الأدلة المبكرة على وجود كواكب خارج المجموعة الشمسية في لوحات فوتوغرافية عمرها قرن من الزمان

جبل ويلسون هو المكان الذي تم فيه إجراء بعض الاكتشافات التأسيسية لمعرفتنا بالمجرة والكون في بداية القرن العشرين. ولكن هناك أيضًا اكتشاف أقل شهرة، اكتشاف منذ قرن مضى، اكتشاف لم يتم الاعتراف به أو تقديره إلا مؤخرًا - أول دليل على وجود كواكب خارج المجموعة الشمسية، إذا كنت تعرف أين تبحث عنها 

تحت مكتب أنيق بسقف من القرميد الأحمر على الطراز الأسباني في باسادينا، كاليفورنيا، توجد ثلاثة مستودعات تضررت بسبب الطقس والتي تحتوي على نتائج محفوظة جيدًا من أكثر من قرن من علم الفلك. من ينزل الدرج ويتجه إلى اليمين يجد نفسه في قبو سحري. عدد لا يحصى من الصناديق والأدراج الخشبية، مرتبة في أكوام من الأرض إلى السقف، مع لوحات فوتوغرافية للتلسكوبات، ولوحات للبقع الشمسية، والعديد من السجلات المختلفة. رائحة الأمونيا تملأ الهواء، وهي رائحة تذكرنا بفيلم فوتوغرافي قديم.

إحدى غرف التخزين محمية بباب أسود عليه لافتة مكتوب عليها "يجب أن يظل هذا الباب مغلقًا".

يضم مرصد كارنيجي أكثر من 250,000 ألف لوحة فوتوغرافية تم التقاطها في مراصد جبل ويلسون وبالومار ولاس كامباناس. في أوجها، كان تلسكوبا ماونت ويلسون - قطر أحدهما 60 بوصة (حوالي 1.5 متر) والآخر قطره 100 بوصة (حوالي 2.5 متر)، وكان أكبرهما يرى ضوء النجوم لأول مرة في 1 نوفمبر 1917 - هو الحل الأمثل. التلسكوبات الأكثر تقدما في العالم. لقد غيرت الملاحظات التي تم إجراؤها معهم فهمنا لمكانتنا في الكون. لكن هذه الأعاجيب التكنولوجية كانت سابقة لعصرها - وفي إحدى الحالات، التقطت إشارات من عوالم بعيدة قبل قرن من اكتشافها.

كان جبل ويلسون هو الموقع الذي تم فيه إجراء بعض أهم الاكتشافات حول مجرتنا والكون في أوائل القرن العشرين. هناك أدرك إدوين هابل أن مجرة ​​درب التبانة لا يمكن أن تكون كوننا بأكمله، لأن مجرة ​​المرأة المسلسلة (أو M20) بعيدة عن أبعد مجرتنا. تم تكبير لوحة الصور الفوتوغرافية من تلسكوب هوكر مقاس 31 بوصة من عام 100، والتي حافظت على نفس الفهم الأساسي، إلى ملصق عملاق معروض خارج مستودعات كارنيجي.

هابل وميلتون هوماسون (ميلتون هوماسون) الذي بدأ حياته المهنية في جبل ويلسون كخادم، عملا معًا في دراسة الكون ودراسة توسع الكون. باستخدام التلسكوبات الأسطورية، جنبًا إلى جنب مع بيانات من مرصد لوفيل في فلاجستاف، أريزونا، اكتشفوا أن مجموعات من المجرات تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض - والمجرات الأبعد تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض بمعدل أسرع.

ولكن هناك اكتشاف أقل شهرة، وهو أيضًا من أرشيفات جبل ويلسون، وهو اكتشاف استغرق قرنًا من الزمن حتى لم يتم فهمه بشكل صحيح إلا مؤخرًا: أول دليل على وجود كواكب خارج النظام الشمسي.

