كوكب غريب بمدار عكسي بشكل خيار يتحول إلى نوع آخر من العالم

اكتشف علماء الفلك كوكبًا خارج المجموعة الشمسية ذو مدار مستطيل للغاية يعاني من تقلبات شديدة في درجات الحرارة - وقد يكون في طور التحول إلى نوع آخر من العوالم.

يدور الكوكب الخارجي، المسمى TIC 241249530 b، حول نجم يبعد حوالي 1100 سنة ضوئية عن الأرض. النجم هو أحد زوج ثنائي، لذا فإن الكوكب يدور حول النجم الأساسي، بينما يدور النجم الأساسي حول نجم ثانوي.

وقد تكون التفاعلات بين النجمين، اللذين يدوران في مدار غير متناسق، مسؤولة عن وضع هذا الكوكب على طريق التحول إلى "المشتري الساخن"، حسبما أفاد الباحثون في دراسة نُشرت يوم الأربعاء في مجلة Nature.

عثر علماء الفلك على أكثر من 5600 كوكب خارج المجموعة الشمسية مؤكد، و300 إلى 500 كوكب منها هي "كواكب المشتري الساخن". هذه الكواكب هي أجسام غازية ضخمة تشبه المشتري وتدور حول نجومها المضيفة بشكل وثيق، مما يؤدي إلى ارتفاع حرارتها إلى درجات حرارة حارقة.

وفي حين يستغرق المشتري 4000 يوم أرضي لإكمال دورة واحدة حول الشمس، فإن كواكب المشتري الساخنة تكمل دورة واحدة كل بضعة أيام.

ويعتقد العلماء أن الكواكب الكبيرة تبدأ بالدوران حول نجومها من مسافة بعيدة، لكنها تهاجر إلى مدار أقرب مع مرور الوقت. لكنهم يتساءلون منذ فترة طويلة عن كيفية انتهاء العوالم الضخمة في مثل هذه المدارات الضيقة، والتي هي أقرب بكثير من نجومها من قرب عطارد من شمسنا.

تقدم ملاحظات القمر الصناعي TIC 241249530 b، التي التقطها لأول مرة القمر الصناعي TESS التابع لناسا الذي يصطاد الكواكب في يناير 2020، رؤى نادرة وكاشفة لما قد يكون كوكباً في طريقه لأن يصبح كوكب المشتري الساخن.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة أرفيند جوبتا، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر NOIRLab الذي اكتشف الكوكب كطالب دكتوراه في ولاية بنسلفانيا، في بيان: "كان علماء الفلك يبحثون عن الكواكب الخارجية التي من المحتمل أن تكون سلائف لكواكب المشتري الساخنة، أو التي هي منتجات وسيطة لعملية الانتقال، لأكثر من عقدين من الزمن، لذلك كنت متفاجئًا جدًا - ومتحمسًا - للعثور على كوكب."

اكتشاف عالم متغير

في 12 يناير 2020، جمع القمر الصناعي لمسح الكواكب الخارجية العابرة بيانات تشير إلى أن شيئًا ما يمر أمام النجم المضيف TIC 241249530. ويراقب القمر الصناعي TESS سطوع النجوم القريبة للبحث عن الانخفاضات في ضوء النجوم التي قد تشير إلى وجود كواكب خارجية.

قام غوبتا وزملاؤه بمتابعة البيانات وحددوا أن كوكباً بحجم المشتري كان يمر أمام النجم. بعد ذلك، أجروا قياسات باستخدام أجهزة على تلسكوب WIYN بقطر 3.5 متر في مرصد كيت بيك الوطني في أريزونا لتحديد السرعة الشعاعية للنجم، أو مقدار تذبذب النجم ذهاباً وإياباً عندما تشد جاذبية الكوكب النجم.

أكدت بيانات السرعة الشعاعية أيضاً وجود نفس الكوكب، وساعدت الباحثين على توضيح أن الكوكب كان أكبر من المشتري بخمسة أضعاف حجمه تقريباً، وكان له ما يسميه علماء الفلك مداراً غريب الأطوار إلى حد كبير.

يستخدم علماء الفلك كلمة "غريب الأطوار" للإشارة إلى شكل مدار الكوكب على مقياس من صفر إلى 1. الصفر يساوي مدارًا دائريًا تمامًا. في نظامنا الشمسي، تبلغ اللامركزية للأرض 0.02، في حين أن مدار بلوتو ذو الشكل البيضاوي للغاية حول الشمس يعتبر 0.25.

أما الكوكب الخارجي المكتشف حديثاً فيبلغ انحرافه 0.94، وهو أكثر استواءً من أي كوكب خارجي عابر آخر وجده علماء الفلك، وفقاً للباحثين. يستغرق هذا العالم الغريب حوالي ستة أشهر لإكمال دورة واحدة حول النجم المضيف، حيث يقترب بشدة من النجم قبل أن ينطلق على نطاق واسع ثم يعود إلى مدار بيضاوي ضيق يشبه في شكله الخيار.

قال المؤلف المشارك في الدراسة سوفراث ماهاديفان، أستاذ علم الفلك في جامعة ولاية بنسلفانيا، في بيان: "لقد التقطنا هذا الكوكب الضخم وهو يقوم بدوران حاد أثناء مروره القريب من نجمه". "مثل هذه الكواكب العابرة شديدة الانحراف نادرة بشكل لا يصدق - ومن المدهش حقاً أننا تمكنا من اكتشاف أكثر الكواكب انحرافاً."

