يصعب فهم عالم الحمم البركانية العاكس هذا

من بين العديد من اكتشافات كيبلر وTESS المذهلة للكواكب الخارجية هي الكواكب ذات الفترة القصيرة جدًا (USP). تتحرك هذه الكواكب بسرعة كبيرة وتكمل مدارها في أقل من 24 ساعة. اعتقد علماء الفلك القدماء أن عطارد سريع جدًا، فهو يدور حول الشمس كل 88 يومًا، لدرجة أنهم أطلقوا عليه اسم الإله الروماني عطارد، الذي كان رسول الآلهة سريع السفر. لم يكن بإمكانهم معرفة مدى تباطؤ عطارد مقارنة بـ USPs.

سرعتهم هي مجرد واحدة من صفاتهم الرائعة. نظرًا لأنها قريبة جدًا من نجومها، تتعرض USPs للقوة الكاملة والمشتعلة للإشعاع القوي لنجومها. وهذا يعني أن هذه الكواكب كان يجب أن تفقد غلافها الجوي في الفضاء.

ولكن يبدو أن أحد USP المسمى TOI-561 b مختلف. كشفت عمليات الرصد المبكرة عن تلميحات لوجود غلاف جوي، واقترحت ورقة بحثية أُجريت عام 2025 بناءً على عمليات رصد محدودة بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي أن الكوكب يحتوي على غلاف جوي مصنوع من مواد متطايرة مثل الماء وثاني أكسيد الكربون. الآن، قام بعض نفس الباحثين بإعادة زيارة الكوكب الخارجي. استخدم العمل الجديد تلسكوب جيمس ويب الفضائي لفحص الغلاف الجوي للكوكب الخارجي بمزيد من التفصيل.

رسم توضيحي فني لـ TOI-561 ب. في عام 2025، أظهرت ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي أن الكوكب الخارجي يتمتع بغلاف جوي غير متوقع. اعتقد الباحثون أن لها غلافًا جويًا سميكًا فوق سطح منصهر. مصدر الصورة: NASA / ESA / CSA / Ralf Crawford، STScI.

البحث هو “الغلاف الجوي شديد الانعكاس في عالم الحمم البركانية TOI-561b الذي كشفت عنه منحنيات المرحلة JWST/NIRSpec”، وتم نشره في المجلة الفلكية. المؤلف الأول هو صامويل باوتشر من قسم الفيزياء ومعهد تروتييه لأبحاث الكواكب الخارجية بجامعة مونتريال بكندا.

“إن اكتشافنا يتحدى النظريات الحالية. نتوقع أن يكون كوكب صخري يتعرض للإشعاع بشدة مثل TOI-561 b قد فقد غلافه الجوي منذ مليارات السنين.” – البروفيسور ليزا دانغ، جامعة واترلو.

يكتب المؤلفون: “أحد الأسئلة الأكثر إلحاحًا في علم الكواكب الخارجية اليوم هو ما إذا كانت الكواكب الخارجية الصخرية الصغيرة يمكنها استضافة أغلفة جوية”. وإذا حدث ذلك، فإن العلماء يتوقعون أن يكون هذا الغلاف الجوي ثانويًا وليس بدائيًا. يمكن أن يأتي جزء من الغلاف الجوي من الغازات المنبعثة أو غيرها من التبادلات مع الجزء الداخلي من الكوكب الخارجي، وهذا دليل على عمليات غير مرئية في عمليات الرصد عن بعد. وهذا له آثار على فهم كيفية تطور الكواكب الصخرية، وكيف يمكن أن تنشأ القابلية للسكن.

في تطور، قد تكون USPs الصخرية أفضل مكان للبحث عن الأجواء الثانوية والقرائن التي تحملها للعمليات الكوكبية الأعمق. هذا لأنها على الأرجح عبارة عن محيطات من الصهارة، على الأقل في أيامها، ويمكن أن تكون “في تبادل مستمر مع الغلاف الجوي وتزويده بالوقود”، كما كتب الباحثون.

كتب المؤلفون: “من المتوقع أن تستنزف الكواكب الصخرية ذات الفترة القصيرة جدًا (USP) أي غلاف غازي كبير بسبب الإشعاع المكثف الذي تتلقاه من نجمها المضيف، مما يجعل الاكتشاف الأخير للغلاف الجوي حول TOI-561 b مفاجئًا بشكل خاص”. “استند هذا الاكتشاف إلى الكثافة الظاهرية للكوكب وطيف الانبعاث الجانبي للكوكب، لكن عمليات رصد منحنى الطور في المدار الكامل توفر طريقة أكثر شمولاً لتقييد وجود وخصائص الغلاف الجوي للكوكب.”

