عوالم مارقة ترمي أفكار الكواكب خارج المدار

 

اكتشف العلماء مؤخرًا عشرات من العوالم العائمة التي تتحدى التصنيف. وقد أجبرتهم الملاحظات الجديدة على إعادة التفكير في نظرياتهم حول تكوين النجوم والكواكب.

عندما قام جاليليو جاليلي، عالم الرياضيات في جامعة بادوا، بتدريب منظار من صنعه على السماء، ذهل بما رآه: أكثر من 500 نجم جديد في كوكبة أوريون، بالإضافة إلى النجوم الثلاثة المألوفة في مجموعة الصيادين. حزام وستة في السيف.

في أكتوبر، استخدم علماء الفلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي لتكبير أحد النجوم الوسطى في السيف وحددوا 500 نقطة أخرى أو نحو ذلك لم يتم رؤيتها من قبل. العوالم صغيرة جدًا ومعتمة لدرجة أنها تطمس الخط الفاصل بين النجم والكوكب. إنه غموض ابتليت به غاليليو، الذي أشار إلى أقمار المشتري على أنها "نجوم" و"كواكب" في نفس الصفحة من أطروحته الفلكية عام 1610، ولا يزال هذا الغموض يثير قلق علماء الفلك اليوم.

"عندما ننظر إلى النظام الشمسي، نجد أن كل شيء جميل ومرتب. وقال صامويل بيرسون ، عالم الفلك في وكالة الفضاء الأوروبية (ESA): "تحصل على الشمس، وتحصل على الكواكب" . لا يوجد شيء في المنتصف. ولكن قال بيرسون: "عندما تذهب فعليًا وتلقي نظرة، فإنك تدرك أن هناك نطاقًا كاملاً من [الأشياء] التي تحتوي على كل كتلة بينهما".

تدعم مراقبة تلسكوب جيمس ويب الفضائي قائمة متزايدة من الأجسام المعزولة التي تشغل هذه المنطقة الرمادية بين الكواكب العملاقة والنجوم الصغيرة. تُسمى أحيانًا الكواكب "العائمة الحرة" أو "المارقة"، وتنجرف هذه العوالم المنعزلة بحرية عبر الفضاء. في حين يستطيع علماء الفلك تقدير كتلة هذه الكرات الغازية المظلمة التي تعادل كتلة المشتري، إلا أن أصولها تظل غامضة. هل هي في الواقع كواكب - "كواكب المشتري" التي كانت تدور حول النجوم ذات يوم ولكن تم قذفها بطريقة ما؟ أم أنهم أشبه بالنجوم الصغيرة التي فشلت في الاشتعال؟

بدلًا من الإجابة على هذا السؤال، تزيد ملاحظة تلسكوب جيمس ويب الفضائي من الغموض: فقد وجدت عين التلسكوب بالأشعة تحت الحمراء أن عشرات العوالم تبدو وكأنها في أزواج تدور حول بعضها البعض، وهو ترتيب محير، إذا تم تأكيده، فإنه سيتحدى التوقعات.

وقال نينكي فان دير ماريل ، الباحث الذي يدرس تكوين الكواكب في مرصد ليدن في هولندا: " إننا نفتقد شيئًا ما ، ولا نعرف ما هو".

لا يمكن تفسير هذه الثنائيات غير المحتملة بسهولة من خلال أي نظريات معروفة حول تكوين النجوم أو الكواكب الحرة. ولكن في غضون أسبوع من إعلان تلسكوب جيمس ويب الفضائي، نشر الباحثون فكرة جديدة جريئة تصف كيفية طرد الكواكب العملاقة من نظامها الأصلي في أزواج، وهو حدث اعتقد معظم الباحثين أنه مستحيل. ما إذا كان هذا الاقتراح يمكن أن يفسر بشكل كامل حديقة الحيوان بأكملها للعوالم القاتمة الخالية من النجوم أم لا. لكن الباحثين يتوقعون أن يكون الفهم الدقيق للعوالم الحرة، والأنظمة النجمية التي تخلقها، في متناول اليد.

