حتی ستاره‌های در حال مرگ می‌توانند زمینه‌ساز تولد سیاره‌های جدید باشند

وقتی ستاره‌های جوان از ابر متراکم هیدروژن مولکولی به‌وجود می‌آیند، دیسکی از باقی‌مانده‌ی مواد به نام دیسک پیش‌سیاره‌ای آن‌ها را احاطه می‌کند. سیاره‌ها از این دیسک متولد می‌شوند. امروزه، ستاره‌شناسان این محیط‌ها را دقیق بررسی می‌کنند و دنیاهای نوزاد را زیر نظر می‌گیرند؛ اما تنها ستاره‌های جوان نیستند که دیسکی از مواد خام را در اطراف خود دارند.

برخی ستاره‌های کهن در حال مرگ هم دیسک دارند. آیا نسل دوم سیاره‌ها می‌توانند در چنین شرایطی شکل بگیرند؟ سیاره‌ها پس از ستاره‌ها شکل می‌گیرند؛ اما این شکاف زمانی چندان طولانی نیست. در منظومه‌ی شمسی، خورشید حدود ۴/۶ میلیارد سال و زمین ۴/۵ میلیارد سال پیش تشکیل شدند؛ درنتیجه سرنوشت زمین با سرنوشت خورشید گره خورده است.

وقتی خورشید در آینده‌ای دور به غول سرخ تبدیل شود، لایه‌هایی از ماده را در فضا دفع می‌کند و در‌نهایت، به‌قدری منبسط می‌شود که زمین و دیگر سیاره‌های داخلی منظومه‌ی شمسی را نابود می‌کند. مشتری و سیاره‌های خارجی منظومه‌ی شمسی جان سالم به‌در می‌برند؛ اما بقیه‌ی عمر خود را در مدار کوتوله‌ای سفید می‌گذرانند که باقی‌مانده‌ی خورشید است. در این سناریو، هیچ سیاره‌ی جدیدی نمی‌تواند در اطراف کوتوله‌ی سفید شکل بگیرد.

بااین‌حال، خورشید ما نمونه‌ای نادر است. بسیاری از ستاره‌ها منظومه‌های دوتایی هستند. ستاره‌های دوتایی معمولاً هم‌سن هستند؛ اما جرم متفاوتی دارند. ازآنجاکه جرم داخلی یک ستاره بر آینده‌ی آن تأثیر می‌گذارد، ستاره‌های منظومه‌ی دوتایی طول عمر‌های متفاوتی دارند. اگر یکی از ستاره‌ها هم‌جرم خورشید ما باشد، در پایان عمر به غول سرخ تبدیل می‌شود و بخشی از مواد را به داخل فضا دفع می‌کند؛ اما چه بلایی بر سر باقی‌مانده‌ی مواد در منظومه‌ای دوتایی می‌آید؟

اینجا است که پژوهش جدید با این عنوان به‌میان می‌آید: «جمعیت دیسک‌های گذار در اطراف ستاره‌های تکامل‌یافته: آثار سیاره‌ای». ژاک کلاسکا، مؤلف ارشد این پژوهش و ستاره‌شناس KU Leuven است. مجله‌ی Astronomy & Astrophysics این پژوهش را منتشر کرده است.

کشش گرانشی ستاره‌ی دوم در منظومه‌ی دوتایی باعث می‌شود مواد دفع‌شده از ستاره‌ی در حال مرگ، دیسک چرخشی جدیدی را تشکیل دهند که بسیار مشابه دیسک پیش‌سیاره‌ای اطراف یک ستاره‌ی جوان است.

ستاره‌شناسان اتفاق فوق را پیش‌بینی می‌کردند؛ اما نکته‌ی جدید شکل‌گیری نسل دوم سیاره‌ها از دیسک پیش‌سیاره‌ای است. براساس پژوهش جدید، در چنین موقعیتی دنیاهای جدید در اطراف ۱۰ درصد از ستاره‌های دوتایی شکل می‌گیرند. کلاسکا، مؤلف ارشد مقاله، در نشستی مطبوعاتی گفت:

در ۱۰ درصد از ستاره‌های دوتایی تکامل‌یافته‌ی دارای دیسک، حفره‌ی بزرگی در دیسک را شاهد هستیم. این نشانه‌ی شیء شناوری است که مواد داخل حفره را جمع‌آوری کرده است.

جرم موجود در حفره، تنها می‌تواند یک سیاره باشد. مشاهدات ستاره‌ی در حال مرگ احتمال سیاره‌ بودن شیء مدنظر را تقویت می‌کنند. کلاسکا افزود:

در ستاره‌های دوتایی تکامل‌یافته که حفره‌ی بزرگی در دیسک خود دارند، عناصر سنگینی مثل آهن را شاهد بودیم که در سطح ستاره‌ی در حال مرگ بسیار کمیاب هستند. این مشاهده می‌تواند این شک را تقویت کند که ذرات غبار غنی از این عناصر به‌دام سیاره افتاده‌اند.

ستاره‌شناسان هنوز از سیاره بودن اشیای مشاهده‌شده اطمینان ندارند؛ اما شواهد جای بحث دارند. در‌صورتی‌که مشخص شود نسل دوم دنیاها به این صورت تشکیل می‌شوند، کشف بزرگی به‌دست خواهد آمد. درنتیجه نظریه‌ی شکل‌گیری سیاره‌ای یا فرضیه‌ی سحابی درست است. پروفسور هانس وان وینکل، سرپرست مؤسسه‌ی نجوم KU Leuven، بیان کرد: «تأیید یا رد شکل‌گیری سیاره به این صورت، آزمایش بی‌سابقه‌ای برای نظریه‌های فعلی است.»