في هذا العمل، لاحظ المؤلفون TOI-561 b لمدة 37 ساعة، ولأنه يكمل مداره في حوالي 10.5 ساعة، فإن 37 ساعة من وقت المراقبة كانت تساوي أكثر من ثلاث مدارات كاملة. وهذا يعني أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي ألقى نظرة جيدة على الكوكب. أدى هذا إلى توليد المزيد من البيانات الكاملة لفهم الكوكب الخارجي وغلافه الجوي وما يمكن أن يخبره علماء الكواكب عن العمليات الخفية.

يُظهر هذا الرسم طيف NIRSpec الخاص بـ JWST لـ TOI-561 b من بحث عام 2025. على الرغم من أن البيانات كانت أقل اكتمالا من الملاحظات الجديدة، إلا أنها أظهرت أن الكوكب الخارجي من المحتمل أن يكون له غلاف جوي سميك وغني بالمواد المتطايرة. مصدر الصورة: رسم توضيحي: NASA، ESA، CSA، Ralf Crawford (STScI)، العلوم: J. Teske (مختبر كارنيجي لعلوم الأرض والكواكب)، A. Piette (جامعة برمنغهام)، T. Lichtenberg (جرونينجن)، N. Wallack (مختبر كارنيجي لعلوم الأرض والكواكب)

أظهرت ملاحظات TOI-561 b في الأبحاث السابقة أن الجانب النهاري للكوكب الخارجي كان أكثر برودة بكثير مما ينبغي أن يكون عليه بالنسبة لعالم صخري مجرد قريب من النجم. لا يمكن أن يكون هناك سوى تفسيرين لذلك: إما أن الحرارة انعكست مرة أخرى إلى الفضاء، أو أن الغلاف الجوي حملها إلى الجانب الليلي. أعطت هذه الملاحظات الجديدة للمدار الكامل للباحثين أول نظرة على الجانب الليلي للكوكب الخارجي.

ووجدوا أن الجانب الليلي لم يكن دافئًا بدرجة كافية ليكتسب الحرارة المفقودة. ويجب أن يكون حوالي ثلاثة أرباعها قد انعكس في الفضاء. ولمحاولة فهم ما كان يحدث، لجأ الباحثون إلى نموذج الدوران العام (GCM) وقارنوه بملاحظاتهم. يكتبون: “نستنتج من عمليات محاكاة GCM أن إعادة توزيع الحرارة وحدها لا يمكن أن تتطابق مع التدفقات النهارية المرصودة أو سعة منحنى الطور، ومصدر البياض العالي (Ab = 0.6) الذي يشير إلى السحب أو الضباب”.

أين تركهم ذلك؟

وقالت البروفيسور ليزا دانغ، رئيسة المشروع في جامعة واترلو، أونتاريو، كندا: “لقد قمنا بقياس كيفية تغير سطوع الكوكب وحرارته طوال مداره”. “لقد كشفت هذه التقنية، المعروفة باسم منحنى الطور، أن الكوكب يعكس كمية كبيرة من الضوء من نجمه، وأن الحرارة يتم إعادة توزيعها حول الكوكب بدلاً من الجانب المضاء بنور الشمس فقط. وتشير هذه الأمور معًا إلى وجود غلاف جوي.”

ووجدوا أن “العديد من أنواع السحب المحتملة يمكن أن تتشكل على الجانب النهاري بما في ذلك MgSiO3 وSiO2″، وأن SiO2 على وجه الخصوص يمكن أن يلعب دورًا. يشرح الباحثون أن SiO2 “يمكن أن يساعد في تفسير البياض العالي الذي يتطلبه GCM لمطابقة الانبعاثات المرصودة في النهار”. في الأساس، هذه الغيوم تشبه واقي الشمس، حيث تحمي الكوكب من الحرارة الشديدة.

هذه النتائج هي تأكيد للعمل السابق الذي أظهر أنه، على عكس كل التوقعات، يتمتع TOI-561 b بأجواء مهمة. وهذا يتحدى الفهم الحالي لكيفية تطور USPs الصخرية للأرض الفائقة.

وقال البروفيسور دانغ: “اكتشافنا يتحدى النظريات الحالية”. “نتوقع أن يكون كوكب صخري يتعرض للإشعاع بشدة مثل TOI-561 b قد فقد غلافه الجوي منذ مليارات السنين. وبدلا من ذلك، تشير الأدلة إلى أنه لا يزال يتمتع بغلاف جوي كبير اليوم.”

