سیاره فراخورشیدی چیست؟ هرآنچه باید بدانید

سال‌هاست که سیاره‌های فراخورشیدی ذهن دانشمندان و رویاپردازان را به خود مشغول کرده‌اند. از زمان کشف اولین ستاره‌ها در آسمان شب، انسان در جستجوی دنیاهایی بوده که در مدار این ستاره‌ها می‌چرخیدند. آیا سیاره‌های فراخورشیدی، اجرام سنگی مشابه زمین هستند؟ آیا می‌توانند جریان آب مایع روی سطح خود داشته باشند؟ آیا وجود عنصرهای ضروری برای حیات در دنیاهای دیگر به این معنی است که در این جهان بی‌کران تنها نیستیم؟

هزاران سال است که انسان درصدد پاسخ به این پرسش است: آیا ما تنها هستیم؟ تا قبل از دهه‌ی ۱۹۹۰ ستاره‌شناس‌ها هیچ شواهدی از وجود سیاره‌های فراخورشیدی در دست نداشتند؛ اما در نهایت در سال ۱۹۹۲ اولین سیاره فراخورشیدی کشف شد. از آن زمان تاکنون بیش از ۵۰۰۰ سیاره فراخورشیدی در انواع و دسته‌های مختلف کشف شدند و بیش از پیش دانشمندان را حیرت‌زده کردند.

سیاره فراخورشیدی به دنیایی خارج از منظومه شمسی در یک منظومه‌ی ستاره‌ای متفاوت گفته می‌شود. در طی دو دهه‌ی گذشته هزاران سیاره فراخورشیدی کشف شده‌اند که اغلب این اکتشافات متعلق به تلسکوپ فضایی کپلر ناسا است.

سیاره‌های فراخورشیدی دارای اندازه‌ها و مدارهای متفاوتی هستند. برخی از آن‌ها دنیاهایی غول‌پیکر در نزدیکی ستاره‌ی میزبان و برخی دیگر دنیاهای یخی و سنگی هستند. ناسا و دیگر سازمان‌های فضایی همواره در جستجوی نوع خاصی از سیاره فراخورشیدی هستند: سیاره‌ شبیه به زمین که در کمربند حیات ستاره‌ای مشابه خورشید قرار دارد.

کمربند حیات به ناحیه‌ای از مدار یک ستاره گفته می‌شود که در آن دمای سیاره امکان جاری‌بودن آب مایع سطحی را می‌دهد. اولین تعریف از کمربند حیات مبتنی بر مفهوم موازنه گرمایی بود، با این‌حال بر اساس محاسبات فعلی، معیارهای دیگری مثل اثر گلخانه‌ای جو سیاره را هم دربرمی‌گیرد. به همین دلیل تعیین مرزهای کمربند حیات اندکی مبهم شده است.

تلسکوپ فضایی کپلر، رصدخانه‌ای که فعالیت خود را در سال ۲۰۰۹ شروع کرد و تا سال ۲۰۱۸ به فعالیت ادامه داد، افتخار کشف بیشترین تعداد سیاره‌های فراخورشیدی را از آن خود کرده است. این تلسکوپ ۲۳۴۲ سیاره‌ی فراخورشیدی را به صورت قطعی کشف کرد و نشانه‌هایی از وجود ۲۲۴۵ سیاره دیگر را ارائه داد.

منظومه شمسی ما خانه‌ی هشت سیاره است که به دو گروه تقسیم می‌شوند: سیاره‌های سنگی و غول‌های گازی. چهار سیاره‌ی داخلی منظومه‌ی شمسی یعنی عطارد، زهره، زمین و مریخ از نوع سیاره‌های سنگی هستند. در عین حال چهار سیاره‌ی خارجی منظومه‌ی شمسی یعنی مشتری، زحل، اورانوس و نپتون در دسته‌ی غول‌های گازی قرار می‌گیرند. اغلب سیاره‌هایی که در مدار ستاره‌های دیگر کشف شدند هم از نوع سنگی یا غول گازی هستند. با این‌حال غول‌های گازی و سنگی را می‌توان به گروه‌ها و زیرگروه‌هایی تقسیم‌بندی کرد.

