تلسكوب جيمس ويب: الكواكب العملاقة يجب أن تسبق تبخّر غاز قرصها الوليد

المادة الخام اللازمة لبناء كوكب غازي عملاق ليست متاحة إلى الأبد. فالنجوم الفتية تُحاط بأقراص دوّارة من الغاز والغبار تُعرف باسم الأقراص الكوكبية الأولية، ومنها تتشكل الكواكب. لكن هذه الأقراص تتبدد تدريجيًا بفعل النفاثات والرياح، وسقوط المادة على النجم، وإشعاعه.

وتحوّل دراسة قادها نامان باجاج من جامعة أريزونا هذه العملية إلى خط زمني يمكن تتبعه على مستوى مجموعة كبيرة من الأنظمة. فقد استخدم الباحثون أرصادًا أرشيفية من أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة MIRI على متن تلسكوب جيمس ويب، وفحصوا 72 قرصًا مائلًا، معظمها من الفئة الثانية، يحيط بنجوم فتية شبيهة بالشمس. وتُظهر النتائج، المنشورة في The Astronomical Journal، أن طريقة فقدان الأقراص للغاز تتغير مع تطورها. 12

النتيجة الأساسية: على نوى الكواكب أن تسبق تبعثر القرص

لا يستطيع نواة صخرية أن تتحول إلى كوكب غازي عملاق إلا إذا التقطت غلافًا كبيرًا من الهيدروجين والهيليوم، في وقت لا يزال فيه القرص المحيط بالنجم غنيًا بالغاز. فإذا أُفرغ القرص من مادته أولًا، فقد تبقى النواة كوكبًا صخريًا، أو تتحول إلى كوكب أصغر يفتقر إلى غلاف غازي كثيف.

لذلك تصف الدراسة تشكّل الكواكب العملاقة بأنه سباق بين نمو الغلاف الغازي وتبدد خزان الغاز المحيط بالنجم. 12

وتكتسب هذه النتيجة أهمية خاصة عند الحديث عن كواكب مثل المشتري. فالدراسة لا تحدد التاريخ الدقيق لتشكل المشتري، لكنها تعزز الشرط الأساسي لنشأته: كان لا بد أن يتكون قلبه ويلتقط غلافه الجوي الضخم بينما كان النظام الشمسي الفتي لا يزال يحتفظ بقرص غازي كبير. 12

ماذا رصد ويب في الأنظمة الـ72؟

تتبّع الباحثون انبعاثات الأشعة تحت الحمراء الصادرة عن جزيئات وذرات تعمل مؤشرات على المادة التي تغادر الأقراص. وقد رُصد انبعاث ممتد من الهيدروجين الجزيئي أو النيون المتأين في 66 نظامًا من أصل 72 نظامًا. وحدد الفريق:

• 46 ريحًا مخروطية من الهيدروجين الجزيئي، تشير إلى تدفقات أوسع تحمل مادة القرص بعيدًا.
• 40 نفاثة عالية السرعة من النيون المتأين، وتمثل تدفقات أسرع وأكثر تركيزًا.

واللافت أن كل نظام ظهرت فيه نفاثة من النيون المتأين أظهر أيضًا دليلًا على وجود ريح أوسع نطاقًا. وفي معظم هذه الحالات، جرى تتبع الريح الأوسع بواسطة الهيدروجين الجزيئي، بينما جرى تتبعها في الحالات المتبقية بواسطة الأكسجين الذري. ويربط هذا التزامن بين النفاثة الضيقة والسريعة وبين عملية أوسع قادرة على إزالة الغاز من البيئة التي تتشكل فيها الكواكب. 2

ولا تمثل العينة نظامًا واحدًا جرى رصده باستمرار منذ ولادته حتى نضجه؛ بل تضم 72 قرصًا في مراحل مختلفة من التطور المبكر. ومن خلال مقارنتها، يستطيع الباحثون بناء تسلسل تطوري يشبه إعادة تركيب فيلم من لقطات ثابتة، لفهم كيفية تغير عملية تفريغ الأقراص بمرور الوقت. 12

فقدان الغاز يتغير مع عمر النظام

يتوافق نمط الرصد مع وجود مرحلتين عامتين لتفريغ القرص، تعملان تباعًا خلال ملايين السنين الأولى من حياة النظام الكوكبي. 1

المرحلة المبكرة: نفاثات مغناطيسية ورياح جزيئية

كانت الأنظمة ذات معدلات التراكم النجمي الأعلى أكثر ميلًا إلى إظهار النفاثات والرياح الجزيئية. ويتفق ذلك مع مرحلة مبكرة تهيمن فيها النفاثات والرياح المدفوعة مغناطيسيًا، أو ما يُعرف بالتدفقات المغناطيسية-الهيدروديناميكية، على إزالة مادة القرص.

