رازهای دانش- ۲۶؛

قرص پیش‌سیاره‌ای ساختار صفحه‌مانندی متشکل از گاز و غبار است که پیرامون یک ستاره یا اغلب یک پیش‌ستاره می‌چرخد. این قرص‌ها محل تشکیل سیاراتی‌اند که در قالب منظومه، به دور ستاره مادر می‌چرخند.

خبرگزاری علم‌وفناوری آنا- هدا عربشاهی: در میان علاقه‎‌مندان نجوم و فضا، یکی از سوالاتی که بارها تکرار شده این است که «سیاره‌ها کجا متولد می‌شوند؟» باید تاکید کرد که تمام سیارات، همه مولکول‌های گازی ماده و همچنین کل موادی که بدن ما را تشکیل می‌دهند، از ستاره‌ای می‌آیند! ازاین‌رو بی‌دلیل نیست که می‌گویند: «ما غبار ستاره‌ای هستیم» زیرا درواقع این دقیقاً همان چیزی است که ما از آن ساخته شده‌ایم: از غبار ستاره‌ای. تمام سیارات منظومه خورشیدی، دوران کودکی پر دردسری داشته‌اند یعنی زمانی‌که درون قرص پیش‌سیاره‌ایِ (protoplanetary disk) دور خورشید شکل می‌گرفتند. Protoplanetary ترکیبی از پیش‌وند Proto به‌معنی «پیش» و planetary به‌معنی «سیاره‌ای» است. منظومه خورشیدی بقایای قرص‌ پیش‌سیاره‌ای پیرامون خورشید است که حدود ۴.۵ میلیارد سال قبل، سیاره‌ها و قمرهایشان را به‌علاوه، اجرام سماوی دیگری چون سیاره‌های کوتوله را به‌وجود آورده است.

گذشته پر دردسر سیارات

تشکیل ستاره فرآیندی بسیار پیچیده است و همیشه طی آن، قرص پیش‌سیاره‌ای گازی در اطراف ستاره جوان شکل می‌گیرد. این فرآیند تحت شرایط خاصی می‌تواند سیاره‌های گازی و سنگی را به‌وجود آورد، اما اخترشناسان بر این باورند که شکل‌گیری منظومه‌های سیاره‌ای نتیجه طبیعی شکل‌گیری ستاره‌ها است. به‌عنوان‌مثال، برای شکل‌گیری ستاره‌ای شبیه به خورشید حدود ۱۰۰میلیون سال زمان نیاز است و بعد از آن، فرآیند سیاره‌سازی درون قرص پیش‌سیاره‌ای آغاز می‌شود.

قرص پیش‌سیاره‌ای چیزی نیست جز صفحه‌ای چرخان از گاز که ستاره جوان را احاطه کرده است. در آغاز، بسیار گرم است اما درنهایت سرد می‌شود و دانه‌های کوچکی از غبار ساخته‌شده از سنگ و یخ را تشکیل می‌دهد. آن سنگ‌ها «بلوک‌های سازنده» سیاره‌های آینده خواهند بود! اگر قرص به اندازه کافی حجیم باشد، جنین‌های سیاره‌ای در ابعاد ماه با سرعت بالایی- بین ۱۰۰هزار تا ۳۰۰هزار سال- تشکیل می‌شوند.

شکل‌گیری سیارات براساس جرم ستارگان

ژوئن سال ۲۰۲۱ گروهی دانشمندان بین‌المللی بااستفاده از داده‌های بیش‌از ۷۰۰ ستاره جوان رصدشده با آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری بزرگ آتاکاما (آلما) در شیلی، ارتباط مستقیمی بین ساختار قرص پیش‌سیاره‌ای و جمعیت‌شناسی سیاره‌های پیرامون ستاره کشف کردند. به‌طور خاص، این بررسی نشان داد که چگونه ستاره‌های با جرم بالاتر احتمالاً با قرص‌هایی مملو از «سوراخ» احاطه می‌شوند. همین مسئله به نوبه خود نشان می‌دهد که این حفره‌ها (سوراخ‌ها) مستقیماً با حضور زیاد سیاره‌های فراخورشیدی غول‌پیکر مرتبط‌اند.

در حال حاضر، آلما تنها تلسکوپ با توانایی تصویربرداری از توزیع گرد و غبار میلی‌متری با وضوح زاویه‌ای به اندازه کافی بالا است و به‌همین‌علت، قادر است قرص‌های گرد و غبار را تشخیص دهد و زیرساخت آنها را آشکار کند.

نینک فون دِر مارل، مولف اول این پژوهش از دپارتمان فیزیک و اخترشناسی از دانشگاه ویکتوریا در بریتیش کلمبیا در کانادا درباره نتایج این مطالعه توضیح می‌دهد: «ستاره‌های با جرم بیشتر دارای قرص‌های با فضاهای خالی نسبتا بیشتری نسبت به ستار‌های کم‌جرم هستند، که این با همبستگی‌هایی منطبق است که قبلاً در سیاره‌های فراخورشیدی شناخته شده بود، به‌طوری‌که مطالعات گذشته هم نشان می‌داد که ستاره‌های با جرم بالاتر اغلب میزبان غول‌های گازی هستند. این همبستگی‌ها مستقیماً به ما می‌گویند که فضاهای خالی موجود در قرص‌ها به احتمال زیاد ناشی‌از سیاره‌های غول‌پیکر است. سیاره‌هایی با جرم‌های در حد سیاره‌های نپتون و فراتر از آن.»

