آشنایی با سیاره فراخورشیدی؛ جهان‌های دیگر فراسوی منظومه‌ی شمسی

فراتر از منظومه‌ی شمسی و سیاره‌های آشنای آن، جهان‌های دیگری با عنوان سیاره فراخورشیدی جای گرفته‌اند که پیرامون ستاره‌هایی به جز خورشید می‌گردند و با شباهت‌ها و تفاوت‌ها نسبت به منظومه‌ی شمسی، مناطقی شگفت‌انگیز را شکل داده‌اند که حتی می‌توانند میزبان حیات فرازمینی باشند.

سیارات فراخورشیدی همان‌طور که نام آن‌ها بیان می‌کند، سیاراتی هستند که به دور ستاره‌هایی غیر از خورشید می‌چرخند و در خارج از منظومه‌ی شمسی جای گرفته‌اند. واژه‌ی «اگزوپلنت» (Exoplanet) از اصطلاح Extrasolar Planet به معنای سیاره‌ی فراسوی خورشید گرفته شده است که به وجود سیاره در خارج از قلمرو ستاره‌ی ما اشاره دارد.

تا پیش از دهه‌ی 1990 میلادی، بشر هرگز سیاره‌ای را فراتر از منظومه‌ی شمسی مشاهده نکرده بود و بنابراین نمی‌توانست وجود چنین جهان‌هایی را تأیید کند. اما در بیش از سه دهه از زمان اولین کشف یک سیاره‌ی فراخورشیدی، فهرست سیارات فراخورشیدی ناسا به شکلی چشمگیر گسترش یافته است. تا سال 2025، فهرست سیارات فراخورشیدی شامل بیش از 5800 سیاره‌ی فراخورشیدی تأیید شده و حدود 10 هزار نامزد سیاره‌ی فراخورشیدی دیگر است.

سیارات فراخورشیدی که در منطقه‌ی قابل سکونت یا به اصطلاح «کمربند حیات» (Habitable Zone)، منطقه‌ای در اطراف ستاره که برای حفظ آب مایع نه خیلی گرم و نه خیلی سرد است، در گردش هستند، اهداف جست‌وجوی حیات در خارج از منظومه‌ی شمسی به شمار می‌روند.

سیارات فراخورشیدی می‌توانند شکل‌ها و ابعاد بسیار متفاوتی داشته باشند.
Credit: NASA

انواع سیارات فراخورشیدی

چیزی که در کاوش‌های بشر درباره‌ی سیارات فراخورشیدی کاملا آشکار شده آن است که این سیاره‌ها نسبت به آنچه که در منظومه‌ی شمسی دیده می‌شود، در دسته‌بندی‌های متنوع‌تری قرار می‌گیرند. ‌در حالی که منظومه‌ی شمسی ما میزبان یک سیستم نسبتا منظم از سیاره‌های خاکی مانند زمین؛ غول‌های گازی مانند مشتری؛ غول‌های یخی مانند نپتون و سیارات کوتوله مانند پلوتو است، سیارات فراخورشیدی متنوع‌تر و بی‌نظم‌تر هستند.

سیارات فراخورشیدی مشتری داغ

مشتری‌های داغ، سیاره‌های فراخورشیدی و غول‌پیکر گازی هستند که در نزدیکی ستاره‌های خود می‌چرخند و یک دور کامل را تنها در چند روز زمینی می‌پیمایند.

جو آشفته‌ی یک مشتری داغ به نام HD 80606b در شبیه‌سازی بر اساس داده‌های تلسکوپ فضایی اسپیتزر ناسا
Credit: NASA/JPL-Caltech/MIT/Principia College

واژه‌ی «داغ» به نزدیکی این سیارات به ستاره‌ی مادرشان اشاره دارد که می‌تواند باعث ایجاد دمای سطحی بسیار بالا شود. واژه‌ی «مشتری» هم به این موضوع اشاره دارد که چنین سیاراتی از نظر اندازه و جرم بیشترین شباهت را به سیاره‌ی مشتری دارند؛ هرچند ممکن است چندین برابر بزرگ‌تر یا تنها کسری از جرم و اندازه‌ی آن باشند.

نزدیکی به ستاره‌ی مادر می‌تواند باعث شود که مشتری‌های داغ تا قطرهای بسیار زیاد به اصطلاح پُف کنند و در عین حال با چگالی بسیار کم، فوق‌العاده سبک باشند تا جایی که مشتری‌های داغ در شمار برخی از سبک‌ترین سیارات فراخورشیدی که تاکنون یافت شده‌اند، جای می‌گیرند.

هم اندازه و هم نزدیکی مشتری‌های داغ به ستاره‌های مادرشان، تأثیرات بیشتر و آشکارتری بر این ستاره‌ها می‌گذارد و به آسانی با استفاده از روش‌های سرعت شعاعی و گذر تشخیص داده می‌شوند که باعث می‌شود فهرست سیارات فراخورشیدی به شدت و با اختلاف زیاد مملو از مشتری‌های داغ باشد.

در منظومه شمسی چیزی شبیه مشتری داغ وجود ندارد و برخی شواهد نشان می‌دهد که این سیارات ممکن است ابتدا در فاصله‌ی دورتری، مانند مشتری و زحل در منظومه شمسی ما، تشکیل و سپس به ستاره‌های خود نزدیک‌تر شوند.

علاوه بر مشتری‌های داغ، دسته‌بندی‌های دیگری هم وجود دارد اما همین دسته‌بندی‌ها هم اگر در نزدیکی ستاره‌هایشان کشف شوند، ممکن است با دسته‌بندی مشتری داغ هم‌پوشانی داشته باشند.

