ستاره‌شناسان چگونه سیاراتی در سامانه‌های ستاره‌ای دیگر را کشف می‌کنند؟

حتی بهترین تلسکوپ‌ها نمی‌توانند سیاره‌های فراخورشیدی را ببینند. این کار شامل نظارت بر ستارگان لرزان، شیفت‌های نیلی و عبورهاست.

تقریباً صد سال پیش کلاید دبلیو تومباؤ پلوتو را کشف کرد. این آخرین سیاره‌ای بود که تا سال ۱۹۹۲ کشف شد، زمانی که بشر سیاره‌ای دیگر یافت. اما این سیارهٔ جدید در سامانهٔ خورشیدی ما نبود – بلکه به دور یک ستارهٔ دیگر می‌چرخید. ما به این سیاره «سیارهٔ فراخورشیدی» می‌گوییم یا به‌اختصار «اِکس‌پلانِت».

از آن زمان به بعد، ستاره‌شناسان بیش از ۶٬۰۰۰ سیارهٔ فراخورشیدی را فهرست کرده‌اند. اگر به یاد آوردن نام‌های سیارات خودمان برای شما دشوار بود، همه سیارات را با اسامی‌ای مثل HD 189733b تصور کنید. (مکانی شگفت‌انگیز که شیشهٔ مذاب می‌بارد و باد با سرعت ۹٬۰۰۰ کیلومتر در ساعت می‌وزد.)

حتی نزدیک‌ترین سیارهٔ فراخورشیدی نیز بیش از ۴ سال نوری (۳۶ تریلیون مایل) فاصله دارد، که باعث می‌شود شک وجود داشته باشد که روزی بتوانیم به آن سفر کنیم—پس چرا این‌کار مهم است؟ دلیل این است که به ما کمک می‌کند به سؤال کهن «آیا ما تنها در جهان هستیم؟» پاسخی پیدا کنیم. به‌قدر آنچه می‌دانیم، برای حیات به یک سیاره نیاز داریم و در تلاشیم سیاره‌ای با ویژگی‌های شبیه به زمین پیدا کنیم.

چرا یافتن آن‌ها سخت است؟

مشکل این است که نمی‌توانید فقط بهترین تلسکوپ خود را بردارید و به‌سراغ آسمان بگردید. تلسکوپ‌ها توانایی تقسیم‌بندی محدودی دارند — کوچک‌ترین اندازهٔ زاویه‌ای که می‌توانند «ببینند». برای تلسکوپ فضایی هابل این مقدار ۰٫۰۵ ثانیهٔ قوسی است که به‌طور فوق‌العاده کوچکی برابر با تقریباً ۱/۷۲٬۰۰۰ درجه است. هابل می‌توانست سیاره‌ای عظیم به‌عرض مشتری را در فاصلهٔ ۵۹۰ میلیارد کیلومتری تشخیص دهد. این شگفت‌انگیز است، اما فقط ۰٫۰۶ سال نوری است، در حالی که نزدیک‌ترین ستاره، پروکسیما سنترور، ۴٫۲۵ سال نوری دور است.

مشکل دیگر، کم‌روشن بودن سیارات است. مطمئناً مشتری به راحتی در شب‌ آسمان قابل دیدن است، زیرا نور خورشید که از سطح آن بازتاب می‌شود. اما در طول روز نمی‌توانید مشتری را ببینید، چون نور بازتابی آن بسیار کم‌نورتر از نور مستقیم خورشید است. همین موضوع برای سیارات فراخورشیدی نیز صادق است. وقتی به نور یک ستاره نگاه می‌کنیم، سیارات پیرامون آن به‌اندازه کافی درخشان نیستند تا قابل تشخیص باشند.

خوشبختانه، روش‌های دیگری وجود دارد و من قصد دارم دو روشی که برای کشف بیشتر سیارات فراخورشیدی که امروز می‌شناسیم به کار رفته‌اند، توضیح دهم. مجموعه‌ای از فیزیک جذاب در اینجا وجود دارد، پس بزنیم به کار!

