اكتشاف الكواكب خارج النظام الشمسي – غيّر نظرتنا للكون

مقال مطول مترجم من موقع جائزة نوبل يصف أهمية الجائزة الممنوحة لمكتشفي أول كوكب خارج المجموعة الشمسية

درس الحائزان على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2019، ميشيل مايور وديدييه كيلو، مجرتنا، درب التبانة، بهدف الكشف عن عوالم مجهولة. وفي عام 1995 كشفوا عن أول اكتشاف لهم لنجم خارج نظامنا الشمسي، وهو نجم خارج المجموعة الشمسية يدور حول نجم شبيه بالشمس، أطلق عليه اسم 51 Pegasi b.

بدأ اكتشاف اثنين من الحائزين على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2019، ميشيل مايور وديدييه كافالوز، ثورة حقيقية في مجال علم الفلك، ومنذ اكتشافهما الأول، تم اكتشاف 4000 نجم آخر خارج المجموعة الشمسية في مجرة ​​درب التبانة. لا تزال عوالم جديدة غريبة يتم الكشف عنها من وقت لآخر حتى اليوم، عوالم ذات تنوع كبير في الأحجام والأشكال والمدارات، معظمها لا يشبه كوكبنا إطلاقًا، بما في ذلك الشمس والكواكب العطلة من حولها. وقادت هذه الاكتشافات الباحثين إلى تطوير نظريات جديدة فيما يتعلق بالعمليات الفيزيائية المسؤولة عن خلق النجوم.

النجم الأول حول الشمس مختلف

يتفق معظم علماء الكون اليوم على أن نموذج الانفجار الكبير هو بالفعل السيناريو الأكثر ترجيحًا فيما يتعلق بأصل الكون وتطوره، على الرغم من أن خمسة بالمائة فقط من مادته وطاقته معروفة اليوم. هذا الجزء الصغير من المادة تجمع في النهاية معًا لتكوين كل ما هو موجود حولنا: النجوم والكواكب والأشجار والزهور، وكذلك البشر. هل نحن الوحيدون الذين ينظرون إلى الكون؟ هل هناك حياة في مكان آخر من الكون، على كوكب العطلة حول شمس أخرى؟ لا أحد يعرف. لكننا نعلم اليوم أن شمسنا ليست الوحيدة التي تشكل مركزًا لعطلة الكواكب المحيطة بها، وأن معظم مئات الملايين من النجوم في درب التبانة لها كواكب مرافقة لها. يعرف علماء الفلك حاليًا أكثر من أربعة آلاف نجم خارج نظامنا الشمسي. تم اكتشاف عوالم جديدة غريبة، عوالم تختلف عن نظامنا النجمي. وكان أول ما تم اكتشافه غريبًا جدًا لدرجة أن أحداً في المجتمع العلمي لم يؤمن بوجوده؛ كان الكوكب أكبر من أن يكون قريبًا جدًا من شمسه.

أعلن ميشيل مايور وديدييه كافالوز اكتشافهما المثير في مؤتمر علم الفلك الذي عقد في فلورنسا في 1995 أكتوبر 51. وكان أول كوكب مثبت علميا يدور حول نجم يشبه الشمس. ويدور الكوكب 51 بيجاسي ب حول شمسه XNUMX بيجاسي التي تبعد عن الأرض خمسين سنة ضوئية. ويستمر دورانه حول الشمس أربعة أيام، مما يعني أن مداره قريب من الشمس، حيث لا يبعد عنها سوى ثمانية ملايين كيلومتر. تسخن شمسها الكوكب إلى درجة حرارة تزيد عن ألف درجة مئوية. الأمور أكثر هدوءا على الأرض التي تكمل دورة واحدة حول الشمس في عام واحد وتبعد عنها مائة وخمسين مليون كيلومتر.