سیارات فراخورشیدی زمین‌سان

سیارات فراخورشیدی زمین-مانند (Terrestrial Exoplanets) سیاراتی تقریبا هم‌اندازه‌ی زمین در خارج از منظومه‌ی شمسی هستند که از سنگ، سیلیکات، آب و کربن تشکیل شده‌اند. به گفته‌ی ناسا، ترکیب عمده‌ی این سیاره‌ها از سنگ یا آهن است و می‌توانند سطح جامد یا مایع داشته باشند. بررسی عمیق‌تر این سیارات فراخورشیدی برای تعیین اینکه آیا آن‌ها اتمسفر یا اقیانوس دارند، ضروری است.

طرحی گرافیکی بر اساس داده‌های واقعی از یک سیاره‌ی فراخورشیدی زمین-مانند
Credit: NASA

شاید جای تعجب نباشد که چون زمین تنها سیاره‌ای است که از وجود حیات در آن آگاه هستیم، سیارات زمین-مانند هم اهداف اصلی بشر برای جست‌وجوی حیات در خارج از منظومه‌ی شمسی به شمار می‌روند.

سیارات فراخورشیدی ابرزمین یا نپتون‌های کوچک

طرحی گرافیکی بر اساس داده‌های واقعی از سیاره فراخورشیدی GJ 1214 b به عنوان یک مینی نپتون
Credit: NASA/ J PL-Caltech / R. Hurt (IPAC)

اَبَرزمین‌ها، که با عنوان مینی‌نپتون‌ها (Super-Earths or Mini Neptunes) هم شناخته می‌شوند، سیاراتی هستند که تا دو برابر اندازه‌ی زمین و تا 10 برابر جرم سیاره‌ی ما را دارند و بدین ترتیب بزرگ‌تر از سیارات زمینی اما کوچک‌تر از غول‌های یخی و غول‌های گازی هستند. ابرزمین‌ها لزوما نباید سیارات زمین-مانند باشند بلکه می‌توانند غول‌های گازی هم باشند.

سیارات فراخورشیدی نپتون-مانند

سیاره نپتون مانند
Credit: NASA/JPL-Caltech

سیارات فراخورشیدی نپتون-مانند، جهان‌هایی با اندازه‌ی مشابه سیاره‌های نپتون و اورانوس هستند که حدود چهار برابر اندازه‌ی زمین و حدود 17 برابر جرم آن را دارند. تصور می‌شود که جهان‌های نپتون-مانند دارای فضای داخلی مختلط از ترکیبات گوناگون هستند اما در هسته‌ی خود فلزات سنگین دارند.

سیارات گمشده

جهان‌های هم‌اندازه‌ی نپتون برای ستاره‌شناسان یک راز هستند، چون تعداد بسیار کمی از آن‌ها در نزدیکی ستاره‌هایشان کشف می‌شوند. این کمبود «نپتون‌های داغ» با مدارهایی حدود چهار روز یا کمتر، به عنوان «بیابان داغ نپتون» شناخته می‌شود. یکی از دلایل پیشنهادی برای این امر می‌تواند این باشد که اگر سیارات جرم زیادی نداشته باشند، تابش ستاره‌هایشان به راحتی جو آن‌ها را از بین می‌برد و در نتیجه به سرعت نپتون‌های داغ بالقوه را به اَبَرزمین تبدیل می‌کند.

سیارات فراخورشیدی سرگردان

طرحی گرافیکی از یک سیاره‌ی سرکش
Credit: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (Caltech-IPAC)

سیارات سرگردان (Rogue Planet)، که به عنوان اجرام سیاره‌ای منفرد و سیارات شناور آزاد هم شناخته می‌شوند، جهان‌هایی فراسوی منظومه‌ی شمسی هستند که از نظر گرانشی وابسته به ستارگان نیستند. بدین ترتیب به تنهایی و بدون داشتن ‌ستاره‌ی مادر در کهکشان راه شیری سرگردانند.

یک توضیح احتمالی برای سیارات سرگردان این است که در منظومه‌های سیاره‌ای تشکیل می‌شوند و سپس توسط برهم‌کنش گرانشی با سایر سیارات در همان منظومه یا در اثر برخورد با یک منظومه‌ی ستاره‌ای دیگر به بیرون پرتاب می‌شوند. یک سازوکار تشکیل کمتر محتمل، اما همچنان قابل قبول، این است که سیارات سرگردان به خودی خود و در خارج از منظومه‌های سیاره‌ای تشکیل می‌شوند.

به گفته‌ی ناسا، یک مطالعه نشان می‌دهد که وقتی تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا راه‌اندازی شود، می‌تواند تا 400 سیاره‌ی فراخورشیدی سرگردان با جرم زمین را با استفاده از میکرولنزینگ شناسایی کند.

روش کشف سیارات فراخورشیدی

کشف سیارات فراخورشیدی از این نظر دشوار است که این اجرام برخلاف ستارگان از خود نور ساطع نمی‌کنند، یا حداقل نور آن‌ها به اندازه‌ای نیست که به مکان‌یابی آن‌ها کمک کند. بدین ترتیب بیشتر روش‌هایی که شکارچیان سیارات فراخورشیدی برای کشف آن‌ها به کار می‌برند، مربوط به کشف تأثیرات یک سیاره بر ستاره‌ی مادر خود است. پنج روش اصلی که ستاره‌شناسان برای کشف سیارات فراخورشیدی استفاده می‌کنند، شامل روش سرعت شعاعی، گذر، عدسی گرانشی، تصویربرداری مستقیم و اخترسنجی است.

طرحی گرافیکی از سیاره فراخورشیدی در مدار یک ستاره درخشان
Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

روش سرعت شعاعی

از نظر تاریخی، نخستین روشی که برای شناسایی سیارات فراخورشیدی استفاده شد، «روش سرعت شعاعی» (Radial Velocity Method) بود. به گفته‌ی آژانس فضایی اروپا (ESA)، این تکنیک به این دلیل مؤثر است که وقتی سیاره‌ای دور یک ستاره می‌چرخد، چون جرم ستاره‌ی مادر به طور قابل توجهی بیشتر از سیاره‌اش است، مرکز جرم منظومه درون ستاره قرار می‌گیرد.

