الخميس، 15 أغسطس 2019

كم عدد الكواكب الشبيهة بالأرض حول النجوم الشبيهة بالشمس؟

     انطباع فنان عن تلسكوب كبلر الفضائي التابع لوكالة ناسا والذي اكتشف آلاف الكواكب الجديدة. بحث جديد يستخدم بيانات كيبلر ، يوفر أدق تقدير حتى الآن لمدى توقعنا أن نجد كوكبًا يشبه الأرض بالقرب من نجم يشبه الشمس. Credit: NASA/Ames Research Center/W. Stenzel/D. Rutter


تقدم دراسة جديدة التقدير الأكثر دقة لتردد الكواكب التي تشبه الأرض في حجمها والمسافة بينها وبين نجمها المضيف وتدور حول نجوم مشابة لشمسنا. إن معرفة معدل وجود هذه الكواكب التي يمكن أن تكون صالحة للسكن سيكون أمرًا مهمًا لإعداد المهمات الفلكية المستقبلية لتمييز الكواكب الصخرية القريبة حول النجوم الشبيهة بالشمس والتي يمكن أن تدعم الحياة. تظهر ورقة تصف النموذج في The Astronomical Journal  (14 أغسطس 2019).


تم اكتشاف آلاف الكواكب بواسطة تلسكوب كبلر الفضائي التابع لناسا. لاحظ كيبلر ، الذي تم إطلاقه عام 2009 وأوقفته وكالة ناسا عن العمل عام 2018 عندما استنفدت إمدادات وقوده ، مئات الآلاف من النجوم وحدد كواكب خارج نظامنا الشمسي -( الكواكب الخارجية )- عن طريق توثيق حدث العبور. تحدث أحداث العبور عندما يمر مدار الكوكب بين نجمه والتلسكوب ، مما يحجب بعض ضوء النجم بحيث يبدو خافتًا. من خلال قياس مقدار التعتيم والمدة بين العبور واستخدام المعلومات حول خصائص النجم ، يميز علماء الفلك حجم الكوكب والمسافة بين الكوكب ونجمه المضيف .


وقال Eric B. Ford ، أستاذ علم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة ولاية بنسلفانيا وأحد قادة فريق البحث: "اكتشف كيبلر كواكب بمجموعة واسعة من الأحجام والتركيبات والمدارات". "نريد استخدام تلك الاكتشافات لتحسين فهمنا لتكوين الكواكب ولتخطيط بعثات مستقبلية للبحث عن كواكب قد تكون صالحة للسكن. ومع ذلك ، فإن مجرد حساب الكواكب الخارجية ذات حجم معين أو المسافة المدارية أمر مضلل ، لأن العثور علي الكواكب الصغيرة البعيدة عن النجم الذي تدور حوله اصعب من العثور علي الكواكب الكبيرة القريبة من نجمها " .


للتغلب على هذه العقبة ، صمم الباحثون طريقة جديدة لاستنتاج معدل تواجد الكواكب بمختلف الاحجام والمسافات المدارية . يحاكي النموذج الجديد "أكوان" من النجوم والكواكب ثم "يلاحظ" هذه " الأكوان المحاكاة " لتحديد عدد الكواكب التي كان سيتم اكتشافها بواسطة كبلر في كل "عالم".


وقال Danley Hsu ، طالب دراسات عليا في جامعة ولاية بنسلفانيا وأول مؤلف للورقة : "استخدمنا المجموعه الأخير للكواكب التي حددها كيبلر وخصائص النجوم المحسنة من مركبة الفضاء غايا التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية لبناء عمليات المحاكاة لدينا". "بمقارنة النتائج مع الكواكب التي صنفها كيبلر ، حددنا معدل الكواكب لكل نجم وكيف يعتمد ذلك على حجم الكوكب والمسافة المدارية. سمح نهجنا الجديد للفريق بحساب العديد من الآثار التي لم يتم تضمينها في الدراسات السابقة ".


نتائج هذه الدراسة وثيقة الصلة بشكل خاص بالتخطيط للبعثات الفضائية المستقبلية لتمييز الكواكب التي يمكن أن تكون شبيهة بالأرض. بينما اكتشفت مهمة كبلر الآلاف من الكواكب الصغيرة ، إلا أن معظمها بعيد جدًا لدرجة يصعب على علماء الفلك تعلم تفاصيلها عن تكوينها وأجواءها.


وقال Eric B. Ford : " يهتم العلماء بشكل خاص بالبحث عن علامات حيوية - جزيئات تدل على الحياة - في أجواء كواكب بحجم الأرض تقريبًا تدور حول" منطقة صالحة للسكن "لنجوم تشبه الشمس". "المنطقة الصالحة للسكن هي مجموعة من المسافات المدارية التي يمكن أن تدعم الكواكب فيها الماء السائل على أسطحها. البحث عن أدلة على وجود حياة على كواكب بحجم الأرض في المنطقة الصالحة لنجوم تشبه الشمس سيتطلب مهمة فضائية جديدة كبيرة."