كما تبين أن الكوكب المكتشف هو نجم كبير بشكل مدهش - كرة من الغازات تساوي في حجمها أكبر عملاق غازي في النظام الشمسي، كوكب المشتري. وبالمقارنة مع الأرض، فإن حجم كوكب المشتري أكبر بثلاثمائة مرة ويزن ثلاثمائة ضعف وزنه. وفقًا للنماذج السابقة لكيفية تشكل الأنظمة الكوكبية، كان من المفترض أن تكون الكواكب بحجم المشتري قد تشكلت بعيدًا عن شمسها، وكان من المفترض أن تستغرق مداراتها وقتًا أطول حتى تكتمل. يستغرق كوكب المشتري ما يقرب من اثني عشر عامًا ليكمل دورة واحدة حول الشمس، لذا فإن الوقت القصير الذي استغرقه الكوكب 51 بيجاسي بي ليكمل دورة كاملة كان بمثابة مفاجأة كاملة للباحثين الباحثين عن كواكب من نوعه. لقد كانوا يبحثون في المكان الخطأ.
مباشرة بعد الإعلان عن هذا الاكتشاف، قام عالما الفلك الأمريكيان، بول بتلر وجيفري مارسي، بتوجيه تلسكوباتهما نحو الكوكب 51 بيجاسي وسرعان ما تمكنا من تأكيد الاكتشاف الثوري لمايور وكيلوز. وبعد بضعة أشهر فقط وجدوا كوكبين جديدين يدوران حول نجوم تشبه الشمس. وكانت فترات إكمالها القصيرة مفيدة لعلماء الفلك الذين لم يضطروا إلى الانتظار شهورًا وسنوات لمراقبة الدوران الكامل حول الشمس. والآن أصبح لديهم الوقت لمشاهدة النجوم وهي تكمل ثورة تلو الأخرى.

السماء المرصعة بالنجوم فوق ستوكهولم في أكتوبر. أول كوكب تم اكتشافه يدور حول نجم شبيه بالشمس موجود خارج نظامنا الشمسي يقع في كوكبة الفرس الأعظم. ويدور حول نجم يسمى 51 بيغاسي، والذي لا يمكن رؤيته بالعين المجردة إلا عندما تكون البيئة مظلمة للغاية. ومع ذلك، من السهل التعرف على مربع بيغاسوس.

كيف اقتربوا من شمسهم إلى هذا الحد؟ يتحدى هذا السؤال النظرية الموجودة حول أصل النجوم، وقد أدى إلى نظريات جديدة تصف كيفية تشكل عمالقة الغاز عند حواف أنظمتها الشمسية، ثم تقاربها نحو الداخل نحو النجم المضيف.

الأساليب الدقيقة التي أدت إلى هذا الاكتشاف

عمره

هناك حاجة إلى أساليب متطورة لتتبع كوكب خارج المجموعة الشمسية، فالكواكب لا تشرق من تلقاء نفسها، ولكنها تعكس ضوء الشمس بشكل ضعيف بحيث يتم حجب توهجها بواسطة الضوء الساطع الذي يشع من شمسها. الطريقة التي تستخدمها مجموعات البحث للعثور على كوكب تسمى "طريقة السرعة الشعاعية". فهو يقيس حركة النجم المضيف حيث أنها تتأثر بجاذبية الكوكب النجمي المحيط به. عندما يدور كوكب حول شمسه، تتحرك الشمس أيضًا بشكل طفيف، حيث يتحرك كلاهما حول مركز ثقلهما المشترك. من وجهة نظر الأرض، تتأرجح الشمس ذهابًا وإيابًا في خط الرؤية.

يمكن قياس سرعة هذه الحركة، السرعة الشعاعية، باستخدام تأثير دوبلر المعروف - أشعة الضوء القادمة من جسم يتحرك نحونا تكون أكثر زرقة (تحول الطول الموجي إلى اللون الأزرق)، وإذا تحرك الجسم بعيدًا عنا، فإن الأشعة أكثر احمرارًا (تحول الطول الموجي إلى اللون الأحمر). وهذه هي نفس النتيجة التي نسمعها عندما ترتفع صفارة سيارة الإسعاف كلما اقتربت منا، وتقل كلما ابتعدت عنا.