قال بيتر بلافشان ، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة جورج ماسون والذي لم يشارك في الكشف عن أزواج المشتري : "إذا تم تأكيد [هذا الاكتشاف] بالفعل، فسيكون هذا اكتشافًا رائدًا حقًا".

عوالم مظلمة في كل مكان

لقد نجت العوالم العائمة من ملاحظة علماء الفلك لعدة قرون لأنها مظلمة للغاية. لدمج الهيدروجين والتألق بشكل مشرق، يجب أن تكون النجوم أكبر بـ 80 مرة على الأقل من كوكب المشتري. العوالم المارقة أخف بكثير وتُعرف عمومًا بأنها تزن أقل من 13 كوكبًا مشتريًا. (أي شيء يتراوح بين 13 و80 كوكبًا من المشتري يمكن أن يدمج نوعًا أثقل من الهيدروجين ويصنف على أنه قزم بني، أو ما يطلق عليه علماء الفلك أحيانًا بشكل رومانسي "النجم الفاشل").

في الواقع، كان الخفاء النسبي للكواكب التي تتجول بحرية قد دفع بعض علماء الفيزياء الفلكية إلى التساؤل عما إذا كان هناك ما يكفي من هذه الأجسام لتفسير المادة المظلمة، وهي الكتلة غير المحددة من الكتلة التي يبدو أنها تربط المجرات معًا. دفع هذا السؤال علماء الفلك إلى البحث عن علامات لمثل هذه العوالم في التسعينيات، وهو ما فعلوه من خلال البحث عن الطرق الدقيقة التي من شأنها أن تشوه جاذبيتها مظهر النجوم التي مروا أمامها. لم تكن الطبيعة غير المباشرة لهذه المسوحات "العدسية الدقيقة" مناسبة تمامًا لتحديد الأجسام الفردية العائمة، لكنها أظهرت أنه لم يكن هناك ما يكفي من كل ما هو موجود لتكوين المادة المظلمة.

جاءت الصور الأولى للعوالم المارقة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عندما اكتشف علماء الفلك عددًا قليلاً من الأجسام التي لا تزال متوهجة في ضوء الأشعة تحت الحمراء من حرارة تكوينها. وبناءً على تلك الملاحظات، ظهر أصل واحد محتمل. في عام 2010، قام علماء الفيزياء الفلكية، بما في ذلك شون ريموند من جامعة بوردو في فرنسا، بمحاكاة تطور أنظمة الكواكب، ووجدوا أنه عندما يقوم أحد الكواكب الغازية العملاقة بطرد شقيق من نظامه الأصلي، كما يحدث أحيانًا، فإن الطرد يمتد مدار الناجي إلى شكل بيضاوي . وقد رأى علماء الفلك هذه المدارات المنحرفة، والتي فسرتها مجموعة ريموند وباحثون آخرون على أنها ندوب من الصدمات السابقة بين الكواكب.

لم يأتِ أول كتالوج كبير للعوالم الحرة من صائدي الكواكب، بل من صائدي النجوم الذين كانوا يبحثون عن أجسام شبيهة بالنجوم ذات ثقل أقل حتى من الأقزام البنية. كانت نوريا ميريت رويج من جامعة فيينا وهيرفي بوي من جامعة بوردو تبحثان عن الأقزام البنية الأكثر قزمًا في كوكبة العقرب، التي تستضيف سديمًا غازيًا يُنتج الكثير من النجوم والكواكب. ومن خلال أكثر من 26 مليون نقرة من ضوء الأشعة تحت الحمراء في 80 ألف صورة، بحثوا عن أجسام متوهجة بشكل خافت تتحرك عبر مجال رؤيتهم في عمليات رصد امتدت لمدة 20 عامًا. وفي عام 2021، أعلنوا أنهم عثروا على مكافأة تبلغ حوالي 100 جسم مرشح تتراوح كتلته بين 4 و13 كتلة كوكب المشتري، مما يزيد عدد العوالم المارقة المعروفة بحوالي خمسة أضعاف.