يعتمد حجم هذه المهمة على وفرة الكواكب بحجم الأرض. تستكشف ناسا والأكاديميات الوطنية للعلوم حاليًا مفاهيم المهمة التي تختلف اختلافًا كبيرًا في الحجم وقدراتها. إذا كانت كواكب بحجم الأرض نادرة ، فإن أقرب كواكب شبيهة بالأرض بعيدة وستكون هناك حاجة إلى مهمة كبيرة طموحة للبحث عن أدلة على وجود حياة على كواكب شبيهة بالأرض. من ناحية أخرى ، إذا كانت الكواكب ذات حجم الأرض شائعة ، فستكون هناك كواكب خارجية بحجم كوكب الأرض تدور حول نجوم قريبة من الشمس وقد يتمكن مرصد صغير نسبيًا من دراسة أجواءها.


قال Danley Hsu : "على الرغم من أن معظم النجوم التي لاحظها كبلر هي على بعد آلاف السنين الضوئية من الشمس ، فقد لاحظ عينة كبيرة بما يكفي من النجوم التي يمكننا إجراء تحليل إحصائي دقيق لتقدير معدل الكواكب بحجم الأرض في المنطقة الصالحة للسكن من النجوم القريبة التي تشبه الشمس" .


بناءً على عمليات المحاكاة الخاصة بهم ، يقدر الباحثون أن حجم الكواكب القريبة جدًا من الأرض ، من ثلاثة أرباع إلى مرة ونصف حجم الأرض ، حيث تتراوح الفترات المدارية من 237 إلى 500 يوم ،( تقريبًا حوالي واحد من كل أربع نجوم ) . الأهم من ذلك ، نموذجهم يحدد عدم اليقين في هذا التقدير. يوصون بأن تقوم مهمات اكتشاف الكوكب المستقبلية بالتخطيط لمعدل حقيقي يتراوح بين كوكب واحد لكل 33 نجمًا إلى كوكب واحد تقريبًا لكل نجمين.


وقال Eric B. Ford : "إن معرفة عدد المرات التي ينبغي أن نتوقع فيها العثور على كواكب ذات حجم معين وفترة مدارية أمر مفيد للغاية لتحسين استطلاعات الكواكب الخارجية وتصميم البعثات الفضائية القادمة لزيادة فرص نجاحها إلى أقصى حد". "جامعة ولاية بنسلفانيا هي رائدة في تقديم أحدث الأساليب الإحصائية والحسابية لتحليل الملاحظات الفلكية لمعالجة هذه الأنواع من الأسئلة. معهد العلوم الإلكترونية لدينا (ICS) ومركز الاستراتيجيات (CASt) يوفران البنية التحتية والدعم وهذا يجعل هذه الأنواع من المشاريع ممكنة. "


يضم مركز الكواكب الخارجية والعوالم الصالحة للحياة في جامعة ولاية بنسلفانيا أعضاء هيئة التدريس والطلاب الذين يشاركون في مختلف أنواع أبحاث الكواكب خارج المجموعة الشمسية. قام فريق جامعة ولاية بنسلفانيا ببناء أداة Habitable Zone Planet Finder ، وهي أداة للبحث عن كواكب منخفضة الكتلة حول نجوم رائعة ، والتي بدأت مؤخرًا عمليات علمية في Hobby-Eberly Telescope ، الذي تعد جامعة ولاية بنسلفانيا شريكًا مؤسسًا له. يجري اختبار مطياف ثانٍ تم بناؤه في جامعة ولاية بنسلفانيا قبل أن يبدأ المسح التكميلي لاكتشاف وقياس كتل الكواكب ذات الكتلة المنخفضة حول النجوم الشبيهة بالشمس . تقدم هذه الدراسة تنبؤات حول ما سوف تجده مسوحات الكواكب هذه وسوف تساعد في توفير سياق لتفسير نتائجها.


بالإضافة إلى Hsu  و Ford ، يضم فريق البحث Darin Ragozzine و  Keir Ashby  من جامعة بريغهام يونغ. تم دعم البحث بواسطة ناسا ؛ المؤسسة الوطنية للعلوم الأمريكية (NSF) ؛ وكلية Eberly للعلوم ؛ قسم علم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة ولاية بنسلفانيا ؛ مركز الكواكب الخارجية والعوالم الصالحة للسكن  ؛ ومركز علم الاحصاء الفلكي في ولاية بنسلفانيا. تم توفير موارد وخدمات الحوسبة المتقدمة بواسطة معهد ولاية بنسلفانيا للعلوم الإلكترونية ، بما في ذلك مجموعة CyberLAMP الممولة من NSF.





More information: Danley C. Hsu et al. Occurrence Rates of Planets Orbiting FGK Stars: Combining Kepler DR25, Gaia DR2, and Bayesian Inference, The Astronomical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-3881/ab31ab