ونتيجة لذلك يتغير لون الكوكب بالتناوب لون الضوء القادم من الشمس من الأزرق أو الأحمر؛ هذه هي التغيرات في الأطوال الموجية للضوء التي يلتقطها علماء الفلك بأدواتهم. ويمكن تحديد تغيرات اللون بدقة عن طريق قياس الأطوال الموجية للشمس، وبالتالي توفير قياس مباشر لسرعتها بالنسبة إلى خط البصر.

التحدي الأكبر يكمن في حقيقة أن السرعات الشعاعية منخفضة للغاية. على سبيل المثال، جاذبية كوكب المشتري تجعل الشمس تتحرك بسرعة 12 مترًا في الثانية حول مركز ثقل النظام الشمسي. فالأرض، على سبيل المثال، تساهم بـ 0.09 متر في الثانية فقط، وهي قيم تتطلب استخدام أدوات حساسة للغاية من أجل اكتشاف الكواكب الشبيهة بالأرض خارج المجموعة الشمسية. ومن أجل زيادة الدقة، يقيس علماء الفلك عدة آلاف من الأطوال الموجية في وقت واحد. يتم تقسيم الضوء إلى أطوال موجية منفصلة باستخدام مطياف، وهو جهاز يقع في قلب هذه القياسات.

في أوائل التسعينيات، عندما بدأ ديدييه كافالوز مسيرته البحثية في جامعة جنيف، كان ميشيل مايور قد أمضى سنوات عديدة في دراسة حركة النجوم، وصنع أدوات القياس بنفسه بمساعدة باحثين آخرين. وفي عام 1977، تمكن مايور من تركيب أول مطياف قام ببنائه فوق تلسكوب في مرصد هوت بروفانس، على بعد مائة كيلومتر شمال شرق مرسيليا. وعلى الرغم من أن هذا الجهاز يمكنه اكتشاف سرعات تصل إلى حد 300 متر في الثانية، إلا أن هذه القيمة لا تزال مرتفعة جدًا بحيث لا يمكنها اكتشاف جاذبية كوكب يؤثر على شمسه.

وبالتعاون مع مجموعة البحث، طُلب من طالب الدكتوراه ديدييه كافالوز تطوير طرق جديدة لإجراء قياسات أكثر دقة. استخدم الطلاب العديد من التقنيات الجديدة التي مكّنتهم من التمييز بسرعة بين العديد من النجوم وتحليل النتائج على الفور. يمكن للألياف الضوئية الآن توصيل أشعة الشمس إلى جهاز قياس الطيف دون تشويهها، كما أدى استخدام أجهزة كشف الصور الرقمية الأفضل إلى زيادة حساسية الأدوات للضوء (منحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2009 للباحثين تشارلز كوان كاو، وويلارد بويل، وجورج سميث). . أتاحت أجهزة الكمبيوتر الأكثر قوة للباحثين تطوير برامج مخصصة لتطوير الصور الرقمية ومعالجة البيانات.

عندما تم الانتهاء من بناء جهاز المطياف في ربيع عام 1994، كانت السرعة المقاسة 15-10 مترًا في الثانية، وكان أول اكتشاف على الإطلاق لكوكب خارج المجموعة الشمسية مجرد مسألة وقت. في ذلك الوقت، لم تكن دراسة الكواكب خارج المجموعة الشمسية جزءًا من العلوم السائدة في علم الفلك، لكن مايور وكوالوسي قررا الإعلان عن اكتشافهما. لقد أمضوا عدة أشهر في تحسين نتائجهم، وفي أكتوبر من عام 1995 كانوا على استعداد لتقديم أول كوكب خارج المجموعة الشمسية مكتشف إلى العالم العلمي.