سیاره‌های سنگی خود به دو دسته تقسیم می‌شوند: سیاره‌های سنگی کوچک و سیاره‌های موسوم به ابرزمین. سیاره‌های سنگی کوچک از نوع سیاره‌هایی هستند که در منظومه‌ی شمسی هم پیدا می‌شوند. گرچه سیاره‌های سنگی در منظومه‌ی شمسی با یکدیگر تفاوت دارند، تمام آن‌ها در یک دسته قرار می‌گیرند.

با این‌حال، سیاره‌های ابرزمین در منظومه‌ی شمسی وجود ندارند و در عین حال یکی از رایج‌ترین سیاره‌ها در راه شیری به شمار می‌روند. این سیاره‌ها همان‌طور که از نامشان پیداست، نوعی سیاره‌ی سنگی بزرگ‌تر از زمین هستند. بر اساس تعریفی دقیق‌تر، اندازه‌ی سیاره‌های سنگی ابرزمین حداقل دو برابر زمین است.

جرم ابرزمین‌ها می‌تواند تا ده برابر جرم زمین هم برسد. هنوز دانشمندان نمی‌دانند سیاره‌ها در چه مقطعی سطح سنگی خود را از دست می‌دهند و به سیاره‌های گازی تبدیل می‌شوند. با این‌حال در طیف ۳ تا ۱۰ برابر جرم زمین، ممکن است ابرزمین‌هایی با ترکیب‌های متفاوت مثل دنیاهای آبی، دنیاهای گلوله‌برفی یا حتی سیاره‌هایی مثل نپتون وجود داشته باشند که از گاز بسیار متراکم ساخته شده‌اند. در نتیجه ابرزمین‌های سنگین که به غول‌های گازی تبدیل شده‌اند را می‌توان در دسته‌ی سیاره‌های زیرنپتونی یا مینی‌نپتون قرار داد.

غول‌های گازی به سه دسته تقسیم می‌شوند: غول‌های گازی، غول‌های یخی و مشتری‌های داغ. غول‌های گازی ساده به دنیاهایی مانند مشتری و زحل گفته می‌شود. این دنیاهای سنگین معمولا در مداری دور از ستاره‌ خود قرار دارند، دارای جوهای متراکم هستند که غالبا از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند و سطح جامدی ندارند.

از سویی، غول‌های یخی به سیاره‌هایی مثل اورانوس و نپتون گفته می‌شود. گرچه ترکیب غالب تمام غول‌های گازی، هیدروژن و هلیوم است، غول‌های یخی نوعی غول گازی هستند که تراکم‌هایی از یخ در جو آن‌ها دیده می‌شود. برای مثال هر دو سیاره‌ی اورانوس و نپتون دارای مقدار زیادی مواد شیمیایی مثل متان، آمونیاک و آب هستند. غول‌های یخی معمولا در محدوده‌های خارجی منظومه‌ی ستاره‌ای خود قرار دارند؛ جایی که یخ‌ در تراکم‌های بالا پیدا می‌شود.

غول‌های گازی و غول‌های یخی را می‌توان در منظومه شمسی مشاهده کرد. با این‌حال نوع سوم یعنی مشتری داغ در منظومه شمسی ما وجود ندارد. مشتری‌ داغ به نوعی غول گازی گفته می‌شود که در مدار بسیار نزدیکی از ستاره‌ی والد خود قرار دارد. این مدار می‌تواند حتی از مدار عطارد به خورشید نزدیک‌تر باشد؛ بنابراین، سیاره‌های مشتری داغ معمولا دارای دماهای جهنمی در جو خود هستند و از این رو لقب مشتری داغ به آن‌ها داده شده است.

با اینکه سیاره‌های فراخورشیدی در گروه سیاره‌های سنگی مثل ابرزمین‌ها یا غول‌های گازی و یخی و مشتری‌های داغ دسته‌بندی می‌شوند، برخی سیاره‌ها دسته‌بندی‌های موجود را نقض می‌کنند و روز به روز به فراوانی انواع این سیاره‌ها افزوده می‌شود. در این بخش به معرفی برخی از جالب‌ترین سیاره‌های فراخورشیدی که تاکنون کشف‌ شده‌اند، می‌‌پردازیم.