يقع الكوكب على بعد 3 ملايين ميل فقط من نجمه، أي أقرب إلى النجم بأكثر من 10 مرات من قرب عطارد من الشمس. كمرجع، يقع عطارد على بعد حوالي 36 مليون ميل (58 مليون كيلومتر) من الشمس، وفقاً لوكالة ناسا.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة، جيسون رايت، أستاذ علم الفلك والفيزياء الفلكية في ولاية بنسلفانيا، إن المدار المتطرف يسبب "تقلبات هائلة في درجات الحرارة" على مدار عام الكوكب.

وقال رايت عبر البريد الإلكتروني: "تصبح درجة الحرارة في قمم السحب ساخنة بما يكفي لإذابة التيتانيوم خلال الأيام القليلة التي يصرخ فيها الكوكب بعد اقتراب النجم". وأضاف: "خلال معظم مداره يكون أبعد من ذلك، وفي أبعد نقطة له تكون درجة حرارة قمم السحب نهاراً مثل يوم صيفي دافئ على الأرض."

اكتشف فريق البحث أيضاً أن الكوكب يدور إلى الوراء أو يتحرك في الاتجاه المعاكس عند مقارنته بدوران نجمه - وهو أمر نادر الحدوث لم يُشاهد في معظم الكواكب الخارجية ولا يحدث في نظامنا الشمسي.

جميع الغرائب التي لوحظت حول TIC 241249530 b تساعد علماء الفلك على فهم كيفية تشكل الكوكب.

وقال جوبتا: "في حين أننا لا نستطيع بالضبط الضغط على زر الترجيع ومشاهدة عملية هجرة الكواكب في الوقت الحقيقي، إلا أن هذا الكوكب الخارجي بمثابة لقطة لعملية الهجرة". "من الصعب العثور على كواكب كهذه ونأمل أن يساعدنا هذا الكوكب في كشف قصة تشكل المشتري الحار."

'رقصة المدارات'

أجرى الفريق عمليات محاكاة لتحديد كيف انتهى المطاف بالكوكب في مثل هذا المدار غير المعتاد وكذلك كيف يمكن أن يتطور مع مرور الوقت. وشملت عمليات المحاكاة نمذجة تفاعلات الجاذبية بين TIC 241249530 b ونجمه المضيف وكذلك النجم الثانوي.

وقدر فريق البحث أن الكوكب قد تشكل على الأرجح بعيداً عن النجم المضيف وبدأ في مدار دائري واسع مشابه للمشتري. وقال الباحثون إن النجم المضيف لديه مدار غير محاذٍ للنجم الثاني، مما أدى إلى تأثير قوى الجاذبية على الكوكب وتمدد مداره.

قال رايت: "على مدار العديد من المدارات، أدى تأثير الجاذبية لذلك النجم الخارجي إلى تغيير مدار TIC 241249530 b، مما جعله أكثر استطالة."

مع كل مرور للنجم المضيف، يفقد مدار الكوكب الطاقة، لذا يقدر علماء الفلك أنه في غضون مئات الملايين من السنين، سيتقلص المدار ويستقر ليستمر لبضعة أيام فقط بدلاً من 167 يوماً التي يستغرقها الآن.

بعد ذلك، سيصبح الكوكب كوكب المشتري الحار الحقيقي، كما قالت المؤلفة المشاركة في الدراسة سارة ميلهولاند، الأستاذة المساعدة في الفيزياء في معهد كافلي للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

وقالت ميلهولاند: "إنها عملية متطرفة للغاية من حيث أن التغيرات التي تطرأ على مدار الكوكب هائلة". "إنها رقصة كبيرة من المدارات التي تحدث على مدى مليارات السنين، والكوكب يسير في هذه العملية."

توأم كوكب المشتري الحار

قبل TIC 241249530 b، كان المشتري الساخن المبكر الوحيد المعروف الآخر هو كوكب خارج المجموعة الشمسية يدعى HD 80606 b، الذي تم اكتشافه في عام 2001. كان HD 80606 b يعتبر الكوكب الأكثر غرابة في المدار حتى الاكتشاف الأخير.

يبلغ الانحراف المركزي للكوكب HD 80606 b 0.93 ومداره أقصر من 111 يوماً، ويدور في نفس اتجاه نجمه. لكن بخلاف ذلك، الكوكبان توأمان عملياً، كما قال رايت. وقال إن العثور على كوكبين في مثل هذه المرحلة القصيرة من التطور المداري للكواكب يشبه "مصادفة العثور على فراشة في اللحظة التي تنفتح فيها شرنقتها".

وقال الباحثون أن اكتشاف سليفة المشتري الساخن الثاني يساعد علماء الفلك على تأكيد فكرة أن الكواكب الغازية العملاقة عالية الكتلة تتحول إلى كواكب مشترى ساخنة أثناء انتقالها من المدارات الغريبة إلى مدارات دائرية.

ويأمل الفريق في مراقبة TIC 241249530 b بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي للكشف عن ديناميكيات غلافه الجوي ومعرفة كيفية تفاعله مع هذا التسخين السريع. ويستمر البحث عن المزيد من الكواكب مثل هذه الكواكب التي تتحول إلى كواكب المشتري الحار.

"تقول ميلهولاند: "يسلط هذا النظام الضوء على مدى التنوع المذهل الذي يمكن أن تكون عليه الكواكب الخارجية. "إنها عوالم أخرى غامضة يمكن أن يكون لها مدارات جامحة تحكي قصة كيف وصلت إلى هذا الطريق وإلى أين تتجه. بالنسبة لهذا الكوكب، فهو لم يكمل رحلته بعد."