اكتشاف عوالم عديدة

أحدث الاكتشاف الأول لكوكب خارج المجموعة الشمسية يدور حول نجم شبيه بالشمس ثورة في علم الفلك. تم اكتشاف الآلاف من العوالم الجديدة التي لم تكن معروفة من قبل. اليوم، لا يتم اكتشاف أنظمة نجمية جديدة بواسطة التلسكوبات الموجودة على سطح الأرض فحسب، بل يتم أيضًا اكتشاف مثل هذه التلسكوبات على الأقمار الصناعية التي يتم إطلاقها في عمق الفضاء. ويقوم التلسكوب الفضائي الأمريكي TESS حاليا بمسح أكثر من مائتي ألف نجم قريب منا، بينما يحاول تحديد مواقع الكواكب الشبيهة بالأرض. وحتى قبل ذلك، قدم تلسكوب كيبلر الفضائي معلومات هائلة ومهمة، حيث اكتشف أكثر من ألفين وثلاثمائة كوكب خارج المجموعة الشمسية.

إلى جانب قياسات التغيرات في السرعة الشعاعية للنجوم، تُستخدم حاليًا طريقة قياس الضوء العابر في البحث عن الكواكب خارج المجموعة الشمسية. وبهذه الطريقة يتم قياس التغيرات في شدة الضوء القادم من النجم عندما تمر الكواكب المحيطة به أمامه، عندما يحدث ذلك موازيا لخط نظرنا من الأرض. وتسمح هذه الطريقة أيضًا لعلماء الفلك بمراقبة الأغلفة الجوية لتلك الكواكب عندما يشق الضوء الصادر من النجم طريقه إلى الأرض. في بعض الأحيان، يمكن استخدام كلا الطريقتين؛ يوفر القياس الضوئي معلومات حول حجم الكوكب بينما يمكن تقدير الكتلة باستخدام طريقة السرعة الشعاعية. ومن ثم يمكن حساب ضغط الكوكب وتحديد بنيته من هذا.

لقد فاجأتنا الكواكب خارج المجموعة الشمسية المكتشفة من حيث تنوع أشكالها وأحجامها ومداراتها. لقد تحدوا الأفكار العلمية التي سيطرت في السابق على الباحثين حول الأنظمة النجمية وأجبروا الباحثين على تعديل نظرياتهم حول العمليات الفيزيائية الكامنة وراء خلق الكواكب. بفضل العديد من المشاريع المخطط لها للبحث عن كواكب خارج المجموعة الشمسية، قد نجد في نهاية المطاف إجابة لسؤال البشرية الأبدي: "هل هناك حياة إضافية هناك؟"

لقد غيّر الحائزون على جائزة نوبل هذا العام أفكارنا حول الكون. وبينما ساهمت الاكتشافات النظرية لجيمس بيبلز في فهمنا لكيفية تطور الكون بعد الانفجار الكبير، قام ميشيل مايور وديدييه كافالوز بمسح جوارنا الكوني بحثًا عن كواكب مجهولة. لقد غيرت اكتشافاتهم تصوراتنا للعالم إلى الأبد.

جيمس بيبلز، ولد عام 1935 في وينيبيغ، كندا. حصل على الدكتوراه عام 1962 من جامعة برينستون بالولايات المتحدة الأمريكية. يعمل كأستاذ للعلوم في جامعة برينستون.
ميشيل مايور، ولد عام 1942 في لوزان، سويسرا. حصل على الدكتوراه عام 1971 من جامعة جنيف في سويسرا. يعمل أستاذاً في جامعة جنيف.
ديدييه كافالوز من مواليد 1966. حاصل على الدكتوراه عام 1995 من جامعة جنيف في سويسرا. يعمل أستاذاً في جامعة جنيف وجامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة.

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• البروفيسور تسفي مازا ماوني تل أبيب: علم الكواكب خارج المجموعة الشمسية يزدهر بفضل عبقرية ميشيل مايور والجهاز الذي صنعه
• مكتشفا أول كوكب خارج المجموعة الشمسية ومفتاح النظرية الكونية حصلا على جائزة نوبل في الفيزياء بشكل مشترك
• اكتشف بالضبط كتل الكواكب خارج النظام الشمسي