سیاره TOI-1452b در مدار ستاره‌ای از نوع کوتوله سرخ در فاصله ۱۰۰ سال نوری از زمین قرار دارد. پژوهشگرها این سیاره را از طریق مسدود شدن نور ستاره و نوسان‌های آن کشف کردند.

بر اساس اطلاعات به‌دست‌آمده، سیاره‌ی TOI-1452b تقریبا ۷۰ درصد بزرگ‌تر از زمین است و از این رو در گروه سیاره‌های ابرزمین قرار می‌گیرد. این سیاره همچنین با سرعت بالای هر ۱۱ روز یک بار به دور ستاره‌اش می‌چرخد. چگالی این سیاره نشان می‌دهد دارای سطحی از اقیانوس مایع و همچنین ترکیب‌های سنگی و فلزی مانند سیاره زمین است. به شکل شگفت‌انگیزی، آب ۳۰ درصد از جرم TOI-1452b را تشکیل می‌دهد. در حالی که آب روی زمین تنها ۱ درصد از جرم آن را تشکیل داده است.

دوربین طیف‌سنجی فروسرخ نزدیک تلسکوپ جیمز وب (NIRSpec)، با رصد دقیق سیاره‌ فراخورشیدی WASP-39b به شواهد واضحی از کربن‌دی‌اکسید در جو آن رسید. اولین بار است که این گاز آشنا روی زمین در سیاره‌ای خارج از منظومه‌ شمسی کشف می‌شود. طیف ۳ تا ۵٫۵ میکرونی که نسبت فروسرخ طیف انتقال است، نه‌تنها برای کشف کربن‌دی‌اکسید بلکه برای آب و متان هم مفید است که همه از شاخصه‌های حیات به شمار می‌روند.

WASP 39b با دمای ۸۷۰ درجه‌ی سانتی‌گراد، سیاره‌ای از نوع مشتری داغ در فاصله‌ی ۷۰۰ سال نوری از زمین است. جرم این سیاره برابر است با یک چهارم جرم سیاره‌ی مشتری اما قطر آن ۱٫۳ برابر بزرگ‌تر از مشتری است. این سیاره همچنین با سرعت بالا و در فاصله‌ی نزدیکی از یک ستاره‌ی خورشیدمانند می‌چرخد به‌طوری‌که مدار آن را تنها در چهار روز کامل می‌کند.

سیاره WASP-103b که به توپ راگبی شباهت دارد، اولین سیاره‌ فراخورشیدی غیرکروی است که تاکنون کشف شده است. این سیاره که در کمتر از یک روز مدار ستاره‌اش را کامل می‌کند، دارای نیروهای کشندی شدیدی است که آن را به توپ راگبی تبدیل کرده‌اند.

تلسکوپ Cheops از آژانس فضایی اروپا این سیاره‌ی عجیب را در صورت فلکی هرکول کشف کرد. سیاره‌ی WASP 103b با ابعاد دو برابر سیاره مشتری، در فاصله‌ی بسیار نزدیک از ستاره خود قرار دارد.

با اینکه 51 Pegasi b اولین سیاره فراخورشیدی کشف‌شده نیست، اما می‌توان آن را اولین نمونه‌ی کشف‌شده در اطراف ستاره‌ی خورشیدمانند درنظر گرفت. علاوه بر این این سیاره هیچ شباهتی به سیاره‌هایی که می‌شناسیم ندارد. این دنیای عظیم تنها در چند روز مدار ستاره‌اش را کامل می‌کند.

در سال ۲۰۱۵، جو 51 Pegasi b در طیف مرئی بررسی شد. در نتیجه پژوهشگرها توانست به جرم واقعی یا گرایش مداری این سیاره از طریق نور آن پی ببرند.

نام PSR B1620-26b شاید مانند بسیاری از سیاره‌های فراخورشیدی به راحتی تلفظ نشود. با این‌حال این سیاره، با سن تقریبی ۱۲٫۷ میلیارد سال، قدیمی‌ترین سیاره‌ای است که تاکنون کشف شده است. این سیاره تنها اندکی از سن کل جهان، جوان‌تر است. این سیاره‌ی باستانی در مدار یک تپ‌اختر و همچنین یک کوتوله‌ سفید فوق چگال به صورت همزمان می‌چرخد. این دو ستاره به حول یکدیگر می‌چرخند و سیاره‌ی غول گازی هم حول محور گرانشی آن‌ها می‌چرخد.