سوراخ‌های موجود در قرص‌های پیش‌سیاره‌ای از دیرباز به‌عنوان شواهد کلی برای تشکیل سیاره در نظر گرفته می‌شوند. باوجوداین، این مطالعه جدید اولین مطالعه‌ای است که ارتباطی واقعی را نشان می‌دهد که هدف آن درک نقشی است که سوراخ‌های فضاهای خالی در روند تکامل قرص ایفا می‌کنند. به‌طور خاص، توزیع فضای گرد و غبار حدود ۷۰۰ ستاره با جرم بین 0.1 تا 3 جرم خورشید، با در نظر گرفتن اثرات تکامل غبار و مقایسه ویژگی‌های آن با جمعیت سیارات فراخورشیدی مشاهده‌شده، در این مطالعه بررسی شد.

نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که سیارات فراخورشیدی غول‌پیکر در اطراف ستاره‌های‌شان، همان فرکانس قرص‌های غنی از فضای خالی و سوراخ را دارند.

همچنین، این ارتباط در مورد منظومه‌های ستاره‌ای با ستاره‌های کم‌جرم که در آنها احتمال بیشتری برای یافتن سیاره‌های فراخورشیدی سنگی وجود دارد هم دیده می‌شود. به‌طوری‌که، در منظومه‌های ستاره‌های کم‌جرم می‌توان چندین ابرزمین صخره‌ای شناسایی کرد که جرمشان چیزی حد فاصل جرم زمین و جرم نپتون است. قرص‌هایی که بدون سوراخ و فضای خالی‌اند فشرده‌تر هستند و درنتیجه می‌توانند به‌جای تولید سیاره‌های غول‌پیکر گازی به شکل‌گیری ابرزمین‌های سنگی منجر شوند.

ارزش اصلی این پژوهش، نقشی است که می‌تواند در مطالعات آینده ایفا کند. درواقع، اثبات ارتباط میان جرم ستاره و جمعیت سیاره‌های درون منظومه آن ستاره می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا برای یافتن سیارات سنگی زمین‌مانند و کشف احتمالی اشکالی از حیات در این سیاره‌ها کدام ستاره‌ها را بررسی کنند.

موزاییکی از زیبایی

مارس ۲۰۲۴ گروهی از دانشمندان بین‌المللی پس‌از سال‌ها فعالیت بی‌وقفه توانستند کاتالوگی متشکل از گسترده‌ترین فهرست از قرص‌های پیش‌سیاره‌ای را در مناطق ستاره‌ساز منتشر کنند و نشان دهند که شکل‌های بی‌شمار و متنوع قرص‌های پیش‌سیاره‌ای همچون موزاییکی از زیبایی است. این کاتالوگ که در درگاه اینترنتی سازمان اروپایی مطالعات اخترشناختی در نیم‌کره جنوبی (اِسو) منتشر شده، متشکل از تصاویر قرص‌های پیش‌سیاره‌ای است که اخترشناسان این گروه بین‌المللی به‌لطف ابزار  SPHERE که روی تلسکوپ بسیار بزرگ (وی‌ال‌تی) سازمان اروپایی مطالعات اخترشناختی در نیم‌کره جنوبی نصب شده به دست آمده است. همچنین رصدهای انجام‌شده با ابزار X-shooter که آن‌هم روی وی‌ال‌تی نصب است برای این پژوهش استفاده شده‌اند و تصاویری که با آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری بزرگ آتاکاما (آلما) گرفته شده‌اند برای کمک به تفسیر نتایج به‌کار رفته‌اند.

مطالعه ویژگی‌های قرص‌های پیش‌سیاره‌ای به درک معماری نهایی منظومه سیاره‌ای که ناشی‌از شکل این قرص‌ها است کمک می‌کند. برای مثال، این دانشمندان دریافتند که ستار‌ها در منظومه‌های چندتایی (سامانه‌هایی که از چند ستاره نسبتا  نزدیک به هم تشکیل شده‌اند که حول مرکز جرم مشترکی می‌چرخند) تمایل دارند قرص‌های پیش‌سیاره‌ای کوچک‌تری نسبت به ستاره‌های منفرد داشته باشند. همچنین سیاره‌های جدیدی که درون این قرص‌ها شکل می‌گیرند ساختار آن را تغییر می‌دهند و باعث وجود تغییر شکل‌ها و ناهماهنگی‌ها بین اجزای مختلف قرص می‌شوند.

این مشاهدات نشان داد قرص‌هایی که سیاره‌ها را تشکیل می‌دهند تنوع فوق‌العاده‌ای دارند. به‌طوری‌که بعضی از این قرص‌ها بازوهای مارپیچ عظیمی دارند. بعضی دیگر، حلقه‌ها و حفره‌های بزرگی را نشان می‌دهند که در اثر شکل‌گیری سیار‌ه‌ها به‌وجود آمده‌اند و گروهی دیگر، صاف و تقریباً خفته به‌نظر می‌رسند.