قصة بوليسية

بدأت القصة مع بن زوكرمان، الأستاذ الفخري لعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، كاليفورنيا. قام البروفيسور زوكرمان بإعداد محاضرة حول التركيب المادي للكواكب والأجسام الصخرية الأصغر خارج نظامنا الشمسي لندوة عقدت في يوليو 2014. وقد تمت دعوته من قبل جاي فاريهي - وكان زوكرمان مشرفًا على فريهي عندما درس فريهي في جامعة كاليفورنيا. واقترح فريهي أن يلقي زوكرمان محاضرة حول تلوث الأقزام البيضاء، وهي نجوم ميتة تتألق بكثافة ضعيفة وتتكون في معظمها من الهيدروجين والهيليوم. ومعنى "التلوث" في علم الفلك هو غزو العناصر الأثقل إلى الغلاف الضوئي - الغلاف الجوي الخارجي - لهذه النجوم. ليس من المفترض أن تكون تلك العناصر الثقيلة الإضافية موجودة، إذ من المفترض أن تقوم الجاذبية القوية للقزم الأبيض بسحب العناصر إلى داخل النجم، وبعيدًا عن قدرتنا على رؤيتها.

أول قزم ملوث تم اكتشافه كان يسمى نجم فان مانين - أو "فان مانين 2" في الأدبيات العلمية. تم تسميته على اسم مكتشف النجم أدريان بن مانين. اكتشفه بن مانين عام 1917 من خلال رصد حركة طفيفة بالنسبة للنجوم الأخرى بين عامي 1914 و1917. التقط عالم الفلك والتر سيدني آدامز، الذي تم تعيينه لاحقًا مديرًا لمرصد ماونت ويلسون، الطيف - البصمة الكيميائية - لنجم بن مانين على لوحة فوتوغرافية صغيرة باستخدام تلسكوب ماونت ويلسون مقاس 60 بوصة. فسر آدامز الطيف على أنه مميز لنجم من النوع F، استنادًا على ما يبدو إلى الوجود الكبير للكالسيوم وخصائص امتصاص الضوء الأخرى المميزة للعناصر الثقيلة، ولكن مع درجة حرارة أعلى قليلاً من درجة حرارة شمسنا. في عام 1919 أطلق عليه بن مانين اسم "نجم ذو ضوء ضعيف جدًا".

ونحن نعلم اليوم أن بن مانان، الذي يبعد عنا 14 سنة ضوئية، هو أقرب قزم أبيض إلى الأرض وهو ليس جزءا من نظام ثنائي.

وقال فريهي مؤخراً: "هذا النجم هو رمز". "إنه الأول من نوعه. في الواقع، هو النموذج الأولي”.

بينما كان زوكرمان يعد المحاضرة، حدث له شيء وصفه بـ "لحظة التنوير". ويعد نجم بن مانان أول رصد يحمل دليلا على وجود كواكب خارج المجموعة الشمسية، وهو الأمر الذي لم يكن معروفا لدى علماء الفلك الذين درسوه عام 1917، ولم يكن معروفا لدى علماء الفلك الذين فكروا فيه لعقود بعد اكتشافه.

ما علاقة هذا بالكواكب خارج المجموعة الشمسية؟

لا يمكن للعناصر الثقيلة الموجودة في الطبقة الخارجية للنجم أن تتشكل داخل النجم، لأنها ستغرق على الفور بسبب الجاذبية القوية للقزم الأبيض. ومع اكتشاف المزيد من الأقزام البيضاء التي تحتوي على عناصر ثقيلة في مجالها الضوئي، وضع العلماء تفسيرا مفاده أن أصل المواد الغريبة لا بد أن يكون في الوسط البينجمي - أي العناصر التي تتحرك في الفضاء بين النجوم.

في عام 1983، بعد أكثر من 70 عامًا من الحفاظ على طيف بن مانان، أبلغ زوكرمان وشريكه البحثي إريك بيكلين عن وجود فائض من ضوء الأشعة تحت الحمراء حول قزم أبيض. لقد اعتقدوا أنه نشأ من "نجم فاشل" ذو كثافة منخفضة، وهو قزم بني. وفي عام 1990، كان تفسيرهم هو أنه كان عبارة عن قرص ساخن من الغبار يحيط بقزم أبيض. في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، تم تطوير نظرية جديدة حول تلوث القزم الأبيض: يمكن للكواكب أن تسحب الأجسام الصخرية الصغيرة نحو النجم، وتقوم الجاذبية القوية للنجم بسحق الأجسام الصغيرة إلى غبار. ويسقط الغبار الذي يحتوي على عناصر ثقيلة من الجسم المسحوق على النجم.

"المبدأ المهم هو: إذا كنت كويكبًا أو مذنبًا، فلا يمكنك تغيير عنوانك فحسب. يوضح فريحي: "أنت بحاجة إلى شخص يحركك. وأفضل المرشحين لتكون هم الذين يحركونك هم الكواكب".