مع وجود أكثر من مجرد عدد قليل من الأجسام العائمة لتحليلها، يمكن للباحثين بعد ذلك البدء في طرح أسئلة أساسية حول مصدر هذه العوالم. كان أحد الاحتمالات هو أنها تشكلت من المخلفات ذات الشكل القرصي التي تحيط بالنجم حديث الولادة، كما تفعل الكواكب. ثم أدى لقاء صدفة مع أحد الجيران إلى طردهم، على غرار عمليات المحاكاة التي أجراها ريموند عام 2010.

والاحتمال الثاني هو أنهما تشكلا بمفردهما، عندما أصبحت سحابة معزولة من الهيدروجين والهيليوم كثيفة بدرجة كافية لتنهار على شكل كرة. هذه هي الطريقة التي تولد بها النجوم، ومن شأنها أن تجعل هذه العوالم أقل شبهاً بالكواكب وأكثر شبهاً بأصغر الأقزام البنية في المجرة.

وخلص ميريت رويج وبوي إلى أن مرشحيهما على الأرجح يحتويان على عوالم تشكلت في كلا الاتجاهين. من المحتمل أن تكون أخف الأجسام عبارة عن كواكب منتفخة، على الرغم من أن علماء الفلك وجدوا الكثير منها بحيث لا يمكن تفسيرها بسهولة باستخدام نماذج طرد الكواكب وحدها.

وقالت ميريت رويج: "هناك العديد من الكواكب التي تطفو بحرية، ومن المحتمل أنها تتشكل بآليات مختلفة".

بدا من المحتمل وجود مزيج من كلا الأصلين. لكن كم من العوالم المائة التي تطفو بحرية كانت عبارة عن كواكب، وكم منها كانت تشبه النجوم، لم يتمكن الباحثون من تحديد ذلك.

بعد ثلاثة أيام من نشر ميريت رويج وبوي نتائجهما، تم إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، جنبًا إلى جنب مع حقبة جديدة لصيد الكواكب الحرة.

قطرات من كوكب المشتري

كان علماء الفلك يشتبهون في أن تلسكوب جيمس ويب الفضائي سيكون بمثابة آلة عائمة حرة لاكتشاف الكواكب. إنه يقع بعيدًا عن غموض الغلاف الجوي للأرض. تمنحه مرآته العملاقة حساسية أكبر بكثير للميزات الجميلة للكون مقارنة مع سابقه، تلسكوب هابل الفضائي. ويلتقط ضوء الأشعة تحت الحمراء، مما يجعله مثاليًا لاكتشاف العوالم المتوهجة بشكل خافت.

تعاون بيرسون مع مارك ماكوغريان ، عالم فلك في وكالة الفضاء الأوروبية، للبحث بشكل أعمق عن العوالم التي تطفو بحرية أكثر مما كان ممكنًا في السابق. لقد كانوا مفتونين بتكوين النجوم والكواكب، وأرادوا استهداف الأجسام - مثل الأقزام البنية - في "المنطقة الرمادية الفوضوية" بين الاثنين. وقال بيرسون: "هناك، تحصل على التقاطع بين العالمين". في أكتوبر 2022، قام بيرسون وماكوغريان بتدوير التلسكوب الفضائي نحو نجم مركزي في السيف المتدلي من حزام أوريون. لمدة 35 ساعة.

استغرق الأمر أشهرًا من بيرسون لمحاذاة 12500 صورة JWST الناتجة لسديم الجبار ، بكسلًا بكسل. تم إحباط المهمة الهائلة بسبب حساسية التلسكوب الرائعة: العديد من الأجسام الخافتة التي تُستخدم عادةً كمعالم أعمى عين تلسكوب جيمس ويب الفضائي فائقة الحساسية.