وتستطيع هذه التدفقات حمل الغاز بعيدًا بينما يظل القرص نشطًا ويغذي النجم الفتي بالمادة. 12

أما بالنسبة إلى نواة كوكب في طور النمو، فهذه هي المرحلة الأخطر في السباق: قد يكون القرص لا يزال غنيًا بالغاز، لكن البيئة نفسها بدأت في استنزاف هذا المورد.

المرحلة اللاحقة: نفاثات أضعف وفقدان يقوده الإشعاع

مع انخفاض معدل التراكم، تضعف النفاثات، وتتلاشى أولًا المؤشرات الأكثر حرارة للرياح الجزيئية. وتصبح التدفقات المتبقية ذات طبيعة ذرية بصورة متزايدة. ويفسر الباحثون هذه الحالة المتأخرة بأنها مرحلة يزداد فيها دور إشعاع النجم، بما في ذلك التبخر الضوئي، في تفريغ القرص الأقل كثافة. 12

ولا يعني ذلك أن آلية واحدة تختفي فجأة لتحل محلها أخرى؛ بل تتغير الأهمية النسبية لآليات إزالة الغاز مع تطور النظام المكوّن من النجم والقرص. ويساعد هذا الانتقال المرصود على تحديد توقيت التحول، رغم أن إحصاءات الرصد الحالية لا تقدم بعد ميزانية الكتلة الكاملة لكل ريح. 12

لماذا تتشكل كواكب غازية عملاقة في بعض الأنظمة دون غيرها؟

تقدم النتائج تفسيرًا فيزيائيًا لاختلاف البنية النهائية لأنظمة كوكبية فتية قد تبدو متشابهة في بدايتها. فقد ينجح نظام في تكوين كوكب غازي عملاق إذا أصبحت إحدى نواه كبيرة بما يكفي، وفي وقت مبكر بما يكفي، لبدء التقاط الغلاف الغازي بسرعة. أما نظام آخر فقد يفقد جزءًا كبيرًا من غازه قبل بلوغ النواة تلك العتبة.

ويمكن لعوامل عدة أن تؤثر في النتيجة، منها كتلة القرص، وسرعة نمو النواة، وتاريخ تراكم المادة على النجم، وقوة التدفقات المغناطيسية، ومستوى الإشعاع عالي الطاقة الصادر عن النجم. وتدعم الدراسة فكرة أن تبعثر القرص بفعل الرياح عامل مهم في هذا الاختلاف، لكنه ليس العامل الوحيد الذي يحدد ما إذا كان كوكب غازي عملاق سيتشكل. 2

ماذا تقول النتائج عن المشتري والنظام الشمسي؟

يبلغ عمر النظام الشمسي نحو 4.6 مليار سنة، وقد اختفى قرصه الأصلي المكوّن للكواكب منذ زمن بعيد. ولذلك تعكس الكواكب التي بقيت فيه نتيجة منافسة مبكرة وقصيرة الأمد بين نمو الكواكب، وتراكم المادة على الشمس الفتية، وتسرب الغاز عبر النفاثات والرياح والإشعاع. 12

وبالنسبة إلى المشتري، تشير الدراسة إلى أن قلبه كان بحاجة إلى التكون والتقاط معظم غلافه الجوي خلال الفترة التي ظل فيها قرص النظام الشمسي غنيًا بالغاز، أي قبل أن تشتت التدفقات هذه المادة في الفضاء. لكنها لا تقدم قياسًا مباشرًا لتاريخ تشكل المشتري أو تفاصيله الدقيقة. 12

ما الذي سيقيسه الباحثون لاحقًا؟

يمثل تحديد أنواع التدفقات التي تظهر في مراحل مختلفة خطوة مهمة، لكنه لا يجيب وحده عن سؤال جوهري: هل أزالت هذه الرياح كمية كافية من الغاز لتؤثر فعليًا في تشكل الكواكب؟

يخطط الفريق للمرحلة التالية لقياس معدل فقدان الكتلة في كل ريح، وتحديد أنصاف أقطار الأقراص التي تنطلق منها هذه التدفقات. 12

وقد تربط هذه القياسات بين البصمات التي رصدها ويب وبين سؤال كمي مباشر: هل تستطيع التدفقات المرصودة إزالة غاز القرص بسرعة تكفي لتغيير احتمال تشكل كوكب شبيه بالمشتري؟ وستساعد الإجابة على التمييز بين تسلسل تطوري مقنع وقياس مباشر لكيفية تحديد تبعثر القرص للبنية النهائية للأنظمة الكوكبية.