مدارها، ستارگان لرزان و شیفت‌های آبی

وقتی سیاره‌ای به دور یک ستاره می‌چرخد چه اتفاقی می‌افتد؟ ابتدا، تعاملی گرانشی وجود دارد که سیاره را به سمت ستاره می‌کشد. مقدار این نیرو (F_G) به جرم ستاره (M) و سیاره (m) و همچنین فاصلهٔ (r) بین آن‌ها بستگی دارد:

(G یک ثابت گرانشی است که می‌توانیم از آن صرفنظر کنیم.) می‌توان از این نیرو برای حرکت یک جسم در مسیر دایره‌ای استفاده کرد. به یاد داشته باشید که در قانون دوم نیوتن، وقتی نیرویی بر جسمی وارد می‌شود، آن جسم شتاب می‌گیرد و شتاب را به‌عنوان تغییر سرعت جسم تعریف می‌کنیم.

با این حال، سرعت به‌معنای حرکت در یک جهت خاص است، بنابراین تغییر جهت خود یک نوع شتاب است. در حرکت مداری، این را شتاب مرکز‌گرا می‌نامیم و به هر دو شعاع (r) مسیر دایره‌ای و سرعت جسم (v) وابسته است. با ترکیب این موارد با نیروی گرانشی بالا، معادلهٔ زیر به‌دست می‌آید:

بله، برخی مقادیر (مانند جرم سیاره و شعاع) در محاسبه حذف می‌شوند، اما فعلاً نگران این نکته نباشیم. می‌توانید ببینید که رابطه‌ای بین شعاع مداری و سرعت سیاره وجود دارد. بگذارید مدل حرکتی سیاره‌ای که به دور یک ستاره می‌چرخد را بررسی کنیم.

آه! می‌بینی؟ ستاره ساکن نیست! تمام داستان را برایت نگفتم. اگر ستاره بر سیاره کشیده می‌شود، سیاره نیز به‌عکس بر ستاره کشیده می‌شود. این به این دلیل است که نیروها همیشه واکنشی بین دو جسم هستند (قانون سوم نیوتن). از آنجا که نیروی جاذبه‌ای بر ستاره وارد می‌شود، آن نیز در مسیر دایره‌ای می‌چرخد.

بدیهی است که هیچ‌یک از اجسام در شبیه‌سازی بالا به مقیاس واقعی کشیده نشده‌اند. یک ستارهٔ واقعی به‌قدر خیلی بیشتری جرم دارد نسبت به سیاره، بنابراین اثر آن بسیار کوچک است. در واقع، ستاره فقط «می‌لرزد». ما نمی‌توانیم این حرکت را ببینیم، اما می‌توانیم آن را تشخیص دهیم. چطور؟ با استفاده از اثر دوپلار.

این چیزی است که قبلاً می‌دانید، حتی اگر نمی‌دانید که می‌دانید. وقتی قطاری سریع می‌گذرد، صدای آن در فرکانس تغییر می‌کند، از بالا به پایین. شبیه «نِیییییییییییییییی» … درست است؟ اینجا یک انیمیشن آورده شده که به شما کمک می‌کند بفهمید چه‌ اتفاقی می‌افتد. تصور کنید یک توپ که به‌صورت منظم امواج صوتی تولید می‌کند. این امواج سپس از نقطهٔ تولید گسترش می‌یابند. حال اگر توپ به‌سوی شما حرکت کند، چنین می‌شود:

می‌بینید که جلوی موج‌ها چطور به‌هم فشرده می‌شود؟ این یعنی تعداد موج‌های بیشتری در هر ثانیه به گوش‌تان می‌رسند—یعنی فرکانس بالاتری (فرکانس) دارند و ما آن را به‌عنوان صدای با لحن بالاتر می‌شنویم. در طرف دیگر، موج‌ها باز می‌شوند. اگر توپ از شما دور می‌شد، لحن به‌پایین می‌رسید.

این همان اثر دوپلار است و برای تمام پدیده‌های موجی کار می‌کند—به‌ویژه نور. وقتی منبع نوری به سمت شما حرکت می‌کند، فرکانس افزایش می‌یابد. برای نور قابل رؤیت، این به معنای تغییر رنگ است؛ یعنی به سمت انتهای آبی طیف جابجا می‌شود. ما آن را «شیفت آبی» می‌نامیم. وقتی به دور می‌رود، رنگ به سمت انتهای قرمز جابجا می‌شود—که «شیفت قرمز» نام دارد.