وقال: "الأقزام البنية التي يصعب رؤيتها عادة كانت تمسح أجزاء من الكاشف". لقد كانت "مشكلة لم أواجهها من قبل مع أي تلسكوب آخر."

بعد الانتهاء من الفسيفساء الكونية، كوفئ بيرسون بوفرة من العوالم الغامضة التي سعى إليها: أكثر من 500 جسم عائم حر من كتل المشتري القليلة مرقطة في سديم أوريون. لكن المفاجأة الحقيقية كانت أنه عندما نظر عن كثب، رأى شيئًا لم يكن له أي معنى في البداية. كانت بعض النقط الضوئية عبارة عن أزواج من الأجسام ذات كتلة المشتري. في المجمل، أحصى 42 زوجًا من كواكب المشتري الدوارة، وهو رقم مذهل.

"انتظر، لماذا توجد كل هذه الأشياء الباهتة في أزواج؟" يتذكر بيرسون التساؤل. "ثم انخفض سعر العملة، وأدركنا أننا يجب أن ننظر إلى هذا بعناية شديدة."

ومن الناحية النظرية، بدا هذا الثنائي شبه مستحيل. ولم يكن من المرجح أن تكون كواكب مُطاردة؛ عندما يقوم كوكب بطرد كوكب آخر من نظام نجمي، فإن الكوكب المقذوف يطير بمفرده دائمًا تقريبًا. لكنها لا يمكن أن تكون نجومًا أيضًا، نظرًا لأن وزن العديد منها لا يتجاوز وزن كوكب المشتري الواحد، وهي كتلة خفيفة جدًا بحيث لا يمكن أن يتشكل الجسم مباشرة من سحابة غازية منهارة. أطلق الفريق على الثنائي الغامض اسم Jupiter Mass Binary Objects، أو JUMBOs للاختصار، ووصفهم في طبعة أولية نُشرت في 2 أكتوبر.

لقد عثرت أجسام JUMBOs على خبراء في تكوين النجوم والكواكب على حد سواء. "لم يتم التنبؤ بهذا على الإطلاق. وقال ماثيو بات ، عالم الفيزياء الفلكية في جامعة إكستر المتخصص في تكوين النجوم: “ لا توجد نظريات حالية كنا نتوقع فيها وجود هذه الأجرام الكوكبية العريضة والطافية بهذه الأعداد” .

لاحظ علماء الفلك سابقًا أنه على الرغم من أن العديد من النجوم الضخمة تدور في الفضاء مع شركاء، إلا أن نسبة النجوم المقترنة تتناقص مع كتلتها. وقال فان دير ماريل: "نتوقع عادة استمرار الاتجاهات". وبالتالي، قالت إن النسبة المئوية للأجرام ذات كتلة المشتري في أزواج "يجب أن تصل إلى الصفر". القفز بما يصل إلى 10% لم يكن موجودًا على بطاقة البنغو JWST الخاصة بأي شخص.

المشكلة هنا هي أن بعض أجسام جامبو على الأقل ربما تكون سرابًا. كلما كان الجسم أعمق في بيئة مغبرة (وسديم أوريون مغبر للغاية)، كلما كان من الصعب تمييزه عن نجم بعيد وأكثر ضخامة خلف السديم، والذي من المتوقع أن يكون له شريك. في الدراسات السابقة، تبين أن ما بين 20% إلى 80% مما بدا وكأنه عوالم عائمة حرة هو نجوم الفانيليا. وقالت ميريت رويج: "يجب على المرء أن يكون حذراً بعض الشيء في الوقت الحالي".

في الربيع، سيستخدم بيرسون وماكوغريان تلسكوب جيمس ويب الفضائي مرة أخرى لرصد مجموعتهما من العوالم العائمة، ولكن هذه المرة بمجموعة أكثر ثراءً من الألوان. ستساعد عمليات الرصد اللاحقة هذه في التأكد من حقيقة كائنات جامبو من خلال البحث عن آثار للميثان أو الماء في غلافها الجوي، وهو ما يشير إلى وجود عوالم ذات كتلة كوكب المشتري.

