چگونه ریزهمگرایی گرانشی می‌تواند ابرزمین‌های واقع در مدارهای دور را شناسایی کند؟

منظومه‌های فراخورشیدی معمولاً چگونه به نظر می‌رسند؟ ظاهراً این منظومه‌ها با محله‌ی خورشیدی ما تفاوت‌های زیادی دارند. برای مثال، در بسیاری از آن‌ها سیاراتی از نوع مشتری‌های داغ و مینی‌نپتون‌ها وجود دارد؛ دسته‌هایی از سیارات که در منظومه شمسی ما دیده نمی‌شوند. همچنین، روش‌های کشف ما به طور عمده روی سیاراتی تمرکز دارد که به ستاره میزبان خود نزدیک‌تر هستند؛ بنابراین اطلاعات کمی درباره آن چیزی داریم که ممکن است در مدارهای دورتر وجود داشته باشد.

یک مطالعه جدید به بررسی یکی از روش‌های جستجوی سیاره‌ها پرداخته است که با عنوان «ریزهمگرایی گرانشی» شناخته می‌شود؛ بدین صورت که یک سیاره به عنوان لنز گرانشی عمل می‌کند و با بزرگ‌نمایی نور ستاره‌ای که به‌دورش می‌چرخد، باعث می‌شود که ستاره برای مدتی کوتاه روشن‌تر به نظر آید. ثبت این رویدادها دشوار است، اما می‌توانند نشانه‌هایی از وجود سیارات در مدارهای دورتر ارائه دهند. محققان این مطالعه شواهدی یافته‌اند که نشان می‌دهد جمعیت قابل توجهی از «ابرزمین‌های سنگی» در مدارهایی مشابه با مشتری و زحل در حال حرکت هستند.

دو روش اصلی که ما برای کشف سیارات فراخورشیدی استفاده می‌کنیم، با نام‌های «گذار» (یا ترانزیت) و «سرعت شعاعی» شناخته می‌شوند. در روش گذار، ما به ستاره نگاه می‌کنیم و افت‌های منظم در روشنایی آن را شناسایی می‌کنیم. این کاهش‌ها در نور ممکن است نشانه‌ای از گذر سیاره‌ای باشد که بخشی از ستاره را می‌پوشاند. در روش سرعت شعاعی، ما به دنبال تغییرات طول موج قرمز یا آبی در نوری هستیم که از ستاره دریافت می‌شود. این تغییرات ناشی از گرانش سیاره‌ای است که هنگام چرخش خود ستاره را در جهات مختلف جابه‌جا می‌کند.

تأثیر گرانشی یک سیاره زمانی که به ستاره میزبان نزدیک‌تر است، به وضوح قوی‌تر و محسوس‌تر می‌شود. همچنین، ستاره‌ها به دلایل مختلف ممکن است به طور موقت کم‌نور شوند. به همین دلیل، ما معمولاً استانداردی برای کشف سیارات تعیین کرده‌ایم که شامل مشاهده چندین گذر متوالی است. این موضوع باعث می‌شود که سیاره‌هایی با دوره‌های مداری کوتاه‌تر را شناسایی کنیم و در نتیجه بیشتر سیاراتی را که به ستاره خود نزدیک‌تر هستند، کشف می‌کنیم.

بنابراین، عمده اطلاعات ما درباره منظومه‌های فراخورشیدی از سیاراتی ناشی می‌شود که فاصله‌ای بسیار کمتر از زمین تا خورشید دارند. حتی دورترین جسمی که توسط تلسکوپ «کپلر» شناسایی شده، تنها به اندازه‌ی مریخ از ستاره‌اش فاصله دارد. درنتیجه‌ی این محدودیت، ما دچار سوگیری در مشاهدات هستیم و نمی‌توانیم سیاره‌های فراخورشیدی کشف‌شده را نماینده‌ی تمام دنیاهای موجود بدانیم.

ریزهمگرایی را می‌توان از نظر تأثیر نوری به عنوان معکوس رویداد گذار در نظر گرفت. در این حالت، ریزهمگرایی باعث می‌شود ستاره روشن‌تر به نظر برسد. اما شناسایی این رویدادها دشوار است؛ بخشی به دلیل این که شدت روشنایی‌ها نسبتاً کم است و همچنین ممکن است فقط برای چند ساعت ادامه داشته باشد. اگر یک رویداد ریزهمگرایی در طول روز یا در شرایط ابری اتفاق بیفتد و از فضا آن را مشاهده نکنید، به راحتی از دست خواهد رفت.

چالش دیگری که با ریزهمگرایی وجود دارد این است که اطلاعات زیادی درباره خود سیاره ارائه نمی‌دهد. روش گذار به ما ابعاد سیاره را نشان می‌دهند و روش سرعت شعاعی نیز محدودیت‌هایی برای جرم سیاره تعیین می‌کند. اما ریزهمگرایی معمولاً نسبت جرم سیاره به جرم ستاره را مشخص می‌کند و بدون داشتن اطلاعات دقیق از جرم ستاره، اطلاعات خاصی از ویژگی‌های آن ارائه نمی‌دهد.

