वर्षानुवर्षे, खगोल भौतिकशास्त्राच्या पाठ्यपुस्तकांमध्ये समान कल्पना पुनरावृत्ती झाली: एका लहान, खडकाळ ग्रहावर जो त्याच्या ताऱ्याजवळ आहे, त्याचे वातावरण टिकून राहू नये. अब्जावधी वर्षांपासून. सिद्धांततः, तीव्र किरणोत्सर्ग आणि तार्यांचा वारा पृष्ठभागावरील कोणत्याही प्रकाश वायूला वाहून नेतो.
त्या स्क्रिप्टला नुकताच या प्रकरणात मोठा धक्का बसला आहे TOI-561bएक ज्वलंत सुपर-अर्थ त्याच्या ताऱ्याच्या इतक्या जवळून फिरत आहे की तो फक्त साडेदहा तासांत एक वर्ष पूर्ण करतो. अलिकडच्या आकडेवारीनुसार जेम्स वेब स्पेस टेलिस्कोप ते असे सुचवतात की हे टोकाचे जग, सर्व शक्यतांविरुद्ध, एका अशा परिस्थितीत अडकले आहे लक्षणीय दाट वातावरणहे आपल्याला खडकाळ ग्रहांच्या उत्क्रांतीबद्दल आपल्याला कसे समजते याचा पुनर्विचार करण्यास भाग पाडते.
एका प्राचीन ताऱ्याला जोडलेले लावाचे जग
TOI-561 b येथे स्थित आहे सिंह नक्षत्र आणि एका खूप जुन्या तारा मंडळाशी संबंधित आहे, ज्याचे वय अंदाजे सुमारे आहे एक्सएनयूएमएक्स लाखो वर्षेम्हणजेच, सूर्यमालेच्या आकाराच्या अंदाजे दुप्पट. यजमान तारा सूर्यापेक्षा काहीसा कमी वस्तुमान आणि थंड आहे, परंतु ग्रह इतका जवळ आहे की तो फक्त 1,5 दशलक्ष किलोमीटर, बुधाला सूर्यापासून वेगळे करणाऱ्या ५८ दशलक्ष ग्रहांच्या तुलनेत.
आपण एका ग्रहासमोर आहोत. खडकाळ अति-उष्णसुमारे एक व्यास असलेला एक सुपर-अर्थ पृथ्वीपेक्षा ४०% जास्त आणि वस्तुमानाच्या अंदाजे दुप्पट. अत्यंत जवळीकतेमुळे ज्याला म्हणतात ते घडते भरती-ओहोटी जोडणीपरिभ्रमण आणि भाषांतर कालावधी जुळतात, ज्यामुळे एक गोलार्ध एका शाश्वत दिवसात राहतो आणि दुसरा गोलार्ध एका अंतहीन रात्रीत बुडातो.
अशा वातावरणासाठी अंदाजित तापमान खूपच जास्त आहे. पृष्ठभागाचा एक मोठा भाग असा अर्थ लावला जातो की जागतिक मॅग्मा महासागरग्रहाच्या विशाल प्रदेशांना व्यापणारा वितळलेल्या खडकांचा एक प्रकारचा समुद्र. या परिस्थितीत, वातावरण थेट वितळलेल्या पदार्थाशी जोडले जाते, ज्यामुळे एक वायू आणि अस्थिर पदार्थांची सतत देवाणघेवाण आतील आणि बाह्य दरम्यान.
पारंपारिक मॉडेल्समध्ये, इतक्या लहान आणि किरणोत्सर्गाने उद्ध्वस्त झालेल्या ग्रहाने काही वर्षांपूर्वी वायूचा आच्छादन गमावला पाहिजे होता. उच्च तारकीय ऊर्जा, अति वय आणि तुलनेने माफक आकार त्याने TOI-561 b ला अशा जगांच्या श्रेणीत स्थान दिले जे जवळजवळ नग्न दिसतील अशी अपेक्षा होती, त्यांच्या संरक्षणासाठी कोणतीही हवा नसेल.
