلف الثاني للورقة البحثية وعملت كمرشدة لباجاج. لقد قادت ذات مرة الفريق لدراسة تطور النفاثات والرياح النجمية. في ذلك الوقت، لم يتمكن الباحثون من مراقبة الهيدروجين الجزيئي بشكل مباشر لأن تلسكوب ويب لم يكن قد تم تشغيله بعد، لكنهم توقعوا أنه قد تكون هناك رياح جزيئية ضخمة بما يكفي في أنظمة النجوم الشابة لحجب فوتونات الأشعة السينية. هذه المرة أكد تلسكوب ويب هذا التوقع من خلال تتبع الهيدروجين الجزيئي مباشرة.
ركز الباحثون على إشارات غازين يهربان من قرص الكواكب الأولية: الهيدروجين الجزيئي والنيون المتأين. الهيدروجين الجزيئي هو الجزيء الأكثر وفرة في أقراص الكواكب الأولية. أتاحت الحساسية الممتازة والدقة المكانية لتلسكوب ويب للباحثين التمييز بين مجموعة واسعة من رياح الهيدروجين الجزيئية ونفاثات النيون والرياح النجمية.
في الأنظمة النجمية الأحدث، لا تزال المواد تتساقط باتجاه النجم المركزي. اكتشف تلسكوب ويب أن هذه الأنظمة تحتوي على نفاثات قوية وتدفقات خارجية واسعة تحتوي على غازات جزيئية وذرية. تتوافق خصائصها مع الرياح النجمية المدفوعة بالمجالات المغناطيسية التي تخترق القرص الكوكبي الأولي. يمكن للغاز أن يتحرك نحو الخارج على طول خطوط المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى فقدان الكتلة والزخم الزاوي في هذه العملية.
مع نضوج النظام النجمي، تسقط كمية أقل من المواد نحو النجم المركزي، وتبدأ التدفقات في الضعف، وتصبح نسبة الغاز الذري في التدفق الخارجي أعلى فأعلى. مع وجود كمية أقل من المواد التي تحجب الإشعاع عالي الطاقة، فإن الإشعاع عالي الطاقة المنبعث من النجوم الشابة قادر على اختراق قرص الكواكب الأولية بشكل أعمق وتسخين الغاز بدرجة كافية للهروب. وتسمى هذه العملية التبخر الضوئي.
أمضى جولدي عقودًا في دراسة تطور أقراص الكواكب الأولية وعمليات فقدان الغاز فيها، بما في ذلك دور الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية في توليد رياح التبخر الضوئي. وقد ربط تلسكوب ويب الآن هذه الدراسة النظرية بالقياسات العملية من خلال عمليات رصد العشرات من الأنظمة النجمية الشابة. تظهر الملاحظات أنه مع تقدم عمر أقراص الكواكب الأولية، تزداد أهمية التبخر الضوئي، بينما تضعف النفاثات التي يحركها المجال المغناطيسي والرياح النجمية تدريجيًا.
تُظهر الملاحظات أن تبديد أقراص الكواكب الأولية لا يتم التحكم فيه بواسطة آلية واحدة. يبدو أن الأنظمة الكوكبية الناشئة تمر بمرحلة انتقالية من هيمنة النفاثات القوية التي تحركها الحقول المغناطيسية والرياح النجمية في المراحل المبكرة إلى أن تهيمن عليها تدريجيًا تدفقات الغاز الذري إلى الخارج، بما في ذلك الرياح التبخرية الضوئية.
تحدد التغييرات في هذه الآلية السائدة المدة التي يمكن للكوكب أن يحصل فيها على الغازات التي يحتاجها لتكوينه.
وقال باجاج إن تشكل الكواكب هو في الواقع سباق مع الزمن. يجب على عملاق غازي مثل المشتري أن يكوّن غلافًا جويًا ضخمًا بينما لا يزال قرصه الكوكبي كبيرًا بما يكفي لتوفير إمدادات مستمرة من الغاز؛ وإلا فإن الرياح والنفاثات النجمية ستحمل هذه المواد الخام إلى الفضاء.
من بين 72 قرصًا كوكبيًا أوليًا، يعرض 66 قرصًا نطاقًا واسعًا من الهيدروجين الجزيئي وانبعاثات النيون المتأينة. اكتشف الباحثون رياح الهيدروجين الجزيئية المخروطية في 46 نظامًا ونفاثات نيون عالية السرعة في 40 نظامًا. تُظهر جميع الأقراص الكوكبية الأولية ذات نفاثات النيون أيضًا دليلاً على وجود رياح نجمية يتتبعها الهيدروجين الجزيئي أو الأكسجين.
يعتمد هذا التحليل الجديد على ملاحظات تلسكوب ويب السابقة للفريق. في عام 2024، التقط باجاج وغولدي وزملاؤه صورة تظهر أن القرص الذي يشكل الكوكب حول النجم الشاب T Cha يفقد الغاز.
أثبتت الأبحاث السابقة أن تلسكوب ويب يمكنه مراقبة عملية تبديد الأقراص الكوكبية الأولية في نظام كوكبي واحد بشكل مباشر. وتوسع الدراسة هذا النهج ليشمل العشرات من النجوم الشابة، وتكشف كيف تتغير الأهمية النسبية للنفاثات والرياح الجزيئية والرياح الذرية مع نضوج الأنظمة النجمية.
يأمل الباحثون بعد ذلك في تحديد كمية الغاز التي تحملها هذه الرياح النجمية في أوقات مختلفة، وأي مناطق من القرص الكوكبي الأولي توفر مصدرًا للمواد للغاز المتدفق. من المتوقع ألا تكشف هذه القياسات عن مدى سرعة إغلاق نافذة تكوين الكوكب فحسب، بل قد تساعد العلماء أيضًا على تحديد المكان الدقيق الذي يمكن أن تتشكل فيه أنواع مختلفة من الكواكب في قرص الكواكب الأولية قبل اختفاء الغاز المتاح.
التعليقات