طرح شماتیک روش سرعت شعاعی
Credit: ESO

این مرکز ثقل که خارج از مرکز ستاره قرار دارد، باعث می‌شود تا ستاره به آرامی به جلو و عقب تکان بخورد و از آن‌جا که طول موج‌های صدا یا نور با حرکت منبع به سمت ناظر فشرده و با دور شدن منبع کشیده می‌شوند، که به آن اثر دوپلر (داپلر) می‌گویند، ستاره‌شناسان می‌توانند این لرزش را مشاهده و اندازه‌گیری کنند.

روش گذر

روش گذر هم‌اکنون پادشاه بی‌چون و چرای روش‌های شناسایی سیارات فراخورشیدی است که به اندازه‌گیری افت‌های کوچک در نور یک ستاره که هنگام حرکت سیاره از مقابل آن یا عبور از ستاره بین آن ستاره و زمین ایجاد می‌شود، می‌پردازد.

روش گذر برای تشخیص سیاره فراخورشیدی
Credit: BBC Sky at Night

داده‌های شناسایی شده در طول گذرها می‌توانند برای تعیین مدار و اندازه‌ی سیاره‌ی فراخورشیدی استفاده شوند. علاوه بر این، با نگاه کردن به نوری که از جو سیاره عبور می‌کند، ستاره‌شناسان می‌توانند ترکیب گازهای اطراف آن را بررسی کنند.

این بدان معناست که امروزه و در دوران مدرنِ پژوهش‌های سیارات فراخورشیدی، که طی آن دانشمندان بیش از هر زمان دیگری در حال کاوش عمیق‌تر در جو سیارات فراخورشیدی هستند و دنبال نشانه‌های زیستی عناصر کلیدی حیات می‌گردند، روش گذر کاربرد بی‌نظیری دارد.

عدسی گرانشی

پدیده‌های کمی برای ستاره‌شناسان سودمندتر از عدسی گرانشی هستند. این پدیده که نخستین بار در نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین در سال 1915 پیش‌بینی شد، زمانی اتفاق می‌افتد که مسیر نور هنگام عبور از یک پیچ و تاب در فضا-زمان، خم می‌شود. وقتی نور یک جرم پس‌زمینه‌ای، در میان راه از کنار یک جرم عظیم می‌گذرد، مسیر آن منحرف می‌شود و منجر به روشن‌تر شدن منبع پس‌زمینه، تغییر در موقعیت ظاهری آن منبع یا در موارد شدید، ظاهر شدن منبع پس‌زمینه در چندین مکان مختلف در یک تصویر می‌شود. به این پدیده عدسی گرانشی می‌گویند.

عدسی گرانشی
Credit: NASA

چنین روشی در مورد یک سیاره‌ی فراخورشیدی هم کاربردی است چون اگر این جرم آسمانی بین زمین و یک منبع پس‌زمینه‌ای دوردست قرار بگیرد، به عنوان یک عدسی گرانشی برای نور آن منبع عمل می‌کند. اما چون جرم این سیارات واسط کم است، اثر ناچیزی دارند و بنابراین این روش به عنوان «میکرولنزینگ» (ریزعدسی) شناخته می‌شود.

این روش به ویژه می‌تواند برای کشف سیارات فراخورشیدی سرگردان که ستاره‌ی مادر ندارند اما نور سایر ستارگان پس‌زمینه را منحرف می‌کنند و قابل تشخیص می‌شوند، بسیار سودمند باشد.

تصویربرداری مستقیم

تصویربرداری مستقیم از سیاره فراخورشیدی فم‌الحوت بی
Credit: NASA, ESA, and P. Kalas

تا بهار 2025، فقط 83 سیاره فراخورشیدی به روش کلاسیک، یعنی با تصویربرداری مستقیم مشاهده شده‌اند. اما چرا این کار این‌قدر دشوار است؟ به گفته‌ی آژانس فضایی اروپا دلیل آن، نور ستاره‌ی مادر یک سیاره است که نور خود سیاره را با ضریبی بیش از یک میلیون تحت‌الشعاع قرار می‌دهد.

اخترسنجی

درباره‌ی لرزشی که به روش سرعت شعاعی کمک می‌کند، توضیح داده شد. این تکنیک همچنین اساس روش دیگری برای تشخیص سیارات فراخورشیدی را شکل می‌دهد؛ هرچند که موفقیت بسیار کمتری دارد.

روش اخترسنجی اندازه‌گیری‌های تکراری از موقعیت ستارگان در آسمان انجام می‌دهد و از آن‌ها برای استنباط حرکت، از جمله لرزش خاص یک سیاره‌ی فراخورشیدی در مدارش، استفاده می‌کند. انجام این کار بسیار دشوار است، بنابراین طبق اعلام ناسا، اخترسنجی تا کنون تنها 5 سیاره‌ی فراخورشیدی را کشف کرده است.

سیارات فراخورشیدی و ستاره‌هایشان یکدیگر را جذب می‌کنند و می‌توان حرکت ستاره را مشاهده کرد. در روش اخترسنجی حرکت ستاره در مقایسه با دیگر ستاره‌ها نشان می‌دهد که یک سیاره‌ی فراخورشیدی وجود دارد.
Credit: The Planetary Society

با این حال، هنوز می‌توان به این روش تکیه کرد. به ویژه اینکه مأموریت گایا آژانس فضایی اروپا در حال حاضر مشاهدات بسیار دقیق و جزئی از موقعیت ستارگان در سراسر نوار وسیعی از آسمان بالای زمین انجام می‌دهد. آژانس فضایی اروپا پیش‌بینی می‌کند که در نهایت، گایا می‌تواند از اخترسنجی برای آشکار کردن ده‌ها هزار سیاره‌ی فراخورشیدی در فاصله‌هایی به بزرگی 1600 سال نوری از خورشید استفاده کند.