जेम्स वेबने काय पाहिले: अपेक्षेपेक्षा जास्त थंड नरक
अनपेक्षित वळण हे निरीक्षणांसह येते जेम्स वेब स्पेस टेलिस्कोप (JWST)नासा, ईएसए आणि कॅनेडियन स्पेस एजन्सी यांनी विकसित केलेले. केवळ ग्रहाच्या संक्रमणांचा अभ्यास करण्याऐवजी, वैज्ञानिक पथकाने त्यांच्या कामाचा एक भाग मोजण्यावर केंद्रित केला दिवसाच्या गोलार्धातून थर्मल उत्सर्जनम्हणजेच, ताऱ्याकडे तोंड असलेल्या बाजूने उत्सर्जित होणारी उष्णता.
या उद्देशासाठी, हे उपकरण प्रामुख्याने वापरले जात असे. एनआयआरस्पेकजवळ-अवरक्त स्पेक्ट्रोग्राफ प्रकाशाला त्याच्या घटक तरंगलांबींमध्ये विभाजित करण्यास अनुमती देतो, ज्यामुळे तापमान आणि भौतिक गुणधर्मांचे अनुमान काढता येते. त्यातील एक महत्त्वाचा क्षण म्हणजे तथाकथित दुय्यम ग्रहणजेव्हा ग्रह ताऱ्याच्या मागे जातो तेव्हा प्रणालीची एकूण चमक थोडी कमी होते. आधी आणि नंतरची तुलना करून, ग्रहाचे स्वतःचे योगदान वेगळे करता येते.
जर TOI-561 b साधे असते तर वातावरण नसलेला, उघडा खडक उष्णता हलविण्यासाठी, मॉडेल्स दर्शवितात की प्रकाशित चेहरा क्रमाने पोहोचला पाहिजे 2.700 ºCतथापि, निरीक्षण केलेले थर्मल सिग्नल सुमारे तापमान दर्शवते 1.800 ºCआपल्याला माहित असलेल्या कोणत्याही जीवनाशी ते विसंगत वातावरण आहे, परंतु ते दिसून येते लक्षणीयरीत्या थंड हवेच्या अनुपस्थितीत काय अपेक्षित आहे.
डेटाशी जुळणारे एकमेव वाजवी स्पष्टीकरण म्हणजे एक आहे ऊर्जेचे पुनर्वितरण करण्यास सक्षम वायूचा थर रात्रीच्या दिशेने. या आवरणामुळे दिवसाच्या प्रदेशातील काही उष्णता अंधाराच्या बाजूला जाईल, ज्यामुळे सूर्यप्रकाशातील गोलार्धात मोजले जाणारे कमाल तापमान कमी होईल. हा जवळजवळ ९०० अंशांचा फरक या ग्रहावरील दाट वातावरणाचा सर्वात मजबूत पुरावा बनला आहे.
सुपर-अर्थवरील वातावरणाच्या सर्वात स्पष्ट पुराव्यांपैकी एक
जर्नलमध्ये प्रकाशित झालेले हे काम अॅस्ट्रोफिजिकल जर्नल लेटर्स "अल्ट्रा-हॉट सुपर-अर्थ TOI-561 b वर एक जाड अस्थिर वातावरण" या शीर्षकाखाली, ते पेक्षा जास्त निरीक्षणे एकत्रित करते 37 सतत तासग्रहाच्या जवळजवळ चार पूर्ण कक्षा व्यापतात. विश्लेषण यावर केंद्रित आहे उत्सर्जन स्पेक्ट्रम ३ ते ५ मायक्रॉनच्या श्रेणीत, जिथे वेगवेगळे वायू आणि संभाव्य ढग अवकाशात बाहेर पडणाऱ्या किरणोत्सर्गात बदल करतात.