قال بيرسون: «بمجرد حصولك على الأطياف، لن يكون هناك مكان للاختباء فيه».

محاكاة سريعة

وحتى من دون تأكيد، فإن المنظرين يتسابقون بالفعل لشرح هذه العوالم المحيرة.

سمعت روزالبا بيرنا ، عالمة الفيزياء الفلكية في جامعة ستوني بروك، عن أجسام أوريون الجامبو في الأخبار، حتى قبل أن تقرأ بحث بيرسون. كان بيرنا ويهان وانغ من جامعة نيفادا في لاس فيغاس يدرسان ما يحدث عندما يمر نجم عبر نظام شمسي آخر. لقد ركزوا بشكل أساسي على محاكاة الأنظمة مع كوكب عملاق واحد. لكن الكويكبات الجامبو جعلت بيرنا يتساءل: ماذا لو كان هناك كوكبان عملاقان؟ اتصلت بوانغ وطلبت منه أن يرى ما سيحدث إذا أدخل كوكب المشتري الثاني في عمليات المحاكاة.

أنشأ وانغ برنامجه لقذف النجوم الرقمية على عدد لا يحصى من الأنظمة النجمية ذات كوكبي المشتري من جميع الزوايا. كما قام أيضًا بإعداد برنامج لإعلامه إذا كان النجم "الدخيل" قد أرسل الكوكبين إلى الفضاء معًا - مما يؤدي إلى إنشاء جامبو. ثم أرسل الرمز إلى مجموعة الحوسبة في جامعته وذهب لتناول الغداء.

عندما عاد وانغ إلى مكتبه وفحص جهاز الكمبيوتر الخاص به، وجد قائمة من التنبيهات مكتوب عليها "تشكل كوكب ثنائي !!!"

ومن خلال عشرات المليارات من عمليات المحاكاة، رأى الفريق أن إطلاق أزواج من كواكب المشتري كان سهلًا نسبيًا إذا كانت الكواكب قريبة جدًا من بعضها البعض عندما اجتاح النجم الغازي. حدث هذا غالبًا خاصة بالنسبة للجيران ذوي المدارات المتباعدة بشدة (مثل أورانوس ونبتون). في مثل هذه الحالات، أنتجت ما يصل إلى 20 من أصل 100 عملية قذف أجسام جامبو (أنتج الثمانون الآخرى كواكب منفردة) - وهو أكثر من كافٍ لحساب معدل 10٪ الذي شاهده بيرسون في أوريون. لكن بالنسبة للكواكب ذات المدارات البعيدة (مثل كوكب المشتري ونبتون)، أدت جميع عمليات القذف تقريبًا إلى ظهور كواكب وحيدة.

وبمساهمة من زميل وانغ تشاوهوان تشو ، عملت المجموعة على مدار الساعة (وفي إحدى الحالات أثناء رحلة إلى أوروبا). كتب الثلاثي نتائجهم ونشروا نسخة أولية في 9 أكتوبر، بعد أسبوع واحد من اكتشاف جامبو.

وقال بيرسون: "إن السرعة التي كتبوا بها مخيفة بعض الشيء".

ولا يزال يتعين على علماء الفيزياء الفلكية النظرية الأخرى استيعاب النتائج الجديدة بشكل كامل، لكنهم يجدونها معقولة، ومدهشة. قال ريموند: "لم أكن أعتقد أن [صنع زوج من الكواكب يطفو بحرية] كان ممكنًا من وجهة نظر قذفية". "ولكن بعد ذلك ظهرت هذه الورقة."

