عند تصوير نجم، يفكر الناس عادةً في كرات عملاقة من الغاز المحترق في السماء والتي ينبعث منها ما يكفي من الضوء يصعب تفويتها. من ناحية أخرى، تأتي الكواكب في إحدى فئتين عامتين: عوالم صخرية مثل الأرض أو عمالقة غازية مشابهة لكوكب المشتري. ولكن هناك فئة ثالثة من الأجسام الفلكية التي لا تنطبق عليها أي من هذه الأوصاف، كما أنها غير موجودة في نظامنا الشمسي. تُعرف هذه النجوم باسم القزم البني، ويُطلق عليها أحيانًا اسم “النجم الفاشل” لأنها تتشكل بنفس الطريقة التي تتشكل بها النجوم، ولكنها لا تصل أبدًا إلى الكتلة الحرجة من المواد لإنشاء اندماج نشط في النوى. كما أنها ضخمة جدًا بحيث لا يمكن اعتبارها كوكبًا عاديًا. لكن ورقة بحثية جديدة أجراها باحثون بقيادة بريتاني مايلز من جامعة أريزونا تصف أحد أوجه التشابه بين أبرد قزم بني معروف وبعض الكواكب في نظامنا الشمسي – فهو يحتوي على سحب من الجليد المائي.
اكتشفه كيفن لوهمان عام 2014، باستخدام مستكشف المسح بالأشعة تحت الحمراء واسع المجال (WISE) التابع لناسا، WISE J085510.83-071442.5 – والذي اختصره مجتمع علم الفلك لحسن الحظ إلى WISE 0855 فقط – هو ثالث أقرب “نظام” لنظامنا الشمسي، ويقع على بعد 7.2 سنة ضوئية فقط في كوكبة هيدرا. كما أنه يحمل لقب أبرد قزم بني معروف في الكون، حيث يبلغ متوسط درجة حرارة الغلاف الجوي العلوي حوالي 265 كلفن (-8 درجة مئوية). وهذا يضعه مباشرة في فئة القزم “Y”، وهي الفئة الأكثر برودة من الأقزام البنية، ومعظمها يقع ضمن الفئات الأكثر سخونة.
فكيف وجدنا هذا الجسم إذا لم يكن نجمًا، ولا يدور حول نجم ليعكس ضوءه أو يجذبه بفعل الجاذبية؟ الأقزام البنية نفسها، حتى الباردة منها، تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء، والمعروفة أيضًا باسم الحرارة. وبهذا التوقيع، يمكننا تتبع WISE 0855 أثناء تحركه عبر المجرة. ونعلم أيضًا أن حجمه يعادل حجم كوكب المشتري تقريبًا، لكنه يزن ما بين ثلاثة إلى عشرة أضعاف كتلة أكبر كوكب لدينا. كما أنه يحتل موقعًا فريدًا في فيزياء الغلاف الجوي.
يتحدث فريزر عن كيفية العثور على الفوسفين في قزم بني.
عادةً ما نشير إلى “منطقة المعتدل” عند الإشارة إلى مدار كوكب خارج المجموعة الشمسية حول نجمه الأم – حيث من الممكن وجود الماء السائل على سطحه. ولكن في فيزياء الغلاف الجوي، هناك أيضًا “منطقة المعتدل”، حيث يكون الغلاف الجوي باردًا جدًا بحيث لا يسمح للحديد المنصهر بتكوين السحب، ولكنه بارد بدرجة كافية ليشكل بخار الماء سحبًا جليدية، ودافئًا بدرجة كافية لبقاء الأمونيا كغاز. درجة الحرارة هذه هي بالضبط المكان الذي يقع فيه WISE 0855. لكن علماء الفلك ظلوا يتساءلون منذ عقد من الزمان عما إذا كان WISE 0855 يحتوي بالفعل على سحب مائية.
تكمن المشكلة في تفسير البيانات. يعد WISE 0855 مجرد نقطة ضوء واحدة لمستشعراتنا. يمكن لعلماء الفلك تقسيم ضوء الأشعة تحت الحمراء الذي ينبعث منه إلى قوس قزح من الأطوال الموجية لتتبع المواد الكيميائية التي تمتص الضوء عند أطوال موجية محددة، في عملية تعرف باسم التحليل الطيفي. ومع ذلك، كان هناك جدل حول ما إذا كان من الممكن تفسير البصمة الطيفية لهذا العالم المتجمد من خلال السحب المائية التي تحجب الضوء من الطبقات الأكثر دفئًا والأعمق، أو ما يسمى “كيمياء الاختلال”، حيث تتسبب التيارات الصاعدة في إغراق الغلاف الجوي العلوي بمواد كيميائية مثل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والفوسفين، والتي يمكن أن تحاكي أيضًا البصمة الطيفية التي يطلقها WISE 0855.