شاخص‌ترین سیاره‌های فراخورشیدی کشف شده

هرچند اخترشناسان هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی را کشف کرده‌اند، اما تعداد کمی از آن‌ها به عنوان اکتشافات بزرگ و بسیار قابل توجه بیان می‌شوند.

51 پگاسوس بی (51 Pegasi b)

51 Pegasi b نخستین سیاره‌ی فراخورشیدی کشف شده در مدار یک ستاره مانند خورشید بود. این سیاره در سال 1995 توسط ستاره‌شناسان «میشل مایور» (Michel Mayor) و «دیدیه کلاز» (Didier Queloz) کشف شد و بدین ترتیب در سال 2019 جایزه‌ی نوبل فیزیک برای این پیشرفت مشترک به آن‌ها اختصاص یافت. در این سال «جیمز پیبلز» (James Peebles) هم برای اکتشافات نظری در کیهان‌شناسی فیزیکی نوبل دریافت کرد.

سیاره 51 پگاسوس بی
Credit: NASA

51 Pegasi b با روش سرعت شعاعی کشف شد و یک مشتری داغ است که با فاصله‌ی حدود 0.0527 برابر فاصله‌ی میان زمین و خورشید به دور ستاره‌ی مادر خود می‌چرخد و طبق گفته ناسا، یک مدار را تنها در 4.2 روز زمینی طی می‌کند. جرم آن حدود 0.46 برابر مشتری و قطر آن 1.27 برابر آن است.

پولترگایست و فوبتور (Poltergeist and Phobetor)

پولترگایست و فوبتور
Credit: NASA

اگرچه 51 پگاسوس بی نخستین سیاره‌ی فراخورشیدی کشف شده در اطراف یک ستاره‌ی خورشید-مانند بود، اما نخستین سیاره‌ی فراخورشیدی کشف شده محسوب نمی‌شود. این عنوان مهم به دو سیاره به نام‌های پولترگایست و فوبتور تعلق دارد که در سال 1992 توسط «الکساندر وولزچان» (Aleksander Wolszczan) و «دیل فریل» (Dale Frail) کشف شدند. پولترگایست و فوبتور به ترتیب با نام‌های PSR B1257+12 b و PSR B1257+12 c هم شناخته می‌شوند.

منظومه تراپیست-1 (TRAPPIST-1)

منظومه‌ی تراپیست-1 که در فاصله‌ی حدود 40 سال نوری از زمین قرار دارد، شامل هفت سیاره است که به دور یک ستاره‌ی کوتوله‌ی سرخ نسبتا سرد می‌چرخند. دو سیاره‌ی نخست در سال 2016 و پنج سیاره‌ی دیگر در سال 2017 میلادی کشف شدند.

منظومه تراپیست 1
Credit: NASA/JPL Caltech

آنچه این منظومه را خارق‌العاده می‌کند، این است که هر هفت سیاره از نظر اندازه و ترکیب سنگی شبیه به زمین به نظر می‌رسند و حداقل سه سیاره در منطقه‌ی قابل سکونت به دور ستاره‌ی خود می‌چرخند. موضوعی که آن‌ها را به اهداف اصلی برای جست‌وجوی حیات در خارج از منظومه‌ی شمسی تبدیل می‌کند.

به محض اینکه «تلسکوپ فضایی جیمز وب» (JWST) فعالیت علمی خود را آغاز کرد به رصد منظومه‌ی تراپیست-1 پرداخت و تا کنون دمای سیاره‌ی TRAPPIST-1b را با استفاده از پرتوهای حرارتی آن اندازه‌گیری کرده است. پژوهشی که طی آن برای نخستین بار نور ساطع شده توسط یک سیاره‌ی فراخورشیدی اندازه‌گیری شد و نشان داد که ظاهرا این سیاره‌ی فراخورشیدی جو ندارد.

واسپ76 بی (WASP-76 b)

یکی دیگر از مشتری‌های داغ، واسپ-76 بی است که در سال 2016 با استفاده از روش گذر کشف شد و یک سیاره‌ی فراخورشیدی شگفت‌انگیز به شمار می‌رود.

سیاره فراخورشیدی WASP-76b
Credit: ESA

WASP-76 b در فاصله‌ای تنها 0.033 برابر فاصله‌ی میان زمین و خورشید به دور ستاره‌ی خود می‌چرخد و یک دور کامل را در 1.8 روز زمینی طی می‌کند. این سیاره که 1.83 برابر عرض مشتری و 0.92 برابر آن جرم دارد، در قفل گرانشی با ستاره‌ی مادر خود اسیر است یک سمت آن دائما رو به ستاره‌ی مادر خود و طرف دیگر آن دائما رو به فضاست.

چنین شرایطی دمای سمت روز را به 2400 درجه‌ی سانتی‌گراد و دمای سمت شب را که نسبتا خنک‌تر محسوب می‌شود به 1500 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رساند. بدین ترتیب آهن در سمت روز سیاره تبخیر می‌شود و سپس به سمت شب آن دمیده می‌شود، جایی که این عنصر سرد شده و به صورت باران بر سطح سیاره فرو می‌ریزد. WASP-76 b یادآوری کاملی از این موضوع است که سیارات فراخورشیدی واقعا چقدر می‌توانند عجیب و غریب باشند.

سکونت‌پذیری سیاره فراخورشیدی

یک سیاره برای سکونت‌پذیر بودن باید در محدوده‌ی مشخصی از ستاره‌ی مادر خود باشد که به کمربند حیات معروف است. منطقه‌ی قابل سکونت به عنوان محدوده‌ای از فاصله نسبت به یک ستاره تعریف می‌شود که در آن یک سیاره‌ی سنگی می‌تواند آب را به صورت مایع روی سطح خود حفظ کند. این منطقه بسته به درخشندگی ستاره تغییر می‌کند. بدین ترتیب که ستارگان درخشان‌تر، منطقه‌ی مجاز را دورتر می‌کنند، در حالی که کوتوله‌های سرخ کم‌نور آن را بسیار نزدیک به خود نگه می‌دارند.