سیاره Gliese 876d تنها ۱۵ سال نوری از زمین فاصله دارد و به دلیل ابعاد کوچک در گروه سیاره‌های سنگی قرار می‌گیرد. البته این سیاره اندکی از زمین ما بزرگ‌تر است. با تمام این توصیف‌ها، Gliese 876d دنیایی جهنمی به شمار می‌رود. این سیاره بسیار داغ است، با این‌حال از آنجا که در سال ۲۰۰۵ کشف شد، مدرکی مهم برای وجود دنیاهای سنگی خارج از منظومه‌ی شمسی به شمار می‌رفت.

مشکلی در رابطه با دسته‌بندی سیاره‌های فراخورشیدی کوچک‌تر وجود دارد؛ تاکنون تعدادی سیاره در خلأ مشاهده کردیم که بزرگ‌تر از زمین اما کوچک‌تر از نپتون هستند؛ اما در منظومه‌ی شمسی چنین دسته‌ای نداریم. به همین دلیل به سختی می‌توان حدس زد که سیاره‌های سنگی مثل مریخ و زمین دقیقا تا چه ابعادی می‌توانند رشد کنند؟ یا دقیقا در چه ابعادی به غول‌های گازی مثل اورانوس و نپتون تبدیل می‌شوند؟

سیاره Kepler 11f از نوع مینی‌نپتون است. چگالی این سیاره نشان می‌دهد دارای جوی مشابه زحل و یک هسته‌ی سنگی کوچک است. این سیاره منجر به ایجاد دسته‌بندی جدیدی موسوم به کوتوله گازی شد که در منظومه شمسی ما وجود ندارد

Kepler 452-b را می‌توان شبیه‌ترین سیاره به زمین درنظر گرفت که تاکنون کشف شده است. ستاره‌ی این سیاره هم‌اندازه با خورشید و سال آن اندکی بیشتر از سال زمینی است. البته این سیاره کمی از زمین بزرگ‌تر است، اما به طور قطعی در کمربند حیات ستاره‌ خود قرار دارد.

با این‌حال چند مشکل در رابطه با Kepler 452b وجود دارد: در درجه‌ی اول این سیاره بیش از ۱۰۰۰ سال نوری از زمین فاصله دارد در نتیجه هرگز به آن نخواهیم رسید. همچنین ۱٫۵ میلیارد سال قدیمی‌تر از زمین است در نتیجه می‌توان گفت ستاره‌ی میزبان آن به قدری رشد کرده که سیاره را سکونت‌ناپذیر ساخته است. پس شاید سال‌ها پیش دوقلوی زمین بوده است.

یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های بشر این است که آیا حیاتی خارج از زمین وجود دارد؟ تلسکوپ فضایی جیمز وب که در سال ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد به شواهدی از عنصرهای ضروری حیات فرازمینی رسید: ترکیبی از گازها در جو سیاره‌های فراخورشیدی زمین‌مانند. این تلسکوپ توانست علائم جوی مشابه زمین مثل اکسیژن، کربن‌دی‌اکسید و متان را کشف کند که از شاخص‌های قوی حیات احتمالی به شمار می‌روند.

احتمالا تلسکوپ‌های آینده می‌توانند علائم فتوسنتز را هم تشخیص دهند که همان تبدیل نور خورشید به انرژی شیمیایی لازم برای گیاهان است. یا شاید بتوانند گاز‌ها و مولکول‌های حاصل از حیات جانوری را شناسایی کنند. همچنین حیات هوشمند فرازمینی احتمالا آلودگی‌های جوی را به وجود می‌آورند که امکان تشخیص آن‌ها از فاصله‌ی دور هم وجود دارد.

تاکنون بیش از ۵۰۰۰ سیاره فراخورشیدی کشف شده‌اند، اما تعداد کلی آن‌ها می‌تواند به تریلیون‌ها عدد برسد. یکی از بهترین ابزار دانشمندان برای افزایش دقت جستجوها منطقه‌ای موسوم به کمربند حیات است. همان‌طور که در بخش قبل هم گفتیم، کمربند حیات به فاصله‌ای از مدار یک ستاره گفته می‌شود که دمای آن برای جریان آب مایع سطحی مناسب است.