भौतिक मॉडेल्सशी डेटाची तुलना करताना, ग्रहाची परिस्थिती वातावरणाशिवाय उच्च सांख्यिकीय महत्त्वामुळे हे जवळजवळ नाकारले जाते. इन्फ्रारेड ब्राइटनेस पॅटर्न थेट अवकाशात उघडलेल्या खडकाळ पृष्ठभागाशी विसंगत असतात, तर ते अस्थिर संयुगांनी समृद्ध वायूंचा तुलनेने दाट आवरण.
जेव्हा आपण या संदर्भात अस्थिरतेबद्दल बोलतो तेव्हा आपण एखाद्या विचित्र गोष्टीचा संदर्भ देत नाही आहोत: ते असे पदार्थ आहेत जे योग्य परिस्थितीत सहजपणे वायू अवस्थेत बदलू शकतात, जसे की... पाण्याची वाफ किंवा कार्बन आणि ऑक्सिजन समृद्ध विविध संयुगे. ज्या ग्रहावर सतत उकळत्या अवस्थेत असलेला लावाहे पदार्थ आतील भागातून बाहेर पडू शकतात, तात्पुरते वातावरण तयार करू शकतात आणि मॅग्मा महासागरात परत विरघळू शकतात, एका गतिमान चक्रात जे स्थिर छायाचित्रात गोठवणे कठीण असते.
आंतरराष्ट्रीय संघ, ज्यामध्ये शास्त्रज्ञांचा समावेश आहे जसे की जोहाना के. टेस्के y निकोल वॉलॅक (कार्नीजी इन्स्टिट्यूट ऑफ सायन्स, यूएसए) आणि अंजली पिएट (बर्मिंगहॅम विद्यापीठ, युनायटेड किंग्डम), हे हायलाइट करते की ते त्यापैकी एक आहे अति-उष्ण खडकाळ बाह्यग्रहावर वातावरण असल्याचा मजबूत पुरावाहा तुमचा सामान्य सहज ओळखता येणारा वायू राक्षस नाही, तर पृथ्वीच्या आकाराजवळचा एक जग आहे जो आतापर्यंत आपण पाहू शकतो त्याच्या मर्यादेवर राहिला आहे.
TOI-561 b ची विचित्र घनता: जाड हवेशी चांगले जुळणारे एक गूढ
जेम्स वेबच्या आगमनापूर्वीच, TOI-561 b मध्ये एक वैशिष्ट्य असल्याचे आधीच माहित होते अपेक्षेपेक्षा कमी घनता त्याच्या आकार आणि वस्तुमानाच्या खडकाळ ग्रहासाठी. जर पृथ्वीसारखीच रचना गृहीत धरली तर, ज्यामध्ये लोखंडी गाभा आणि सिलिकेट आवरण असेल, तर संख्या जुळत नाहीत.
याचे काही स्पष्टीकरण ताऱ्यातच आहे. TOI-561 हा तारकीय लोकसंख्येचा आहे आकाशगंगेची जाड डिस्कजुने, लोहाचे प्रमाण तुलनेने कमी आणि अल्फा घटकांनी समृद्ध (जसे की ऑक्सिजन, मॅग्नेशियम किंवा सिलिकॉन) वैशिष्ट्यीकृत. या वेगळ्या रसायनशास्त्रामुळे लहान कोर असलेले ग्रह किंवा सौर परिसरातील जगांपेक्षा वेगळ्या पदार्थांच्या अंतर्गत वितरणासह.
त्या बारकाव्यांसह, घनतेतील विसंगती लक्षात येण्यासारखी राहिली. येथेच उपस्थिती आहे प्रचंड वातावरण हे एक अतिशय सुंदर उपाय देते: वायूचा जाड थर निरीक्षण केलेल्या त्रिज्याला "फुगवू" शकतो, ज्यामुळे ग्रह त्याच्या घन भागापेक्षा मोठा दिसतो.