يوضح الباحثون: “تشير نظرية الهروب من الغلاف الجوي إلى أن الكواكب الأرضية الفائقة المشععة بشدة يجب أن تكون خالية من أي أغلفة متطايرة”. “هذا أمر مذهل بشكل خاص بالنظر إلى أن التعداد الحالي لـ JWST للكواكب الخارجية الصخرية قد تم تفسيره على أنه يوحي بوجود مجموعة من الكواكب الصخرية العارية …”

لاحظوا أن معظم تلك الكواكب تدور حول نجوم قزمة من نوع M، بينما يدور كوكب TOI-561 b حول قزم متأخر من G/أوائل K، وهو نجم أشبه بالشمس. هذه الكواكب القزمة الحمراء أقل تعرضًا للإشعاع من TOI-561 b، لذلك من الغريب وغير المتوقع أن تستضيف غلافًا جويًا. وكتب الباحثون: “إذا كانت الكواكب الخارجية الصخرية ذات الإشعاع المتوسط ​​مجففة تمامًا، فإن الكواكب الخارجية الأكثر تعرضًا للإشعاع مثل TOI-561 b يجب أن تكون كذلك أيضًا”.

يقترح المؤلفون تفسيرين محتملين لذلك. من الممكن أن يكون TOI-561 b قد بدأ بكمية هائلة من المواد المتطايرة في الغلاف الجوي، مما يعني أنه بدأ ككوكب فرعي غني بالمواد المتطايرة، وقد تضاءل غلافه الجوي بمرور الوقت. من الممكن أيضًا أننا نرى غلافه الجوي الثانوي، وأن الغلاف الجوي الأولي H/He يمكن تجريده بسهولة أكبر، بينما تستمر الأجواء الثانوية.

يقارن هذا الرسم البياني بين الأرض وكواكب الأرض الفائقة ونبتون الفرعية ونبتون. ربما بدأت بعض الكواكب الفرعية نبتون بأغلفة جوية أكبر حجمًا مثل نبتون، لكنها تضاءلت بسبب الإشعاع القوي لنجومها. من الممكن أن يكون TOI-561 b واحدًا من هؤلاء. حقوق الصورة: بواسطة كيث ميلر (كالتك/IPAC/SELab) – https://www.ipac.caltech.edu/news/finding-patterns-in-planets-researchers-explore-the-demographics-of-alien-worlds-in-k2-data، الملكية العامة، https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=193443844

ويمكن للهجرة أن تلعب دوراً أيضاً. إذا كان الكوكب بعيدًا عن نجمه عندما كان النجم أصغر سنًا وينبعث منه إشعاعات أقوى، ثم اقترب عندما هدأ النجم، فقد تعرض لإشعاع أقل بشكل عام، وبالتالي لم يفقد غلافه الجوي. وأخيرًا، فيما يسمونه الخيار د، كتب المؤلفون أن “المواد المتطايرة في الغلاف الجوي المتراكمة في الأصل تم عزلها في الداخل ثم تم إطلاق الغازات فيها لاحقًا”.

كتب المؤلفون: “لماذا يتمتع TOI-561 b بغلاف جوي قد يكون بسبب مزيج من أكثر من خيار من هذه الخيارات”.

ومهما كان الأمر، فإن هذه النتائج مثيرة للاهتمام للغاية. الاحتمال الرابع، وهو أن الغلاف الجوي الأصلي للكوكب الخارجي قد تم عزله في باطنه خلال مرحلة محيط الصهارة وتم إطلاقه لاحقًا، هو أمر مثير للاهتمام بشكل خاص. كتب الباحثون: “إنه احتمال مثير أن تقييد تكوين الغلاف الجوي الثانوي لكوكب صخري يمكن أن يوفر نظرة ثاقبة لتطوره الجيوكيميائي (الخيار د)، مثل حالة الأكسدة والاختزال في محيط الصهارة”.

سواء كان واحد أو أكثر أو كل التفسيرات الموضحة هي المسؤولة عن الغلاف الجوي لـ TOI-561 b، فمن المؤمل أن يتم شرحها في العمل المستقبلي. جزء من هذا العمل سيكون مقارنة الكوكب الخارجي بالأجسام التي نعرفها أكثر.

وقال دانغ: “السؤال الكبير التالي الذي سنسعى للإجابة عليه هو ما إذا كان الغلاف الجوي لـ TOI-561 b يشبه كوكب الزهرة أو نسخة متطرفة من lo”. “إن مراقبة الكوكب بأطوال موجية أطول باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي يمكن أن يمنحنا رؤى ويساعد في تفسير كيفية تمسك كوكب بهذه الحرارة بغلاف جوي لمليارات السنين.”