بسیاری از شرایط دیگر برای شکل‌گیری حیات روی سیاره‌های فراخورشیدی ضروری هستند: در درجه‌ی اول اندازه‌ی سیاره و جوی مناسب اهمیت دارد. همچنین ستاره‌ی میزبان باید پایدار باشد و شراره‌های کشنده را منتشر نکند. کمربند حیات تنها یک روش برای محدود کردن جستجوها است. تاکنون سیاره‌های شبیه به زمین بسیاری کشف شده‌اند با این حال برای افزایش دقت جستجوها نیاز به ابزار پیشرفته‌تر است.

در عصر نوآوری هر روز به دنیای بیرون نزدیک‌تر می‌شویم. جستجو و بررسی سیاره‌های فراخورشیدی یکی از جدیدترین ماجراجویی‌های فضایی بشر بوده است. در این بخش به نکات و حقایق جالبی درباره‌ی این اجرام اسرارآمیز می‌پردازیم.

بررسی و کشف سیاره‌های فراخورشیدی از دهه‌ی ۹۰ میلادی آغاز شد؛ اما در سال ۲۰۱۳ بود که پژوهشگرها برای اولین بار توانستند رنگ یک سیاره فراخورشیدی را شناسایی کنند. ستاره‌شناس‌ها بر اساس معیاری موسوم به ضریب انعکاس نور، رنگ آبی تیره را برای سیاره‌ی HD 189733b به دست آوردند. از این نقطه بود که رنگ سیاره‌های فراخورشیدی دیگر هم به دست آمدند. برای مثال رنگ سیاره‌ی GJ 504b، ارغوانی است. به عقیده‌ی ستاره‌شناس‌ها، سیاره‌های هلیومی غالبا سفید یا خاکستری هستند.

بر اساس تخمین‌ها، تعداد سیاره‌های شبیه به زمین تنها در راه شیری به ده میلیارد عدد می‌رسد. Kepler 22b در سال ۲۰۱۱ به عنوان اولین سیاره‌ی فراخورشیدی در کمربند حیات کشف شد. وقتی اخبار این کشف منتشر شد، مردم بلافاصله درباره‌ی زندگی روی چنین سیاره‌ای خیال‌پردازی کردند. با این‌حال فاصله‌ی ۵۸۷ سال نوری از زمین به این معنی است که هزاران سال باید برای رسیدن به این سیاره فراخورشیدی وقت صرف کنیم. این سیاره در حال حاضر در دست بررسی است.

تلسکوپ فضایی کپلر ناسا که برای اولین بار در سال ۲۰۰۹ به فضا پرتاب شد، به جستجوی سیاره‌های فراخورشیدی اختصاص یافت. در ابتدا قرار بود مأموریت کپلر تنها ۳٫۵ به طول بینجامد با این‌حال این فضاپیما تا سال ۲۰۱۸ به بررسی‌های خود ادامه داد. این تلسکوپ بیش از ۲۶۰۰ سیاره‌ی فراخورشیدی را به صورت قطعی کشف کرد.

اغلب مواد فیزیکی موجود در جهان از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند. فلزینگی اصطلاحی است که ستاره‌شناس‌ها برای توصیف عنصرهایی غیر از هلیوم و هیدروژن به کار می‌برند. بر اساس داده‌های جمع‌‌آوری‌شده از تلسکوپ کپلر، ستاره‌هایی که عنصرهای متنوع‌تری دارند به احتمال بیشتری میزبان سیاره‌های فراخورشیدی در مدار خود هستند.

در روش میکرولنزینگ گرانشی از ستاره‌ای دیگر به غیر از میزبان سیاره‌ی فراخورشیدی استفاده می‌شود. وقتی یک ستاره از مقابل ستاره‌ دیگر عبور کند، گرانش آن مانند نوعی عدسی عمل می‌کند که به بزرگنمایی نور ستاره‌ی دیگر می‌انجامد. اگر ستاره‌ی لنز شده دارای سیاره‌ای در مدار خود باشد، جرم سیاره‌ی فراخورشیدی باعث افزایش اثر بزرگنمایی می‌شود. ستاره‌شناس‌ها از این روش برای جستجوی بیش از ۲۰ سیاره فراخورشیدی استفاده کردند.

