کشف ۱۲۸۴ سیاره جدید: مروری بر اصطلاحات و تفاسیر

سه‌شنبه، ۲۱ اردیبهشت‌ماه، عوامل مأموریت فضایی کپلر، فهرست جدیدی از ۱۲۸۴ سیاره جدید فراخورشیدی را منتشر کردند؛ فربه‌ترین فهرست یافته‌های این تلسکوپ کهنه‌کار تاکنون، که مجموع آمار کشفیات آن را به تقریباً دو برابر آمار سابق افزایش می‌دهد (تاکنون این تلسکوپ موفق به کشف رویهمرفته ۲۳۲۵ سیاره شده است؛ یعنی بالغ بر ۷۲ درصد از کل سیارات فراخورشیدی شناخته‌شده تاکنون). از این بین، ۵۵۰ سیارهْ احتمالاً ماهیّت سنگی یا «زمین‌مانند» دارند، و از این بین هم ۹ سیاره احتمالاً «زیست‌پذیر» هستند. در این مقاله می‌بینیم که این اصطلاحات و اطلّاعات دقیقاً چه معنایی می‌دهند؟

بد نیست که در ابتدا توضیحی راجع به ساز و کار تلسکوپ کپلر و مأموریت آن بدهیم: تلسکوپ فضایی کپلر که در سال ۲۰۰۹ به فضا پرتاب شد، یک تلسکوپ معمولی‌ از نوع بازتابی (با قطر دهانه ۱ متر و ۴۰ سانتیمتر) است که در محدوده نور مرئی‌ فعّالیت می‌کند.

تفاوت بارز این تلسکوپ با سایر هم‌نوعان فضایی و زمینی‌اش این است که میدان دید آن منطقه‌ای ثابت از آسمان را پوشش می‌دهد. یعنی اینطور نیست که این تلسکوپ، مناطق مختلفی از آسمان را رصد بکند، بلکه در طول ۷ سالی که از مأموریت آن می‌گذرد، تنها به یک بخش مشخّص از آسمان (واقع در حدفاصل صورت‌های فلکی دَجاجه و شلیاق) چشم دوخته است.

البته این بخش از آسمان هم مزیّت ذاتی‌ای نسبت به سایر بخش‌ها ندارد، بلکه از حیث آماری، ستارگان زیادی در آن یافت می‌شوند، چرا این منطقه، در بازوی راه شیری واقع شده است. با این وجود، از بین نیم‌میلیون ستاره‌ای هم که در این محدوده یافت می‌شود، کپلر فقط ۱۵۰هزار ستاره را زیر نظر دارد.

«کشف»

روش کار تلسکوپ کپلر، از قضا با رخداد نجومی نادر و اخیری که زمینیان شاهدش بودند، بی‌‌ارتباط نیست؛ یعنی پدیده گذر عطارد (نگاه کنید به «راهنمای مختصر تماشای گذر عطارد»). چنانچه صفحه مداری یک سیاره فراخورشیدی هم مثل عطارد در موازات با خط دید ما واقع شده باشد، این سیاره در صورت عبور از مقابل قرص ستاره‌اش، بخش بسیار ناچیزی از نور آن ستاره را می‌پوشاند و خروجی ِ نور آن را دچار اُفت می‌کند.

کپلر نیز در تمام طول مأموریت خود به این محدوده از آسمان چشم دوخته تا از ستاره‌های میدان دید خود «نورسنجی» به عمل آورد، و ببیند که آیا خروجی نور این ستاره‌ها در بازه‌های مشخّص زمانی دچار اُفت می‌شود یا خیر. میزان این اُفت نور به قدری ناچیز است که دانشمندانْ ناگزیر از اعزام تلسکوپ به فضا شده‌اند، چراکه در صورت استقرار تلسکوپ بر روی زمین، مسلّماً امکان این وجود داشت که جو زمین، روند نورسنجی را به دلایلی ولو نامعلوم دچار اختلال کند. در صورت تشخیص چنین اُفت نور مکرّری (افت نوری که از الگوی منظّمی پیروی کند)، احتمال دارد که یک سیارهْ تشخیص داده شده باشد.

پس دقّت کنید که کپلر از این طریق (موسوم به «روش گذر» / Transit Method) فقط قادر به کشف سیاراتی است که صفحه مداری‌ آن‌ها دقیقاً در موازات با خط دید ما واقع شده است، به‌طوریکه می‌توان «گذر» کردن‌شان از برابر قرص ستاره مادر را تشخیص داد. اما لازم به ذکر است که بخش اعظم سیاره‌ها چنین نیستند (در واقع ضرورتی ندارد که چنین باشند)، و لذا از دید این تلسکوپ پنهان می‌مانند.