و این شد! حتی اگر ستاره‌شناسان نتوانند ببینند ستاره‌ای می‌لرزد، می‌توانند با استفاده از طیف‌سنج تشخیص دهند که نور آن چگونه تغییر می‌کند. اما صبر کنید! چیزهای بیشتری هم وجود دارد. اگر فرکانس اصلی را بدانید، می‌توانید سرعت حرکت ستاره را از طریق تغییر فرکانس محاسبه کنید.

تنها مشکلی که در این تکنیک وجود دارد این است که مقدار جابجایی رنگ به سرعت نور و سرعت منبع بستگی دارد. نور با سرعت بسیار بالایی (۳ × ۱۰^۸ متر بر ثانیه) حرکت می‌کند، به‌طوری‌که در اکثر موارد شیفت دوپلار به‌سختی قابل‌تشخیص است. سخت بودن به معنای غیرممکن بودن نیست.

پس این‌گونه یک سیارهٔ فراخورشیدی را پیدا می‌کنیم: یک ستاره را به‌مدت چند سال مشاهدە کنیم و به‌دنبال تغییرات کوچک در طیف رنگی آن بگردیم. سپس این تغییرات را برای تعیین سرعتی که ستاره به سمت یا دور از زمین حرکت می‌کند، به‌کار می‌بریم. اگر بتوانیم جرم ستاره را تخمین بزنیم (که می‌توانیم)، با استفاده از سرعت و دورهٔ نوسان آن (مدت زمان یک نوسان)، می‌توانیم جرم و فاصلهٔ مداری سیاره را محاسبه کنیم. هورا!

این مسالهٔ مهمی است. اگر به دنبال یافتن حیات فرازمینی هستید، احتمالاً می‌خواهید سیاره‌ای شبیه زمین در مدار شبیه زمین پیدا کنید—نه خیلی نزدیک به خورشید و نه خیلی دور، به‌طوری‌که آب بتواند در حالت مایع وجود داشته باشد. این یک بازهٔ محدود است.

روش عبور

خب، این روش دوم برای کشف یک سیارهٔ فراخورشیدی است. ابتدا به چیزی آشنا فکر می‌کنیم: خورشیدگرفتگی. این زمانی رخ می‌دهد که ماه جلوی خورشید می‌آید و سایه‌اش بر روی زمین می‌افتد. در یک خورشیدگرفتگی کامل، میزان نوری که به زمین می‌رسد حدود هزار برابر کمتر از حالت عادی است. این شبیه صحنه‌های «روز‑به‑شب» در فیلم‌های قدیمی است.

ونوس و عطارد نیز گاهی میان خورشید و زمین عبور می‌کنند. ما این عبورها را «عبور خورشیدی» می‌نامیم. آن‌ها سایه‌ای بر زمین نیافته‌اند، اما به‌طور خفیف شدت نور خورشید را کاهش می‌دهند. (نکته جالب: در قرن هجدهم، عبور وینوس برای محاسبهٔ فاصلهٔ زمین تا خورشید مورد استفاده قرار گرفت.)

ما می‌توانیم عبور یک سیارهٔ فراخورشیدی را مشاهده کنیم؛ وقتی یک سیارهٔ خارج‌سیاره‌ای بین ستارهٔ خود و نقطهٔ مشاهده‌مان در زمین قرار می‌گیرد. در این حالت، درخشانی ستاره کمی کاهش می‌یابد. ابزارهای حساس می‌توانند این تغییر را کشف کنند و تشخیص دهند که یک سیارهٔ فراخورشیدی اطراف آن ستاره وجود دارد. این همان روشی است که سیارهٔ Kepler‑10 b (که در تصویر بالا نشان داده شده) برای نخستین بار کشف شد. (بعداً با لرزش ستاره‌ای و شیفت دوپلار تأیید شد.)