وقد لعب تلسكوب سبيتزر الفضائي دورًا حيويًا في توسيع نطاق دراسة أقزام القلب الملوثة المحاطة بأقراص الغبار الساخنة. ومنذ إطلاقه في عام 2004، أكد سبيتزر ملاحظاته لنحو 40 نجمًا من هذا النوع. اكتشف تلسكوب فضائي آخر تابع لناسا، WISE (مستكشف المسح بالأشعة تحت الحمراء واسع النطاق)، أيضًا حفنة من النجوم المماثلة، ليصل عدد النجوم المعروفة إلى حوالي أربعة عشر نجمًا. وبما أن هذه الأجرام السماوية ذات شدة إضاءة منخفضة، فإن هناك حاجة إلى الأشعة تحت الحمراء للكشف عنها.

ووفقا لفريهي، ليس من الممكن قياس كمية الأشعة تحت الحمراء التي تأتي من الأجسام بدقة باستخدام التلسكوبات الموجودة على الأرض. وفتح تلسكوب سبيتزر المجال على مصراعيه.

في عام 2007، نشر زوكرمان وزملاؤه ملاحظات عن الغلاف الجوي للقزم الأبيض الذي يحتوي على 17 عنصرًا، وهي مواد مشابهة لتلك الموجودة في النظام الأرضي والقمري. وقد دعمت الملاحظات نظرية "قرص الغبار" حول الأقزام البيضاء. (كان البروفيسور الراحل مايكل جورا من جامعة كاليفورنيا، والذي قدم مساهمات حيوية في دراسة الأقزام البيضاء الملوثة، جزءًا من فريق البحث).

وكان ذلك دليلاً إضافيًا على أن جسمًا صخريًا واحدًا على الأقل - وربما حتى كوكبًا - يتم سحقه بواسطة جاذبية قزم أبيض. يميل العلماء اليوم إلى الاتفاق على أن القزم الأبيض الذي يحتوي على عناصر ثقيلة في طيفه من المحتمل أن يكون لديه على الأقل حزام مقذوفات صخري واحد آخر - بقايا الأجسام التي اصطدمت بعنف ولم تشكل كواكب أبدًا - وكوكب واحد على الأقل.

لا يمكن للعناصر الثقيلة التي كانت تتحرك في الوسط النجمي أن تقدم تفسيرًا لهذه الملاحظات. ووفقا لزوكرمان، بعد حوالي 90 عاما من اكتشاف بن مانين، قال علماء الفلك "انتظر - نموذج النمو من العناصر بين النجوم لا يمكن أن يكون صحيحا".

مطاردة الطيف

مستوحاة من زوكرمان، انبهر فريهي بفكرة أن شخصًا ما قد قام بتصوير طيف مع أول دليل على وجود كواكب خارج المجموعة الشمسية في وقت مبكر من عام 1917، وأنه يجب أن يكون هناك بعض السجلات لتلك الملاحظة. "لقد أمسكت بالسؤال بكلتا يدي، ولم أكن على استعداد للتخلي عنه". قال فريحي.

تواصل فريهي مع مرصد كارنيجي، الذي يملك تلسكوبات ماونت ويلسون، والمسؤول أيضًا عن أرشيفاتها. كلف مدير جامعة كارنيجي جون مالكاهي بمهمة التطوع دان كوهين. نقب كوهين في الأرشيف وبعد يومين من ليهي إلى فريهي صورة للطيف.

ووصف فريحي رد فعله: "لا أستطيع أن أقول بصراحة إنني صدمت، لكنني قفزت من كرسيي من الفرح عندما رأيت أن بصمة الإصبع مرئية هناك، بل ويمكنك رؤيتها بالعين".

طيف النجم بن مانين الذي طلبه فريهي موجود حاليا في غلاف أرشيفي صغير، مع تاريخ ينتهي بخط اليد "24 أكتوبر 1917" وملاحظة لاصقة صفراء معاصرة "على ما يبدو - أول تسجيل لكوكب خارج المجموعة الشمسية" ".

أخرجت سينثيا هانت، عالمة الفلك التي ترأس لجنة كارنيغي للتاريخ، لوحة الصور الفوتوغرافية من الظرف ووضعتها على جهاز عرض أضاءها. حجم الطيف نفسه يزيد قليلاً عن 0.4 سم.