محدوده سکونت‌پذیر ستاره
Credit: Britanica

فراتر از فاصله‌ی ساده

اندازه و جرم سیاره است که تعیین می‌کند آیا یک سیاره‌ی فراخورشیدی، مانند زمین سنگی است یا گازی؛ اکثر مطالعات روی سیاراتی با جرم کمتر از 10 برابر جرم زمین یا کمتر از 2.5 برابر شعاع زمین برای نامزدی سنگی تمرکز دارند.

از سوی دیگر ترکیب جوی سیاره هم بسیار مهم است. گازهای گلخانه‌ای می‌توانند یک سیاره‌ی دورتر نسبت به ستاره را گرم کنند، در حالی که یک جو رقیق ممکن است سیاره‌ای را در یک کمربند سکونت‌پذیر بهینه منجمد کند.

فعالیت ستاره‌ی میزبان هم برای داشتن شرایط حیات اهمیت زیادی دارد. کوتوله‌های سرخ فراوان و طولانی‌مدت هستند اما مستعد شعله‌هایی هستند که می‌توانند جو را از بین ببرند، مگر اینکه میدان‌های مغناطیسی یا لایه‌های ضخیم گاز از آن‌ها محافظت کنند.

طبقه‌بندی‌های نظری و نوظهور زیست‌پذیری

جهان‌های آبی و اَبَرزمین‌ها

سیاراتی با اقیانوس‌های عمیق سراسری که به اصطلاح جهان‌های آبی نامیده می‌شوند، می‌توانند حیات را در خود حفظ کنند. با این وجود فشارهای بالا در اعماق این جهان‌هایی آبی ممکن است باعث ایجاد چالش‌هایی برای پایداری حیات شود.

اَبَرزمین‌ها (با جرم 1 تا 10 برابر زمین) ممکن است جوهای ضخیم‌تری را حفظ کنند، گرمایش گلخانه‌ای را افزایش دهند و HZ را به سمت بیرون گسترش دهند.

جهان‌های هیسین

سیارات هیسین پوشش‌های غنی از هیدروژن را با اقیانوس‌های سراسری ترکیب می‌کنند؛ مدل‌های نظری نشان می‌دهند که جوهای بزرگ هیدروژنی می‌توانند شرایط سطحی قابل سکونت را حتی در مدارهای وسیع‌تر حفظ کنند.

این جهان‌ها ممکن است گازهای زیستی قابل تشخیصی مانند آمونیاک یا متیل کلرید را در جوهای گسترده‌ی خود نشان دهند.

سیارات گدازه‌ای و جزر و مدی گرم شده

جهان‌هایی که خیلی نزدیک به ستاره‌های فعال یا در مدارهای خارج از مرکز هستند، می‌توانند به صورت جزر و مدی گرم شوند و باعث ایجاد آتشفشان‌های داخلی و اقیانوس‌های بالقوه‌ی زیرسطحی مانند اروپاف قمر مشتری شوند. اگرچه شرایط سطحی برای وجود حیات ممکن است بسیار سخت باشد، اما وجود زیستگاه‌های میکروبی زیرسطحی را نمی‌توان رد کرد.

سیارات فراخورشیدی قابل سکونت

هنوز به طور قطع نمی‌توان گفت که کدام سیاره‌های فراخورشیدی کشف شده قابل سکونت هستند اما در این زمینه برخی سیارات، کاندید داشتن شرایط حیات هستند.

Proxima Centauri b

طرحی گرافیکی از سیاره پروکسیما قنطورس بی
Credit: ESO/M. Kornmesse

پروکسیما قنطورس بی، به دور نزدیک‌ترین ستاره به خورشید ما، یعنی «پروکسیما قنطورس» (Proxima Centauri) در فاصله‌ی تقریبی 4.22 سال نوری می‌چرخد و به طور مستقیم در منطقه‌ی همسایگی خود با حداقل جرم 1.3 برابر جرم زمین قرار دارد. با وجود خطرات شراره‌های ستاره‌ی مادر، پروکسیما بی همچنان هدف اصلی برای مطالعات جوی و کاوشگرهای میان‌ستاره‌ای آینده به شمار می‌رود.

TRAPPIST-1

همان‌طور که اشاره شد کوتوله‌ی فوق سرد TRAPPIST-1 میزبان هفت سیاره به اندازه‌ی زمین است که سه تا از آن‌ها شامل e، f، g در منطقه‌ی سکونت‌پذیر قرار دارند و احتمالا سنگی هستند. جیمز وب در حال حاضر این سیارات را در جست‌وجوی بخار آب بررسی می‌کند و به طور بالقوه اتمسفر معتدل آن‌ها را نشان می‌دهد.

K2-18 b

سیاره فراخورشیدی
Credit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) Science: Nikku Madhusudhan (IoA)

K2-18 b یک مینی نپتون با شعاع حدود 2.7 برابر شعاع زمین در منطقه‌ی HZ ستاره‌ی خود است که هابل در سال 2019 بخار آب را در آن شناسایی کرد. این نخستین شناسایی از این نوع در یک سیاره‌ی فراخورشیدی HZ است. از آن زمان جیمز وب متان و کربن دی‌اکسید و احتمالا دی متیل سولفید را که یک مولکول بالقوه نشانه‌ی زیستی است، شناسایی کرده است.