اگر می‌توانستید این عبور را ببینید (که به‌طور کامل نمی‌توانید ببینید)، به‌این شکل می‌دید:

حالا فرض کنید که روشنایی یا شدت ستاره را به‌عنوان تابع زمان نمودار می‌کنید. در طول یک عبور، ممکن است به‌این شکل باشد:

به این نمودار به‌نام «منحنی نوری» می‌گویند و می‌توانیم از آن بسیاری اطلاعات استخراج کنیم. قسمت مسطح پایین کاهش، همان‌جایی است که سیاره به‌طور کامل جلوی ستاره قرار گرفته است. عمق این کاهش، اندازهٔ سیاره را نشان می‌دهد؛ سیارات بزرگتر نور بیشتری را مسدود می‌کنند.

دوم، طول این کاهش زمان حضور سیاره جلوی ستاره را نشان می‌دهد. می‌توانیم از آن برای تعیین دورهٔ مداری (مدت زمان لازم برای تکمیل یک دور کامل) استفاده کنیم. اگر جرم ستاره و سرعت مداری را بدانیم، می‌توانیم فاصلهٔ مداری را محاسبه کنیم.

در نهایت، به‌دنبال این می‌رویم که آیا این کاهش به‌صورت دوره‌ای تکرار می‌شود یا نه—به این ترتیب متوجه می‌شویم که یک سیارهٔ فراخورشیدی واقعی داریم. حتی امکان دریافت عبورهای چندین سیاره وجود دارد و می‌توانیم آن‌ها را از منحنی‌های نوری ویژگی‌دارشان تشخیص دهیم.

طبیعتاً، هر دو روش محدودیت‌هایی دارند. تشخیص اثرات دوپلار همان‌قدر که ستاره دورتر باشد، سخت‌تر می‌شود. و هر دو برای کارکردن به هم‌راستایی خاصی نیاز دارند. به‌عنوان مثال، اگر سامانهٔ سیاره‌ای دوردست نسبت به دید ما از زمین عمودی باشد، لرزش ستاره برای ما نزدیک یا دور شدن آن قابل‌تشخیص نیست، بنابراین هیچ شیفت دوپلار وجود نخواهد داشت.

در روش عبور، سیارهٔ فراخورشیدی باید در مسیری به‌چرخش ستاره خود باشد به‌طوری‌که صفحهٔ مدار شامل زمین باشد. اگر همه چیز هم‌راست نشود، هیچ عبوری رخ نمی‌دهد. تنها درصدی بسیار کوچک از سامانه‌های خورشیدی این شرط را برآورده می‌کنند.

همچنین، هر دو روش تشخیص تمایل بسیار شدیدی به یافتن سیارات بزرگ نزدیک به ستارگان خود دارند—که «جوپترهای داغ» نامیده می‌شوند—زیرا سیگنال‌های بزرگ‌تر و مکررتری تولید می‌کنند. برای سیارات شبیه به زمین، باید حدود سه سال بمانید تا سه عبور قابل‌قبول را ثبت کنید. و هیچ‌کس قادر نخواهد بود نسخهٔ فراخورشیدی پلوتو با دورهٔ ۲۵۰ ساله‌اش را شناسایی کند.

حالا به ۶٬۰۰۰ سیارهٔ فراخورشیدی که تا به‌حال یافت شده‌اند فکر کنید. همه به‌استثناء یک مورد، در راه شیری هستند، که «میلیاردها و میلیاردها» (در واقع تریلیاردها) که در سایر کهکشان‌ها هستند، را در بر نمی‌گیرد. و تقریباً تمام سیارات شناخته‌شده بزرگ‌تر از زمین هستند، هرچند سیارات با اندازهٔ زمین شایع هستند. و هر یک از این ۶٬۰۰۰ مورد، زمانی بود که سیارات به‌درستی برای ما هم‌راست شد تا بتوانیم آن‌ها را کشف کنیم.

پس … چه تعداد سیاره واقعاً وجود دارد؟ برآوردهای فعلی آن را در حدود ۱۰۰ سزتلین (یک عدد با ۲۳ صفر) می‌دانند. پس نظر شما چیست؟ آیا ما تنها در جهان هستیم؟