على الرغم من أنك لا ترى للوهلة الأولى أي شيء مميز في اللوحة، إلا أن Freehi رأى اثنين من "الأنياب" البارزة التي تمثل الانخفاضات في الطيف. بالنسبة له، كان هذا هو الدليل القاطع: خطا امتصاص من نفس أيون الكالسيوم، مما يعني وجود عنصرين ثقيلين في الغلاف الضوئي للقزم الأبيض، مما يشير إلى أنه من المحتمل أن يكون لديه كوكب واحد على الأقل. كتب عن ذلك في عام 2016 في مجلة Astronomy Reviews.

الكواكب خارج المجموعة الشمسية والأقراص المقذوفة

لقد كان من المعتقد على نطاق واسع بين العلماء منذ فترة طويلة أن قوة الجاذبية للكواكب العملاقة تثبت أحزمة التراكم في مكانها. أظهرت دراسة حديثة نشرت في مجلة الفيزياء الفلكية أن النجوم الشابة ذات الحواف الغبارية من المرجح أن يكون لديها كواكب عملاقة على مسافة أكبر من النجم من النجوم التي لا تحتوي على أحزمة غبارية.

القزم الأبيض ليس نجمًا شابًا، بل على العكس من ذلك، فقد تشكل عندما أحرق نجم منخفض إلى متوسط ​​الكتلة كل وقوده. لكن المبدأ هو نفسه: يمكن لقوة جاذبية الكواكب العملاقة أن تقذف أجسامًا صخرية صغيرة نحو القزم الأبيض.

ستصبح شمسنا عملاقًا أحمرًا خلال حوالي 5 مليارات سنة، وستنمو إلى النقطة التي ستبتلع فيها الأرض أيضًا قبل أن تتخلص من طبقاتها الخارجية وتصبح قزمًا أبيض. عند هذه النقطة، قد تزداد جاذبية المشتري على حزام الكويكبات، مما يؤدي إلى قذف الكويكبات نحو الشمس المتضائلة. وهذا السيناريو قد يفسر وجود العناصر الثقيلة في كوكب بن مانان.

لم تعثر ملاحظات سبيتزر لنجم بن مانان حتى الآن على عدم وجود كواكب هناك. في الواقع، حتى الآن، لم يتم العثور على أي كواكب تدور حول أقزام بيضاء، على الرغم من أن أحدها لديه جسم يقال إنه كوكب عملاق. وقد تم اكتشاف أدلة أكثر إقناعا في السنوات الأخيرة. أعلن زوكرمان وعلماء آخرون، بعد الملاحظات التي تم إجراؤها في مرصد WM Keck في هاواي، أنهم اكتشفوا دليلاً على وجود جسم يشبه حزام كويبر، ابتلعه قزم أبيض.

ولا يزال العلماء يدرسون الأقزام البيضاء الملوثة ويبحثون عن كواكب قد تدور حولها. حوالي 30% من جميع الأقزام البيضاء المعروفة لدينا هي أقزام بيضاء ملوثة، ولكن من الصعب العثور على أقراص التراكم الخاصة بها. وأثار البروفيسور جورا احتمال أنه نظرًا لاصطدام العديد من الكويكبات أثناء الثوران، فقد يتحول الغبار إلى غاز، ويكون اكتشاف الغاز في الأشعة تحت الحمراء أكثر صعوبة لأنه لا يحتوي على نفس إشارة الأشعة تحت الحمراء التي يمتلكها الغبار.

كان فريهي متحمسًا جدًا لأن عمله البوليسي في أرشيفات ماونت ويلسون قد أسفر عن مثل هذه النتائج. وفي عام 2016، وصف الاكتشاف التاريخي في سياق مقال عن الأقزام البيضاء الملوثة، وادعى أن الأقزام البيضاء هي "أهداف مقنعة للبحث المنهجي على الكواكب خارج النظام الشمسي".

من يدري ما هي الكنوز الأخرى التي تنتظر اكتشافها في أرشيفات المراصد المتنامية - فسجلات ملاحظات سماء الكون مفصلة للغاية. إن فضول الأشخاص الذين يطرحون الأسئلة الصحيحة قد يقودهم إلى المزيد من الأدلة.

وقال فريحي: "إن التفاعل الشخصي مع البيانات يمكن أن يحفزنا على الالتزام بالأسئلة التي نطرحها".

مترجم

الكنز المهمل: الدليل الأول على وجود الكواكب الخارجية