تتكون أنظمة الكواكب من سحب كبيرة من الغبار والغاز تشكل أقراصا حول النجوم الفتية، وبمرور الوقت، تتجمع هذه الأقراص لتكوّن كواكب شتى ذات أحجام وتركيبة ومسافة من نجمها الأم.
وفي العقود القليلة الماضية، أدت الملاحظات في الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء المتوسطة والبعيدة إلى اكتشاف أقراص الحطام حول النجوم الشابة (أقل من 100 مليون سنة). وسمح ذلك لعلماء الفلك بدراسة أنظمة الكواكب في تاريخها المبكر، ما يوفر رؤية جديدة لكيفية تشكل الأنظمة وتطورها.
ويشمل ذلك مسح SpHere INfrared survey for Exoplanets، أو اختصارا SHINE، وهو فريق دولي من علماء الفلك مكرس لدراسة أنظمة النجوم في مرحلة التكوين.
وباستخدام التلسكوب الكبير جدا (VLT) التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي (ESO) في تشيلي، لاحظ تعاون SHINE مؤخرا قرص الحطام لنجم قريب، يسمى HD 114082، في الأطوال الموجية المرئية والأشعة تحت الحمراء، وهو نجم من النوع F (قزم أصفر أبيض).
وبالاقتران مع بيانات من القمر الصناعي الفضائي للكواكب الخارجية العابرة (TESS) التابع لناسا، تمكنوا من تصوير عملاق غازي بحجم كوكب المشتري (في ما يعرف بالمشتري الفائق) مضمنا داخل القرص مباشرة، أطلق عليه اسم HD 114082 b.
ويشير العلماء إلى أن الكوكب المكتشف حديثا، رغم أن قطره مشابه لقطر كوكب المشتري، لكن كتلته تعادل ثمانية أضعاف العملاق الغازي، ما يمنحه ضعف كثافة الأرض، على الرغم من كونه يتكون في الغالب من الغاز.
ولم تترك خصائص هذا “المشتري الفائق” الفلكيين في حيرة من أمرهم فحسب، بل قد تجعلهم يتحدون النظريات الحالية حول تكوين الكواكب.
والكوكب الخارجي، الواقع على بعد نحو 310 سنة ضوئية خارج النظام الشمسي في كوكبة قنطورس، يدور حول نجم شبيه بالشمس ويبلغ عمره 15 مليون سنة فقط، ما يجعله “طفلا” نسبيا من الناحية الكونية، وأيضا عند مقارنته بكوكبنا البالغ من العمر 4.6 مليار عام.
ومن الشائع أن يكتشف علماء الفلك كواكب غازية عملاقة مشابهة لكوكب المشتري أو أكبر منه، ولكن من غير المعتاد اكتشاف كوكب بهذه الكثافة والثقل.
وتعد هذه الإحصائيات غريبة، حيث تقول أولغا زاكوزي، عالمة الفلك في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك في ألمانيا، والمؤلفة الرئيسية للدراسة الجديدة، في بيان: “مقارنة بالنماذج الحالية، فإن الكوكب الخارجي HD 114082 b كثيف بمقدار ضعفين إلى ثلاثة أضعاف بالنسبة لعملاق الغاز الشاب الذي يبلغ من العمر 15 مليون سنة فقط”.
ويمنح قطر HD 114082 b وكتلته كثافة تبلغ ضعف كثافة الأرض – وهو أمر مذهل نظرا لأنه عملاق غازي يتكون في الغالب من الهيدروجين وغاز الهليوم، وهما أخف العناصر في الكون.
ويدور الكوكب الخارجي حول نجمه على مسافة نصف المسافة بين الأرض والشمس، ويكمل مدارا كل 110 يوما من أيام الأرض، وهو مدار مشابه لمدار عطارد، أقرب كوكب إلى الشمس.
وإذا كانت قياسات كتلة هذا الكوكب صحيحة، فإن ذلك سيجعلها ضعف كثافة الأرض (الأرض بالفعل كوكب كثيف، لكونها نوعا صخريا ولها قلب معدني). ويمكن أن يكون ذلك بسبب أن الكوكب صغير جدا.
وهناك طريقتان محتملتان يمكن أن يتشكل بها عملاق غازي مثل HD 114082 b، وكلاهما يحدث في قرص الكواكب الأولية، وهو قرص من الغاز والغبار الذي ينهار ليشكل كواكب.
وتتضمن آلية التكوين الأولى، نموذج التراكم الأساسي: كوكبا أوليا يبدأ الحياة كنواة صلبة صخرية تتراكم فيها المزيد والمزيد من المواد. وبمجرد أن يصل هذا اللب إلى الكتلة الحرجة، فإن تأثيره الثقالي يسحب الغاز المحيط إليه، ما يؤدي إلى تراكم الهيدروجين والهيليوم في اللب في عملية تولد كوكبا عملاقا.
والآلية الثانية، نموذج عدم استقرار القرص: تتضمن بقعا كثيفة وغير مستقرة من الجاذبية من قرص الكواكب الأولية تنهار وتنمو لتشكل عملاقا غازيا يفتقر إلى النواة الصخرية.
وتختلف نماذج التكوين هذه في المعدل الذي يبرد به الغاز المتراكم، ما دفع علماء الفلك إلى وصف الكواكب بأنها تبدأ “ساخنة” (تراكم النواة) أو “باردة” (عدم استقرار القرص).
ويفضل العلماء حاليا نموذج البداية الساخنة، لكن النهجين يجب أن يؤديا إلى اختلافات ملحوظة، وبالتالي توجيه العلماء نحو نموذج التكوين الصحيح.
وفي عمالقة الغاز، هذه الخاصية الرئيسية هي الحجم: نظرا لأن الغاز الساخن يحتل حجما أكبر من الغاز البارد، فقد تكون عمالقة الغاز الأصغر حجما من بداية “باردة”، في حين أن عمالقة الغاز الأكبر، مثل HD 114082 b، تشكلت على الأرجح عن طريق تراكم اللب.
ويجب أن يكون الاختلاف في الحجم الناجم عن الأصلين المحتملين واضحا بشكل خاص بين العوالم الأصغر سنا، بحيث يصبح أقل قابلية للقياس على مدى مئات الملايين من السنين مع برودة الكوكب وانكماش الغاز.
وعلى الرغم من أن البداية الساخنة هي النموذج المتوقع عموما، يبدو أن كثافة HD 114082 b تتحدى ما يتوقعه علماء الفلك لنموذج تراكب النواة، ويفضلون بدلا من ذلك نموذج البداية الباردة أو نموذج عدم استقرار القرص.
وتتضمن التفسيرات البديلة لحجم HD 114082 b الصغير وكتلته الكبيرة، فكرة أن الكوكب الخارجي يحتوي ببساطة على لب صخري كبير بشكل استثنائي مدفون في قلبه أو أن علماء الفلك ليس لديهم حتى الآن صورة دقيقة لمدى سرعة الغاز في تبريد عملاق غازي رضيع.
وقال رالف لونهاردت، عالم الفلك في معهد ماكس بلانك للفلك، والمؤلف المشارك في الدراسة الجديدة، في البيان: “من السابق لأوانه التخلي عن فكرة البداية الساخنة. وكل ما يمكننا قوله هو أننا ما زلنا لا نفهم جيدا تركيبة الكواكب العملاقة”.