ولحل هذا اللغز، لجأ فريق البحث إلى تلسكوب جيمس ويب الفضائي. لقد تمكنوا من الحصول على 11 ساعة مذهلة من الوقت باستخدام جهاز مطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec)، وذلك باستخدام وضع السلسلة الزمنية للكائن الساطع (BOTS). كل 15 دقيقة، سيسجل الجهاز طيفًا جديدًا للأشعة تحت الحمراء يتراوح طوله الموجي بين 2.87 و5.27 ميكرون.
يتحدث فريزر إلى الدكتورة جوانا بارستو حول أجواء الكواكب الخارجية.
سمح ترتيب تلك اللقطات الـ 44 المتتالية للباحثين بمراقبة تغير سطوع WISE 0855 بمرور الوقت. كانت هناك ثلاثة اكتشافات ملحوظة للغاية قادمة من هذه السلسلة الزمنية. أولاً، حدثت أقوى تقلبات سطوع خلال 11 ساعة بين 4.5 و4.8 ميكرون في الطول الموجي – حيث يمتص أول أكسيد الكربون الضوء. ومع دوران القزم البني، تأرجح هذا النطاق لأعلى أو لأسفل بنسبة 10%.
الاكتشاف الثاني هو أنه في المناطق الطيفية التي لم يتم حجبها بواسطة غازات الغلاف الجوي العلوي الشائعة مثل الميثان أو الأمونيا، رأى الفريق الكثير من الاختلافات من ثاني أكسيد الكربون والفوسفين. الاكتشاف الثالث هو أن التوقيع الطيفي للماء لم يغير السطوع على الإطلاق.
ومن هذه البيانات، عزل الباحثون نمطين منفصلين يعملان في أعماق مختلفة من الغلاف الجوي. أولاً، وهو ما يمثل حوالي 60.5% من تباين سطوع الجسم، هناك نمط تعتيم وسطوع واضح يفسر التغير الإجمالي في درجة حرارة السطح، والذي يتأرجح بين 0.6 إلى 1.3 درجة، وربما التغيرات في سحب الجليد المائي. ويظهر النمط الثاني، الذي يمثل حوالي 4.7% من التباين، في نطاقات امتصاص أول أكسيد الكربون والفوسفين، والتي تختلف عن منحنى السطوع الإجمالي، مما يعني أن هذه الميزة ربما تأتي من أماكن أعمق بكثير في الغلاف الجوي.
يتحدث فريزر عن اكتشاف “عالم البخار” الأول ويناقشه مع الضيف إيشان روال
باستخدام نقاط البيانات هذه، اختبر الفريق نموذجين حاسوبيين متطورين للغلاف الجوي – PICASO وcoolTLUSTY. أظهر كلا النموذجين بوضوح أن تضمين السحب المائية يناسب البيانات بشكل أفضل بكثير من أي نموذج لا يتضمنها. على وجه التحديد، يبدو أننا عندما ننظر إلى WISE 0855، فإننا ننظر إلى سحب مائية غير مكتملة تقع بالقرب من الجزء العلوي من الغلاف الجوي عند ضغط يبلغ حوالي 1 إلى 4 بار. وفي هذه الأثناء، وعلى مسافة أبعد بكثير نحو سطح الجسم، تسحب التيارات الصاعدة أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والفوسفين من الأعماق.
فيما يتعلق بكيفية ظهور WISE 0855 فعليًا إذا سُمح لنا برؤيته عن قرب، باستخدام زوج من نظارات الأشعة تحت الحمراء، فسيظهر كعالم مخطط به تيارات نفاثة استوائية سريعة الحركة ملفوفة بسحب جليدية مائية متجمدة. لكن لسوء الحظ، ما زلنا لا نعرف مدى سرعة دورانه. أدى تحرك الغاز حول سطحه إلى حجب الدوران الفعلي للجسم. لكن الباحثين يعتقدون أنهم يستطيعون تحديد سرعة دوران WISE 0855، فقط إذا تمكنوا من الحصول على حوالي 20 ساعة إضافية من الوقت باستخدام أجهزة تلسكوب جيمس ويب الفضائي. ونظرًا للحاجة إلى الوقت في تلسكوب الأشعة تحت الحمراء الأول في العالم، فهذا طلب طويل. ولكن هناك فرصة لأن نتمكن من كشف المزيد من الأسرار حول هذا الجار اللطيف القريب إذا تمكنوا من الحصول على ذلك الوقت – والقيام بذلك سيوفر المزيد من المعلومات حول كيفية عمل هذه الأقزام البنية الرائعة.
يتعلم أكثر:
يو أريزونا – يمثل الاكتشاف أول اكتشاف لسحب مائية متغيرة خارج نظامنا الشمسي
مايلز وآخرون – السحابة المائية والتحويرات الكيميائية في أبرد قزم بني
UT – SPHEREx تأخذ بصمات النجوم الفاشلة عبر جوارنا الكوني
UT – اكتشاف الفوسفين في الغلاف الجوي للقزم البني لأول مرة