تصویرسازی منظومه‌ی ستاره‌ای دوتایی که در آن نسل دوم سیاره‌ها در حال شکل‌گیری هستند

دیسک‌های جدید سیاره‌ای، تنها در شرایط خاص و در اطراف انواع خاصی از ستاره‌ها شکل می‌گیرند. ستاره‌های پسا AGB (مرحله‌ی پس از شاخه غول مجانبی) چنین شرایطی را دارند. این ستاره‌ها درخشان و سرد هستند. طیف جرمی ستاره‌های پسا AGB از ۰/۸ تا ۵ جرم خورشیدی متغیر است.

ستاره‌های پس از AGB منبع هیدروژن خود را به‌پایان رسانده‌اند. بخش زیادی از هسته‌ی این ستاره‌ها از کربن و اکسیژن تشکیل شده است؛ اما لایه‌های بیرونی آن‌ها منبسط و سرد می‌شوند. این ستاره درنهایت به غول سرخی تبدیل می‌شود. سپس تغییر دما در هسته‌ی ستاره به گداخت هلیومی منجر می‌شود. گداخت مدتی سردشدن و انبساط ستاره را به‌تأخیر می‌اندازد؛ اما درنهایت هلیوم هم به‌پایان می‌رسد. سپس سرد‌شدن و انبساط ستاره ادامه می‌یابد.

در این مرحله، ستاره هنوز به‌پایان خود نرسیده است؛ بلکه پالس‌های گرمایی را تجربه می‌کند و بخش بیشتری از هیدروژن را می‌سوزاند. افزون‌براین، جرقه‌های هلیومی را هم تجربه می‌کند؛ اما ستاره در این مرحله بخشی زیادی از جرم خود را در فضا دفع کرده است. اگر شریکی دوتایی داشته باشد، این ماده‌ی دفع‌شده راه دوری نمی‌رود. شریک دوتایی ستاره مرکزی گرانشی دارد و ماده‌ی دفع‌شده به‌شکل دیسکی در اطراف مرکز آن شکل می‌گیرد.

این اتفاق همیشه رخ نمی‌دهد. یکی از فازهای چشمگیر و متداول تکامل دوتایی باعث می‌شود ستاره‌ی شریک ماده‌ی ستاره‌ی در حال مرگ را در اطراف خود جمع کند؛ اما به‌دلیلی ستاره‌شناسان هنوز دلیل شکل‌گیری این دیسک را نمی‌دانند. این پدیده، تنها در ۱۰ درصد از دوتایی‌های این بررسی دیده شد.

دیسک‌های پسا AGB فقط بین ۱۰ تا ۱۰۰ هزار سال دوام می‌آورند. آیا این مدت برای شکل‌گیری سیاره‌ای غول‌آسا کافی است؟ ستاره‌شناسان چندان امیدی ندارند؛ اما پژوهش جدید نشان می‌دهد سیاره‌ها تنها در ۱۰۰ هزار سال می‌توانند شکل‌ بگیرند. پژوهشی در سال ۲۰۱۸ هم با بررسی شکاف موجود در دیسک‌ها به این مسئله اشاره می‌کند:

اگر سیاره‌ها این شکاف‌ها را پر کنند، آن‌گاه سیاره‌هایی هم جرم زحل فقط در نیم‌میلیون سال از طول عمر دیسک پیش‌سیاره‌ای تشکیل می‌شوند.

به‌گفته‌ی مؤلفان پژوهش، حتی اگر حفره‌ی دیسک بر‌اثر سیاره‌ای ایجاد شده باشد، آن سیاره لزوماً سیاره‌ی نسل دوم نخواهد بود. مؤلفان گفتند:

بااین‌حال، به‌نظر ممکن می‌رسد اگر دیسک‌های گذار را سیاره ایجاد کرده باشد، مانند این است که سیاره‌ای نسل اول از فاز واکنش دوتایی جان سالم به‌در برده است. درواقع، به‌نظر می‌رسد که سیاره‌های دوتایی به فراوانی سیاره‌ها در اطراف ستاره‌های واحد هستند با اینکه تعداد کمی از آن‌ها کشف شده‌اند.

اگر چنین سیاره‌ای از اول در دیسک وجود داشته باشد، درنهایت دیسک داخلی را از مواد دیرگداز خالی خواهد کرد و الگوی تخلیه‌ای را ایجاد می‌کند که در سطح ستاره هم دیده می‌شود.

افزون‌براین، ستاره‌شناسان منظومه‌‌ای دوتایی را می‌شناسند که احتمالاً سیاره‌های ثانویه دارد. این منظومه NN Serpentis نامیده می‌شود و پژوهشگران بسیاری سیاره‌هایی را در آن کشف کرده‌اند. کلاسکا بیان کرد:

این سیاره‌ها کاندیدهای احتمالی شکل‌گیری در دیسک‌های نسل دوم هستند. اگر سناریو سیاره‌ای اثبات شود، این دیسک‌ها محیط‌های امیدبخشی برای بررسی و مطالعه‌ی شکل‌گیری سیاره‌‌ی نسل دوم و سناریوهای شکل‌گیری سیاره در فضای پارامتری بی‌سابقه هستند.

هدف بعدی مؤلفان بررسی ۱۰ دیسک دارای حفره است. آن‌ها می‌خواهند از تلسکوپ‌های عظیم رصدخانه‌ جنوبی اروپایی در شیلی برای بررسی دقیق‌تر این دیسک‌ها استفاده کنند.