دیگر موارد شاخص

آسمان در سیاره گلیز 667 سی‌سی
Credit: ESO/L. Calçada‏

کپلر 62e و 62f ابرزمین‌هایی در لیرا با شاخص‌های شباهت به زمین 0.83 و 0.69 هستند، که آن‌ها را در میان 12 دنیای بالقوه قابل سکونت قرار می‌دهد.

گلیز 667 سی‌سی سیاره‌ای با حدود 4.5 برابر جرم زمین در فاصله‌ی 22 سال نوری، که به دور یک کوتوله‌ی نوع M می‌چرخد. اگرچه تا حدودی از زمین بزرگ‌تر است، اما در منطقه‌ی معتدل ستاره قرار دارد.

گلیز 12 بی سیاره‌ای هم‌اندازه‌ی زمین که به تازگی تأیید شده و در فاصله‌ی حدود 40 سال نوری از ما قرار دارد و به دور یک کوتوله‌ی سرخ سرد با دمای حدود 42 درجه‌ی سانتی‌گراد می‌چرخد.

ابزارهای تشخیص سیارات فراخورشیدی

برای تشخیص سیارات فراخورشیدی، مأموریت‌ها و ابزارهای مختلفی در کنار هم و از سراسر جهان، یک جعبه ابزار مناسب فراهم می‌کنند. این مجموعه شامل تلسکوپ‌های فضایی می‌شود که طیف‌سنجی گذر و فروسرخ با دقت بالا ارائه می‌دهند، و در کنار آن‌ها تأسیسات زمینی در حساسیت سرعت شعاعی و کنتراست‌های تصویربرداری مستقیم برتری دارند. این هم‌افزایی علم سیارات فراخورشیدی را به سمت شناسایی و توصیف سیارات مشابه زمین و رمزگشایی از معماری منظومه‌های سیاره‌ای پیش می‌برد.

ابزارهای فضا-پایه

کپلر و کی2 ناسا

مأموریت کپلر ناسا که در مارس 2009 آغاز شد، نخستین تلسکوپ فضایی بود که صرفا به شناسایی سیاره‌های فراخورشیدی هم‌اندازه‌ی زمین به کمک روش گذر اختصاص داشت و روشنایی بیش از 150 هزار ستاره را در یک میدان ثابت برای جست‌وجوی افت‌های دوره‌ای رصد می‌کرد.

تلسکوپ فضایی کپلر
NASA/JPL

پس از چهار مورد خرابی در سال 2013، مهندسان به شکلی نوآورانه، کپلر را به مأموریت تمدید شده‌ی K2 تغییر کاربری دادند و از فشار تابش خورشیدی، برای تثبیت آن استفاده کردند. علاوه بر این سوژه‌های مورد بررسی آن را به صفحه‌ی دایرهالبروج گسترش دادند و بدین ترتیب از اواخر سال 2013 تا 2018 این تلسکوپ به شناسایی سیارات و مطالعه‌ی پدیده‌های اخترفیزیکی متنوع ادامه داد.

در مجموع، کپلر و K2 بیش از 3000 سیاره فراخورشیدی تایید شده و هزاران نامزد دیگر را شناسایی کرده‌اند که اساسا درک ما را از جمعیت‌شناسی سیاره‌ها در کهکشان راه شیری تغییر می‌دهد.

تس

ماهواره‌ی نقشه‌بردار سیارات فراخورشیدی گذران (TESS) که در آوریل 2018 پرتاب شد، یک مأموریت اصلی دو ساله را برای بررسی 85 درصد از آسمان در 26 بخش دارای هم‌پوشانی انجام داد و بر درخشان‌ترین ستاره‌های کوتوله‌ی نزدیک به ما تمرکز کرد تا امکان پیگیری سریع سوژه‌ها از طریق رصدخانه‌های زمینی را فراهم کند.

طرح گرافیکی تس
Credit: NASA

برخلاف نگاه ژرف و باریک کپلر، رویکرد سراسری TESS صدها سیاره‌ی فراخورشیدی جدید، از ابرزمین‌های سنگی گرفته تا غول‌های گازی را تأیید کرده است و در توسعه‌ی مأموریت که به بررسی خطوط مبنای طولانی‌تر برای شناسایی سیارات هم‌اندازه‌ی زمین در مناطق قابل سکونت می‌پردازد، ادامه می‌یابد.

جیمز وب

اگرچه جیمز وب یک مأموریت نقشه‌برداری از آسمان نیست، اما ابزارهای قدرتمندی مانند «نیرکم» (NIRCam) و «میری» (MIRI) مجهز به تاج‌نگارهایی را حمل می‌کند که نور ستاره را مسدود می‌کنند تا مستقیما جو سیارات فراخورشیدی را در طول موج نزدیک به فروسرخ میانی تصویربرداری و طیف‌سنجی کنند.

طرحی گرافیکی از تلسکوپ فضایی جیمز وب
Credit: NASA

نتایج اولیه شامل اولین تصویر مستقیم از HIP 65426 b و تشخیص مولکول‌هایی مانند کربن دی‌اکسید در جو غول‌های گازی جوان است که حساسیت بی‌سابقه‌ی جیمز وب را برای توصیف جوی و جست‌وجوی نشانه‌های زیستی نشان می‌دهد.

ابزارهای زمین-پایه

هارپس

تلسکوپ 3.6 متری رصدخانه لاسیلا در شیلی، محل استقرار یکی از موفق‌ترین ابزارهای شکار سیاره در جهان، جستجوگر سیاره با سرعت شعاعی با دقت بالا
Zdeněk Bardon (bardon.cz)/ESO

HARPS یا به طور کامل جست‌وجوگر سرعت شعاعی سیارات با دقت بالا (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher) که در سال 2003 روی تلسکوپ 3.6 متری لاسیلا در رصدخانه‌ی جنوبی اروپا (ESO) نصب شد، با اندازه‌گیری جابجایی‌های دوپلر در طیف ستارگان هر شب، به سرعت شعاعی با دقتی بهتر از 1 متر بر ثانیه دست می‌یابد و بدین ترتیب ده‌ها سیاره‌ی فراخورشیدی کم‌جرم را کشف عصر شکار سیارات با جرم کمتر از متر بر ثانیه را آغاز می‌کند.