ومع ذلك، فإن بعض تفاصيل نظرية النجم الدخيل سوف تحتاج إلى مزيد من الدراسة. سديم أوريون هو مكان كثيف به الكثير من النجوم التي تحلق حوله، ولكن هل هو فوضوي بما يكفي لإنشاء أنظمة شمسية أولاً ثم تفكيكها، كل ذلك في غضون بضعة ملايين من السنين؟ أيضًا، العديد من أجسام بيرسون وماكوغرين الجامبو تدور حول بعضها البعض على مسافات كبيرة؛ إنهم أبعد عدة مرات عن بعضهم البعض من بلوتو عن الأرض. ولكن وفقًا لمحاكاة وانغ، فإن الطريقة الوحيدة للحصول على مثل هذه الأجسام الضخمة المتباعدة هي البدء بأنظمة شمسية متباعدة بشكل مماثل، والتي نادرًا ما يراها علماء الفلك.

وقال بات: "نحن نعلم من عمليات البحث التصويرية المباشرة للنجوم الشابة أن عددًا قليلاً جدًا من النجوم لديه كواكب عملاقة في مدارات [واسعة]". "من الصعب قبول وجود العديد من أنظمة الكواكب الكبيرة في أوريون لتعطيلها."

تكثر الكائنات المارقة

في هذه المرحلة، يشك العديد من الباحثين في وجود أكثر من طريقة لصنع هذه الأشياء الغريبة الموجودة بين الأجسام. على سبيل المثال، مع بعض العبث، قد يجد الباحثون أن موجات صدمة المستعر الأعظم يمكنها ضغط سحب الغاز الصغيرة ومساعدتها على الانهيار إلى أزواج من النجوم الصغيرة بسهولة أكبر مما كان متوقعًا. وقد أظهرت عمليات المحاكاة التي أجراها وانغ أن تشكيل الكواكب العملاقة في أزواج أمر لا مفر منه من الناحية النظرية، على الأقل في بعض الحالات.

في حين لا تزال هناك العديد من الأسئلة، فإن العوالم العائمة العديدة التي تم اكتشافها في العامين الماضيين قد علمت الباحثين شيئين. أولاً، تتشكل بسرعة — على مدى ملايين السنين، وليس مليارات السنين. في أوريون، انهارت سحب الغاز وتشكلت الكواكب، وربما تم جر بعضها إلى الهاوية من خلال النجوم العابرة، كل ذلك خلال الفترة التي كان فيها الإنسان الحديث يتطور على الأرض.

وقال فان دير ماريل: "إن تكوين كوكب خلال مليون عام أمر صعب في ظل النماذج الحالية". "هذا [الاكتشاف] سيضيف قطعة أخرى إلى هذا اللغز."

ثانيًا، هناك الكثير من العوالم غير المقيدة هناك. وعمالقة الغاز الثقيلة هي الأصعب في طردها من أنظمتها، مثلما تكون كرة البولينج هي أصعب جسم يمكن إسقاطه من طاولة البلياردو. تشير هذه الملاحظة إلى أنه مقابل كل كوكب مشتري يتم رصده، فإن العديد من كواكب نبتون والأرض العائمة تمر دون أن يلاحظها أحد.

من المحتمل أننا نعيش في مجرة ​​تعج بالعوالم المنفية من جميع الأحجام.

الآن، بعد ما يقرب من نصف ألف عام من تعجب جاليليو من عدد لا يحصى من وخزات الضوء - الأقمار والكواكب والنجوم - في سماء الأرض، أصبح خلفاؤه يتعرفون على الطرف الأكثر سطوعًا لجبل الجليد الجليدي من الأجسام المظلمة التي تتأرجح بينهما. النجوم الصغيرة، والعوالم الخالية من النجوم، والكويكبات غير المرئية، والمذنبات الغريبة، والمزيد.

وقال ريموند: "نحن نعلم أن هناك مجموعة كاملة من الهراء بين النجوم". وهذا النوع من الأبحاث "يفتح نافذة على كل ذلك، ليس فقط الكواكب الحرة ولكن الأشياء الحرة بشكل عام".