قانون کلی برای شناسایی سیاره‌های فراخورشیدی رصد حرکت ستاره‌ی آن‌ها است. این روش که نوسان داپلر هم نامیده می‌شود، موفق‌ترین روش برای کشف سیاره‌های فراخورشیدی بوده است به گونه‌ای که تاکنون ۴۰۰ سیاره به این روش کشف شده‌اند. سرعت شعاعی ستاره با اعمال کشش گرانشی از سوی سیاره‌ی اطرافش تغییر می‌کند. در این حالت به نظر می‌رسد ستاره در حال لزریدن است.

روش گذار که از دید ما همان سوسوزدن ستاره است یکی از روش‌های رایج برای کشف سیاره‌های فراخورشیدی به شمار می‌رود. ستاره‌شناس‌ها با این روش می‌توانند از زمین، مدارها و جرم سیاره‌های فراخورشیدی را از طریق فرکانس سوسوزدنشان تخمین بزنند.

برخلاف منظومه شمسی که در آن سیاره‌ها حول مدار یک ستاره می‌چرخند، برخی منظومه‌های سیاره‌ای می‌توانند بیش از یک ستاره داشته باشند. این منظومه‌های دوتایی یا سه تایی زمینه‌های منحصر‌به فردی را با منابع متعدد تابشی فراهم می‌کنند.

برخی سیاره‌های فراخورشیدی پدیده‌های آب و هوایی عجیبی را از خود نشان می‌دهند. برای مثال سیاره‌های موسوم به مشتری داغ، می‌توانند به دماهای بسیار سوزان و طوفان‌های شدید برسند.

تمام سیاره‌های فراخورشیدی تابع یک الگوی بیضی‌شکل یا مدور حرکت مداری نیستند. برخی سیاره‌ها دارای مدارهایی خارج از مرکز و کشیده‌شده هستند و سفری پرماجرا را حول محور ستاره‌ی خود طی می‌کنند.

دانشمندان با تحلیل نور عبوری از جو سیاره‌های فراخورشیدی، می‌توانند به دیدگاه‌های جالبی درباره‌ی ترکیب این سیاره‌ها برسند. جو برخی سیاره‌های فراخورشیدی دارای عنصرهایی مثل بخار آهن، کربن‌دی‌اکسید و حتی متان است.

سیاره فراخورشیدی به سیاره‌ای خارج از منظومه‌ی شمسی گفته می‌شود که در گروه‌ها و انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شود. اولین گروه، سیاره‌های سنگی مشابه زمین یا بزرگ‌تر از زمین هستند که ابرزمین هم نامیده می‌شوند. ابرزمین‌ها می‌توانند در نقطه‌ای به سیاره‌های گازی موسوم به مینی‌نپتون تبدیل شوند. گروه بعدی سیاره‌های گازی هستند که خود به چند دسته‌ی غول‌های گازی، غول‌های یخی و مشتری‌های داغ تقسیم می‌شوند.

تاکنون بیش از ۵۰۰۰ سیاره فراخورشیدی کشف و تأیید شده‌اند و این تعداد روزبه‌روز در حال افزایش است. بر اساس تخمین‌ها تنها ۱۰ میلیارد سیاره شبیه به زمین در کهکشان راه شیری وجود دارند. سیاره‌های شبیه‌ به زمین معمولا در کمربند حیات ستاره‌های خود قرار دارند. در منطقه کمربند حیات، دمای سیاره به قدری مناسب است که امکان جاری شدن آب مایع سطحی روی آن وجود دارد و همین ویژگی می‌تواند پتانسیل حیات را افزایش دهد. پژوهشگرها امیدوارند با ساخت تلسکوپ‌های پیشرفته‌تر به داده‌های بیشتری از سیاره‌های فراخورشیدی دست پیدا کنند چرا که درک سیاره‌های فراخورشیدی به ما کمک می‌کند به درک بهتری از سیاره خود و دنیای اطرافمان برسیم.