اسپرسو

تلسکوپ‌های اختصاص داده شده به پروژه اسپرسو
Credit: ESO/H.H.Heyer

ESPRESSO که در سال 2018 در مرکز مشترک Coudé تلسکوپ VLT به کار گرفته شد، بر پایه میراث HARPS با اپتیک فوق‌العاده پایدار و وضوح تا حدود 190 هزار راند ساخته شده است و هدف آن دستیابی به دقت سرعت شعاعی تا 10 سانتی‌متر بر ثانیه است که برای تشخیص سیارات مشابه زمین در اطراف ستارگان نزدیک در طول چندین سال کافی است.

اسفیِر

همچنین در تلسکوپ بزرگ اروپایی، SPHERE از اپتیک تطبیقی ​​شدید و انواع مختلف تاج‌نگار برای تصویربرداری مستقیم و توصیف طیفی سیارات فراخورشیدی غول‌پیکر و دیسک‌های پیرامون ستاره‌ای در طیف نوری و فروسرخ نزدیک استفاده می‌کند و به کنتراست‌های 10⁶ تا 10⁷ در فواصل 0.1 اینچ تا 0.5 اینچ دست می‌یابد.

تجهیزات اسفیر در تلسکوپ بزرگ اروپایی
Credit: ESO

از زمان نخستین نور در سال 2014، اسفیر سیارات جدید، ساختارهای پیچیده‌ی دیسک و نشانه‌های نوری قطبیده را که خواص دانه‌های غبار و برهم‌کنش‌های سیاره-دیسک را ردیابی می‌کنند، آشکار کرده است.

تصویربردار سیارات جمینای

Gemini Planet Imager یا به اختصار GPI که از سال 2014 در جمینای جنوبی فعالیت می‌کند، از یک آینه‌ی فشرده‌ی MEMS تغییر شکل‌پذیر و یک تاج‌نگار پیشرفته برای دستیابی به نسبت کنتراست تا 10⁷ استفاده و امکان تشخیص غول‌های گازی جوان و خودنور را از طریق تصویربرداری مستقیم و طیف‌سنجی با وضوح پایین در طیف فروسرخ نزدیک فراهم می‌کند.

بررسی GPI ده‌ها سیاره فراخورشیدی غول‌پیکر و کوتوله‌های قهوه‌ای را شناسایی کرده است که معیارهای مهمی را برای مدل‌های جوی ارائه می‌دهند و می‌توانند مبنایی برای ابزارهای تصویربرداری نسل بعدی باشند.

منابع و دادگان سیاره‌های فراخورشیدی

پایگاه‌های داده‌ی زیادی به فهرست اجرام فراخورشیدی اختصاص یافته‌اند اما در این میان موارد زیر کامل‌ترین‌ها و در دسترس‌ترین‌ها هستند.

آرشیو سیارات فراخورشیدی ناسا (NASA Exoplanet Archive)

آرشیو سیارات فراخورشیدی ناسا یک مخزن جامع است که توسط IPAC در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) نگهداری می‌شود و داده‌های تأیید شده‌ی سیارات فراخورشیدی و کپلر را در کنار مشاهدات سری زمانی و پارامترهای ستاره‌ای ارائه می‌دهد.

از طریق رابط وب آن، کاربران می‌توانند جست‌وجوهای تعاملی در جدول سیارات انجام دهند و بر اساس طیف وسیعی از معیارها مانند دوره‌ی مداری و شعاع سیاره نتایج را فیلتر کنند و به نمودارهای از پیش تولید شده‌ی ویژگی‌های سیاره مانند توزیع دوره-شعاع دسترسی داشته باشند.

برای دسترسی برنامه‌ریزی شده، این بایگانی هم از پروتکل دسترسی به جدول (TAP) و هم از یک API RESTful پشتیبانی می‌کند که امکان پرس‌وجوهای خودکار را از طریق URLها یا ابزارهای خط فرمان مانند wget فراهم می‌کند که برای دانلود انبوه کاتالوگ‌ها، منحنی‌های نوری و مشاهدات محاسبه شده ایدئال است.

خدمات تخصصی این پایگاه هم شامل سرویس گذر و تقویم نجومی برای پیش‌بینی گذرهای آینده، ابزار نمایش دوره‌های سیارات فراخورشیدی برای تشخیص سیگنال در سری‌های زمانی و EXOFAST برای برازش داده‌های گذر و سرعت شعاعی است.

دانشنامه‌ی سیارات فراخورشیدی (Extrasolar Planets Encyclopaedia)

دانشنامه‌ی سیارات فراخورشیدی به نشانی exoplanet.eu یکی از قدیمی‌ترین کاتالوگ‌های سیستم‌های سیاره‌ای فراخورشیدی را ارائه می‌دهد که فهرستی از تمام اجرام زیر 60 برابر مشتری را که به دور ستاره‌های مختلف می‌چرخند یا در فضا شناور هستند، ارائه می‌دهد.

این دایره‌المعارف، یافته‌های منتشر شده از ستاره‌شناسان حرفه‌ای در سراسر جهان را جمع‌آوری می‌کند و یک کتابشناسی جامع، یک پایگاه داده از قرص‌های اطراف ستاره‌ها و اطلاعات مربوط به سیارات فراخورشیدی را در سیستم‌های دوتایی ارائه می‌دهد.

این سایت همچنین شامل جداول کاتالوگ قابل مرتب‌سازی و فیلتر، نمودارهای روابط جرم-دوره و لینک‌هایی به کنفرانس‌ها و جلسات آینده‌ی سیارات فراخورشیدی است.