सोप्या भाषेत सांगायचे तर, ग्रहाचा आकार मोजल्याने खडक आणि हवेतील फरक दिसून येत नाही; ते त्या प्रदेशाची व्याप्ती दर्शवते जिथे वातावरण ताऱ्यांच्या प्रकाशासाठी पारदर्शक राहणे बंद होते. जर वायूचे आवरण खूप दाट असेल, तर प्रभावी त्रिज्या वाढते आणि स्पष्ट सरासरी घनता कमी होते.एकदा हा परिणाम लक्षात घेतला की, योग्य आतील भाग आणि आश्चर्यकारकपणे जाड आवरण असलेल्या खडकाळ ग्रहाशी संख्या अधिक चांगल्या प्रकारे जुळतात.
अभ्यासातच असे सूचित होते की TOI-561 b च्या "दुर्मिळतेचा" एक भाग त्याच्या घनतेची तुलना अशा मॉडेल्सशी केली जात होती ज्यांनी विचारात घेतले नाही. इतके अद्भुत वातावरणत्या तुकड्याचे समायोजन केल्याने, कोडे कमी विचित्र होते, जरी ते त्या हवेच्या उत्पत्तीबद्दल नवीन प्रश्नांची दारे उघडते.
वातावरणात काय असू शकते आणि ते आपल्याला दिसणाऱ्या गोष्टींमध्ये कसे बदल करते?
TOI-561b च्या वातावरणाची अचूक रचना अनिश्चित आहे, परंतु सहभागी संघांचे मॉडेल एका समृद्ध आवरणाकडे निर्देश करतात मॅग्मा महासागरातील अस्थिर पदार्थपाण्याची वाफ, कार्बन डायऑक्साइड किंवा इतर प्रकाश संयुगे यांसारखे वायू ग्रह उष्णता कशी उत्सर्जित करतो आणि वितरित करतो यात महत्त्वाची भूमिका बजावू शकतात.
या टप्प्यात, जोरदार वारे ऊर्जा हस्तांतरित करतील दिवसाच्या बाजूपासून रात्रीच्या बाजूपर्यंत, थर्मल कॉन्ट्रास्ट गुळगुळीत करते. त्याच वेळी, काही रेणू खोल थरांमधून येणाऱ्या इन्फ्रारेड रेडिएशनचा काही भाग शोषून घेतील, ज्यामुळे जेम्स वेबने शोधलेले उत्सर्जन दिसून येईल. उघड्या खडकापेक्षाही थंड थेट उघड.
ची उपस्थिती सिलिकेट ढग किंवा उंचावर घनरूप झालेले इतर पदार्थ, जे काही तार्यांचा प्रकाश परावर्तित करण्यास आणि ऊर्जा संतुलन बदलण्यास सक्षम आहेत. जर हे ढग अस्तित्वात असतील तर ते एक प्रकारचे आंशिक "आरसा" म्हणून काम करतील जे पृष्ठभागावर किंवा वातावरणाच्या खालच्या थरांपर्यंत पोहोचण्यापूर्वी आणि गरम करण्यापूर्वी किरणोत्सर्ग अवकाशात परत परावर्तित करतील.
हे अधोरेखित करण्यासारखे आहे की खरोखर जे मोजले जात आहे ते म्हणजे इन्फ्रारेड ब्राइटनेस स्पेक्ट्रमम्हणजेच, प्रकाशाची तीव्रता तरंगलांबीनुसार कशी बदलते. त्या स्वाक्षरीचे वायूंच्या अचूक यादीत रूपांतर करण्यासाठी अधिक निरीक्षणे आणि काळजीपूर्वक मॉडेल ट्यूनिंग आवश्यक आहे. सध्यासाठी, सिग्नल जोरदारपणे उष्णता वाहक पट्टा आणि नगण्य वायूच्या आवरणाकडे निर्देश करतो.