(جهت درک بهتر موضوع، تصوّر کنید که شب‌هنگامْ زیر یک تیر چراغ برق ایستاده‌اید، و تعداد زیادی شب‌پره هم در اطراف چراغ مشغول پروازند. کپلر فقط موفق به تشخیص آن «شب‌پره»هایی خواهد بود که از دید ما دقیقاً از مقابل قرص چراغ عبور می‌کنند؛ و البته همانطور که پیداست، مسیر حرکت سیارات، بر خلاف شب‌پره‌ها یک مسیر دوبُعدی و بر روی یک «صفحه» است، و لذا ممکن نیست که آن دسته سیاراتی که صفحه مداری‌ آن‌ها خط واصل چشم ما و چراغ را قطع نمی‌کند را تشخیص داد. به عبارت دیگر، بخش اعظمی از سیارات عملاً از دید تلسکوپ کپلر پنهان می‌مانند).

پس به عبارت دیگر: تلسکوپ فضایی کپلر نه شکارچی «تمام» سیارات فراخورشیدی، بلکه فقط آن دسته سیارات فراخورشیدی واقع در محدود مشخصی از آسمان (به اندازه مساحت یک کف دست، در حدفاصل صورت‌های فلکی دجاجه و شلیاق) است که صفحه مداری‌ آنها در اطراف ستاره‌شان دقیقاً در موازات با خط دید ما زمینیان قرار دارد، و به حد کافی هم بزرگ هستند که در صورت پوشاندن قرص ستاره مادر، اُفت نور حاصله، دست‌کم از رزولوشن حسگرهای تلسکوپ کپلر بیشتر باشد.

لذا داده‌های کپلر در وهله اول اهمیّت «آماری» دارند، نه تحلیلی؛ و مشخّصاً این پرسش‌ها را مخاطب گرفته‌اند که: چند درصد از ستاره‌ها سیاره دارند؟ چند درصد از این سیاره‌ها ماهیت‌شان سنگی است؟ و چند درصد از این سیارات سنگی، زیست‌‌پذیر هستند؟ – و تمام طول مأموریت آن نیز به بررسی یک «نمونه آماری» اختصاص دارد.

حال، به این سؤال می‌پردازیم که کپلر چگونه تشخیص می‌دهد که یک سیارهْ گازی است (یا مشتری‌مانند)، یا سنگی (یا زمین‌مانند)؛ یا در اینصورت حتی «زیست‌پذیر»؟

«زمین‌مانند» بودن

در مکانیک سماوی، قانونی وجود دارد تحت عنوان «قانون دوم کپلر». این قانون به زبان ساده و امروزی می‌گوید: در ضمن چرخش یک سیاره به گرد یک ستاره، وقتی آن سیاره در فاصله کمتری تا ستاره قرار دارد، در نسبت با وقتی که از آن دورتر است، با سرعت بیشتری حرکت می‌کند.

از وظایف تلسکوپ فضایی کپلر هم (که نام خود را از واضع همین قانون، یعنی یوهانس کپلر گرفته است)، تعیین «دوره تناوب» گذر سیاراتی که کشف کرده، است؛ یا به عبارت دیگر، تعیین اینکه یک گذرْ «چندوقت‌یک‌بار» اتّفاق می‌افتد؟ هرچه آهنگ وقوع گذرها بیشتر باشد، مدار آن سیاره هم طبیعتاً کوچک‌تر است، و لذا به ستاره‌‌اش نزدیک‌تر. حال، چنانچه بدانیم که این سیاره در ضمن گذر، چند درصد از نور ستاره‌اش را می‌پوشاند، با در اختیار داشتن فاصله‌اش تا آن ستاره (از طریق قانون دوم کپلر)، و همچنین ابعاد تقریبی ستاره، می‌توان تخمین زد که آن سیاره چه ابعادی دارد.