تیمی که مسئول مطالعه جدید است، به شبکه‌ای از تلسکوپ‌های ویژه رصد ریزهمگرایی در سراسر جهان متکی بود. این شبکه احتمال از دست‌دادن یک رویداد را به دلیل زمان‌بندی نامناسب یا شرایط جوی کاهش می‌دهد. مقاله جدید، هم به بررسی یکی از این رویدادهای ریزهمگرایی گرانشی می‌پردازد و هم سعی دارد تصویری کلی از تمام کشفیات سیاره‌ای احتمالی که این شبکه تاکنون انجام داده است، ارائه دهد.

رویداد ریزهمگرایی گرانشی مورد بحث در اینجا، با نام OGLE-2016-BLG-0007، ابتدا توسط پروژه‌ای مشابه به نام «OGLE» (آزمایش لنز گرانشی نوری) گزارش و به‌طور مستقل توسط یک شبکه تلسکوپی در کره جنوبی نیز شناسایی شد. این رویداد به عنوان بخشی از یک پدیده ریزهمگرایی گرانشی طولانی‌تر شناسایی شد که در آن ستاره نزدیک‌تر به عنوان لنز گرانشی عمل کرده و نور ستاره دوم را افزایش می‌دهد. در جریان این افزایش تدریجی نور که چند ماه ادامه یافت، یک افزایش جزئی در نور مشاهده شد. برای توضیح این افزایش جزئی چندین فرضیه وجود دارد، از جمله وجود یک ستاره سوم یا یک سیاره بسیار بزرگ در مداری نزدیک، اما بیشتر این فرضیات چندان محتمل به نظر نمی‌رسند. تنها توضیحی که منطقی به نظر می‌رسد، وجود یک سیاره در فاصله‌ای نسبتاً زیاد از ستاره‌ی میزبان است.

براساس مدل‌سازی داده‌ها، نسبت جرم سیاره به ستاره میزبانش تقریباً دو برابر نسبت جرم زمین به خورشید است. بااین‌حال، اطلاعات دقیقی از ستاره میزبان در دست نیست و نمی‌دانیم چقدر سنگین است. با توجه به اینکه ستاره‌های معمولی در کهکشان راه شیری به طور قابل توجهی کوچک‌تر از خورشید هستند، محققان فرض می‌کنند که این ستاره کوتوله‌ای قرمز است که سیاره‌ای با جرمی حدود ۱٫۳ برابر زمین را به وجود آورده است. بر اساس این اعداد، بهترین تطابق برای داده‌های ریزهمگرایی گرانشی، مداری است که حدود ده برابر وسیع‌تر از مدار زمین قرار دارد.

این نتیجه‌گیری، نشان‌دهنده وجود یک ابرزمین با فاصله مداری تقریباً مشابه زحل است.

برای درک بهتر اینکه وجود سیارات سنگی در مدارهای دور چقدر رایج است، محققان تمامی داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط شبکه تلسکوپ‌های کره‌ای را مورد بررسی قرار دادند که تاکنون بیش از ۶۰ سیاره احتمالی فراخورشیدی را شناسایی کرده‌اند. تحلیل نسبت جرم سیاره به ستاره در این داده‌ها نشان می‌دهد که احتمالاً تعداد قابل توجهی از سیارات در مدارهای دور، مانند آنچه در رویداد OGLE-2016-BLG-0007 دیده شد، وجود دارد. به طور جداگانه، به نظر می‌رسد جمعیت دیگری از سیارات وجود دارد که به طور قابل توجهی بزرگ‌تر هستند، با فرض اینکه ستاره‌های میزبان آن‌ها، از نوع معمولی کهکشان راه شیری باشند.

این دو گروه از سیارات با فرآیندهای رایج تشکیل سیاره که امروزه درک می‌کنیم، همخوانی دارد. در این تفسیر، سیارات سنگی می‌توانند تا حد معینی رشد کنند و پس از رسیدن به اندازه‌ای خاص، به سرعت گاز و مواد دیگر را جذب کرده و به غول‌های گازی تبدیل شوند. بنابراین، سیاراتی که اندکی کمتر از این حد جرم دارند به‌صورت ابرزمین باقی می‌مانند، در حالی‌که گروه دیگر به غول‌های گازی تبدیل می‌شوند. این دو گروه بر اساس تفاوت در توانایی جذب گاز از یکدیگر تفکیک‌پذیرند.

بااین‌حال، باید در تفسیر نتایج احتیاط کنیم. تعداد کل سیارات کشف‌شده از طریق ریزهمگرایی گرانشی هنوز کم است و در آنچه که می‌توانیم درباره جرم سیارات با استفاده از این روش بیاموزیم، عدم قطعیت‌های قابل توجهی وجود دارد. در حال حاضر، این روش بیشتر سیاراتی را آشکار می‌کند که در مدارهای دورتر قرار دارند. اما اگر این الگو ادامه یابد و ما به تدریج دانش خود را درباره سیارات دورتر افزایش دهیم، ممکن است در آینده به شواهدی دست یابیم که تأیید کند ما در یک منظومه شمسی نسبتاً غیرمعمول زندگی می‌کنیم.