अल्पकालीन आणि मध्यमकालीन योजनांमध्ये गोळा केलेल्या डेटाच्या संपूर्ण संचाचा वापर करणे समाविष्ट आहे—जवळजवळ चार कक्षांवरील फरकांसह—एक तयार करण्याचा प्रयत्न करण्यासाठी ग्रहाभोवतीचा थर्मल नकाशातापमान कसे वितरित केले जाते याचा अशा प्रकारचा "व्हिडिओ" असल्याने वारे, वातावरणाची उभ्या रचना आणि थोड्याशा नशिबाने, त्याच्या रचनेची काही वैशिष्ट्ये अधिक चांगल्या प्रकारे परिभाषित करण्यास मदत होईल.
मॅग्मा आणि वायूमधील नाजूक संतुलन: वातावरण कसे टिकू शकते
समजून घेणे ही मोठी डोकेदुखी आहे. इतके दूषित वातावरण कसे टिकून राहिले? अब्जावधी वर्षांपासून. TOI-561 b ज्या अंतरावर आहे त्या अंतरावर, तारकीय किरणोत्सर्ग आणि उच्च-ऊर्जा कण वायूंना अवकाशात सोडण्यास अनुकूल असतात, ही प्रक्रिया, सामान्य परिस्थितीत, अखेर वायूचा आवरण रिकामा करते.
विचारात घेतलेले मुख्य गृहीतक म्हणजे मॅग्मा महासागर आणि वातावरण यांच्यातील गतिमान समतोलव्यापक भाषेत सांगायचे तर, काही अस्थिर घटक आतील भागातून वायूच्या थरात बाहेर पडतात, दुसरा अंश अवकाशात हरवतो आणि काही भाग प्रचलित दाब आणि तापमानानुसार मॅग्मामध्ये परत विरघळतो.
हे चक्र इतके दिवस सक्रिय राहण्यासाठी, ग्रह असणे आवश्यक आहे विशेषतः अस्थिर पदार्थांनी समृद्ध पृथ्वीच्या तुलनेत. या अंतर्गत जलाशयामुळे वायूंचे तुलनेने कार्यक्षमतेने पुनरुज्जीवन शक्य होईल, जेणेकरून वातावरण पूर्णपणे बाष्पीभवन होणार नाही, परंतु त्याच्या इतिहासात ते एका लक्षणीय, जरी कदाचित परिवर्तनशील पातळीवर राखले जाईल.
इतर यंत्रणा ज्या योगदान देऊ शकतात, जरी तरीही सट्टेबाजीवर आधारित असल्या तरी, त्यात समाविष्ट आहे कमी संवेदनशील वातावरणीय रचना तारकीय भडिमार किंवा चार्ज केलेल्या कणांचे उत्सर्जन कमी करणारे चुंबकीय क्षेत्रांची उपस्थिती ही शक्यता आहे. सध्या, या घटकांचे कोणतेही थेट पुरावे नाहीत, म्हणून ते सैद्धांतिक शक्यतांच्या क्षेत्रातच आहेत.
काहीही असो, इतक्या प्राचीन आणि अतिरेकी ग्रहावर सध्याच्या दाट वातावरणाच्या अस्तित्वामुळे, मॉडेल्सचा काळजीपूर्वक आढावा घेणे आवश्यक आहे. वातावरणातील वायू आणि अंतर्गत पुनर्वापरआतील भाग आणि पृष्ठभाग यांच्यातील रचना, वस्तुमान आणि संबंधाच्या योग्य अटी पूर्ण झाल्यास जे एकेकाळी जवळजवळ अशक्य मानले जात होते ते आता व्यवहार्य वाटू लागले आहे.
खडकाळ बाह्यग्रहांच्या अभ्यासासाठी TOI-561 b का महत्त्वाचे आहे?