مثلاً چنانچه دوره تناوب یک گذرْ کوتاه باشد (یا به عبارت دیگر، گذرْ «زودبه‌زود» اتفاق بیافتد) و در عین حال هم درصد قابل توجّهی از نور ستاره را تحت‌الشعاع خود قرار بدهد، احتمال می‌رود که این گذرْ متعلّق به یک سیاره غول‌آسا در نزدیکی آن ستاره باشد. در واقع اکثر سیارات فراخورشیدیِ کشف‌شده هم به همین‌گونه‌اند؛ و به همین‌واسطه نیز بعضاً آن‌ها را «مشتری‌های داغ» (hot Jupiters) می‌نامند (می‌دانیم که مشتری بزرگ‌ترین سیاره منظومه ماست که در فاصله‌ای نسبتاً دور از خورشید واقع شده است. این در حالیست که ابعاد آن سیارات فراخورشیدی در همان حد و حدود مشتری – و اکثراً بیشتر – است و در عین حال هم فاصله کمی تا ستاره‌شان – بعضاً حتی فاصله‌ای نزدیک‌تر از عطارد به خورشید – دارند؛ و لذا آن‌ها را «مشتری‌های داغ» می‌نامند).

محاسبات کپلر نشان داده که بخشی از آن سیاره‌های کشف‌شده، نسبتاً کوچک‌ هستند، و لذا می‌توان نتیجه گرفت که ساختاری «سنگی» نظیر زمین دارند، نه ساختاری گازی نظیر مشتری. در آمار دور جدید کشفیات این تلسکوپ نیز ۵۵۰ مورد از ۱۲۸۴ سیاره کشف‌شده (یعنی بالغ بر ۴۲ درصدشان)، سیاراتی «سنگی» یا «زمین‌مانند» توصیف شده‌اند.

اما معنی «زیست‌‌پذیر» بودن ۹ مورد از این ۵۵۰ سیاره زمین‌مانند فراخورشیدی چیست؟ کپلر، ۱۲ سیاره زیست‌پذیر دیگر از این دست را هم قبلاً در طول مأموریت خود کشف کرده بود. این «زیست‌پذیر»ها دقیقاً چه خصوصیتی دارند؟

«زیست‌پذیری»

«زیست‌پذیر» (habitable) بودن یک سیاره به این معنا نیست که در آنجا «حیات» یا نشانه‌های حیات کشف شده باشد. بلکه زیست‌پذیریْ یک اصطلاح فنی‌ است، که به شرایط قرارگیری یک سیاره در محدوده مداریِ مشخصی از محیط پیرامون ستاره‌اش اطلاق می‌شود. چنانچه یک سیاره سنگی نه آن‌قدر به ستاره‌اش نزدیک باشد که (در صورت میزبانی از یک جو) «آب» در آن به حالت بخار درآید، و نه آن‌قدر دور و سرد که آب در آن جز حالت منجمد به خود نگیرد، آنگاه گفته می‌شود که این سیاره در «محدوده زیست‌پذیر» (habitable zone) پیرامون ستاره‌اش قرار دارد (پیداست که مثلاً زمین در محدود زیست‌پذیر خورشید قرار دارد).

از آنجاکه وجود آب مایع برای شکل‌گیری و تکوین حیات (دست‌کم از نوعی که ما می‌شناسیم) ضرورت دارد (و در واقع شرط اول آن محسوب می‌شود)، در صورت کشف سیاره سنگی‌ای در این محدوده، تنها یک قدم تا کسب اطمینان تقریبی از وجود آب مایع بر آن باقی خواهد ماند: این‌که آن سیارهْ «جو» نیز داشته باشد. در اینصورت این سیاره را می‌توان قطعاً یک سیاره «زیست‌‌پذیر» نامید؛ یعنی «امکان» دوام حیات (ولو حیات تک‌سلولی) بر آن وجود دارد، اما مسلّماً این بدین‌معنا نیست که حیات بر سطح چنان سیاره‌ای عملاً «کشف» شده است.

بررسی بهتر شرایط زیست‌پذیری و به‌ویژه ساختار جو احتمالی این سیارات، در توان تلسکوپ کپلر نیست، و بررسی‌های بیشتری را از طریق طیف‌سنج‌ها و نورسنج‌های مستقر بر سایر تلسکوپ‌ها و حتی مأموریت‌های آینده‌ای که به این موضوع اختصاص خواهند یافت، می‌طلبد.

در حال حاضر، تنها چیزی که به اطمینان می‌‌توان بر مبنای دستاوردهای هفت‌ساله کپلر گفت این است که منظومه‌های فراخورشیدی و حتی سیارات سنگی فراخورشیدی، دیگر در کهکشان ما «استثناء» محسوب نمی‌شوند.