کاتالوگ باز سیارات فراخورشیدی (Open Exoplanet Catalogue)

کاتالوگ باز سیارات فراخورشیدی یک پایگاه داده‌ی غیرمتمرکز و جامعه‌محور است که در GitHub میزبانی می‌شود و ورودی‌های جدید سیارات معمولا ظرف 24 ساعت پس از اعلام ظاهر می‌شوند.

این سایت که تحت مجوز دانشگاه MIT فعالیت می‌کند، از مشارکت و اصلاحات منجمان آماتور و حرفه‌ای استقبال می‌کند و داده‌های سیاره‌های فراخورشیدی، ستاره‌ی میزبان و پارامترهای مداری را در قالب فایل‌های XML ساده‌ای که می‌توانند با ابزارهای منبع‌باز تجزیه شوند، نگهداری می‌کند.

ساختار آن همچنین از ادغام در برنامه‌های سفارشی و شخص ثالث که به دنبال به‌روزترین فهرست‌های اجرام فراخورشیدی هستند، پشتیبانی می‌کند.

کاتالوگ جهان‌های سکونت‌پذیر (Habitable Worlds Catalog)

کاتالوگ جهان‌های سکونت‌پذیر در آزمایشگاه سکونت‌پذیری سیاره‌ای (PHL) که قبلا کاتالوگ سیارات فراخورشیدی قابل سکونت نام داشت، سیارات فراخورشیدی را بر اساس پتانسیل آن‌ها برای پشتیبانی از آب مایع و حیات طبقه‌بندی می‌کند.

این سایت، سیارات فراخورشیدی را بر اساس امتیاز سکونت‌پذیری که از عواملی مانند دمای تعادل، شار ستاره‌ای و ویژگی‌های مداری به دست می‌آید، رتبه‌بندی می‌کند و برای بررسی فهرست‌های کاندیداها، جداول مقایسه‌ای را همراه با ابزارهای بصری ارائه می‌دهد.

اگرچه هیچ تضمینی برای سکونت‌پذیری واقعی وجود ندارد اما این پایگاه همچنان منبع ارزشمندی برای انتخاب اهداف با اولویت بالا برای توصیف جوی و جست‌وجوی نشانه‌های زیستی است.

برنامه رصد پیگیری سیارات فراخورشیدی (ExoFOP)

ExoFOP یک پلتفرم مشارکتی است که برای هماهنگی و بایگانی مشاهدات پیگیری برای کاندیداهای سیارات فراخورشیدی کپلر، K2 و TESS طراحی شده است.

پژوهشگران می‌توانند پارامترهای تصویربرداری، طیف‌سنجی و ستاره‌ای مشتق شده را آپلود کنند، برنامه‌های رصد را به اشتراک بگذارند و به فایل‌های داده ارسالی توسط جامعه دسترسی داشته باشند. رابط جستجوی سایت امکان فیلتر کردن بر اساس ماموریت، هدف یا نوع مشاهده را فراهم می‌کند و از صادرات داده‌های انبوه برای برنامه‌ریزی کمپین‌های پیگیری در مقیاس بزرگ پشتیبانی می‌کند.

چشم بر سیارات فراخورشیدی
Credit: NASA

چشم بر سیارات فراخورشیدی (Eyes on Exoplanets)

چشم بر سیارات فراخورشیدی یک برنامه‌ی علمی تحت وب ناسا است که یک جهان سه‌بعدی کاملا تعاملی از سیستم‌های سیارات فراخورشیدی شناخته شده را ارائه می‌دهد. کاربران می‌توانند در مناطق ستاره‌ای پیمایش کنند، مدارهای سیارات را بررسی کنند و پارامترهای سیستم را به صورت لحظه‌ای و مستقیم در یک مرورگر مشاهده کنند. این وب‌سایت، زیرمجموعه‌ی پایگاه گسترده‌تر «چشم‌های ناسا» است که امکان کاوش در داده‌های مأموریت‌های فضایی، از جمله اکتشافات سیارات فراخورشیدی، مسیرهای فضاپیما و محیط‌های سیاره‌ای شبیه‌سازی شده را فراهم می‌کند.

این بایگانی‌ها و منابع در کنار هم، اکوسیستمی را تشکیل می‌دهند که از همه چیز، از مرور کاتالوگ و مطالعات آماری گرفته تا برنامه‌ریزی مأموریت و اطلاع‌رسانی عمومی، پشتیبانی و تضمین می‌کند که داده‌های سیارات فراخورشیدی هم برای جامعه‌ی علمی و هم برای علاقه‌مندان در سراسر جهان، در دسترس، به‌روز و قابل استفاده باقی بمانند.

جمع‌بندی

با وجود آنکه تنها چند سده پیش، بشر ایده‌ای از موقعیت خود در کیهان نداشت، اکنون می‌دانیم که زمین و دیگر سیاره‌های منظومه‌ی شمسی چندان متمایز نیستند و فراسوی خورشید، منظومه‌های دیگر و سیاره‌های دیگری جای گرفته‌اند که حتی از بسیاری جهت‌ها مشابه سیاره‌های آشنا از جمله زمین به شمار می‌روند.

سوژه‌ی سیاره فراخورشیدی، امروزه به یکی از اصلی‌ترین کنجکاوی‌های بشر تبدیل شده تا جایی که اولویت پژوهشی دانشمندان اخترفیزیک را به خود اختصاص داده است. تا کنون به کمک ابزارهای قدرتمند زمینی و فضایی، هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی شناسایی شده‌اند و برخی از آن‌ها تا اندازه‌ای برای داشتن شرایط حیات مناسب هستند که شاید روزی حیات در آن‌ها کشف شود یا حتی پذیرای نسل‌های آینده‌ی گونه‌ی بشر باشند.

عکس کاور: طرحی چرافیکی از سیارات فراخورشیدی
Credit: NASA

منابع: Space, Britanica, Earth Sky, NASA