पहिल्या दृष्टीक्षेपात, TOI-561 b हे राहण्यायोग्य उमेदवाराच्या विरुद्ध आहे: औद्योगिक भट्टीचे तापमान, लावाचा महासागर आणि भयंकर विकिरणतथापि, त्याचे वैज्ञानिक मूल्य प्रचंड आहे कारण ते दाखवते की जेम्स वेब दुर्बिणी शोधू शकते आणि सुपर-अर्थ्सवरील वातावरणाचे वर्णन करणे, एक प्रकारची वस्तू जी अलिकडेपर्यंत आपल्या क्षमतेच्या पलीकडे होती.
बाह्यग्रहांवर काम करणाऱ्या युरोपियन आणि आंतरराष्ट्रीय समुदायासाठी, हे प्रकरण एक खिडकी उघडते ग्रह निर्मिती आणि उत्क्रांतीच्या मॉडेल्सची तुलना करा. सौर मंडळापेक्षा वेगळ्या रासायनिक वातावरणात. आकाशगंगेच्या जाड डिस्कशी संबंधित अशी जुनी प्रणाली, टाइम कॅप्सूल म्हणून काम करते जी बद्दलचे संकेत जतन करते आकाशगंगा खूपच लहान असताना अशा जगांची निर्मिती कशी झाली?.
च्या दृष्टिकोनातून दीर्घकालीन राहण्यायोग्यताTOI-561 b चे उदाहरण तंतोतंत उपयुक्त आहे कारण ते एक टोकाचे चिन्हांकित करते. अशा कठोर वातावरणात वातावरण कसे टिकून राहू शकते (किंवा सतत स्वतःची पुनर्बांधणी करू शकते) याची चांगली समज घेतल्यास, सूर्यासारख्या ताऱ्यांभोवती समशीतोष्ण झोनमध्ये फिरणाऱ्या ग्रहांसह, काहीसे कमी टोकाचे ग्रह काय घडते याचे मूल्यांकन करण्यासाठी अधिक परिष्कृत निकषांना अनुमती मिळेल.
या प्रकारच्या निरीक्षणांमधून मिळालेला अनुभव सध्याच्या आणि भविष्यातील युरोपियन मोहिमांसाठी देखील महत्त्वाचा आहे, जसे की चीप्स, प्लेटो किंवा एरियलबाह्यग्रह आणि त्यांच्या वातावरणाचे वैशिष्ट्यीकरण करण्यावर लक्ष केंद्रित केले. TOI-561 b सारखे प्रकरण विश्लेषण तंत्रांसाठी आणि संख्यात्मक मॉडेल्सच्या विकासासाठी चाचणी ग्राउंड म्हणून काम करते जे नंतर जैविक दृष्टिकोनातून संभाव्यतः अधिक मनोरंजक जगांवर लागू केले जातील.
शेवटी, TOI-561 b ही एक नैसर्गिक प्रयोगशाळा बनत आहे जिथे सिद्धांतांची चाचणी घेतली जाते वातावरण, भूगर्भशास्त्र आणि अंतर्गत गतिशीलता अत्यंत परिस्थितीत. केवळ एक विचित्र कुतूहल असण्याऐवजी, ते जळलेल्या ग्रहांपासून ते द्रव पाण्याचे महासागर असलेल्या खडकाळ ग्रहांच्या संपूर्ण कुटुंबाची चांगली समज मिळविण्यासाठी मौल्यवान माहिती प्रदान करते.
लावा आणि दाट हवेच्या या ग्रहाची कहाणी हे स्पष्ट करते की, शक्यतेच्या मर्यादेजवळ असलेल्या जुन्या प्रणालींमध्येही, निसर्ग अपेक्षांना आव्हान देण्याचे मार्ग शोधतो: अ अति उष्ण जगात लवचिक वातावरण हे आपल्याला आपले मॉडेल्स सुधारण्यास भाग पाडते आणि आपल्याला आठवण करून देते की ज्ञात बाह्य ग्रहांच्या कॅटलॉगमध्ये आश्चर्यांसाठी अजूनही भरपूर जागा आहे.
