أغلفة الكواكب الخارجية لجيمس ويب

تعزف الأوركسترا بأقصى قوتها، وفي الصف الثالث يهمس أحدهم. وسماع هذه الهمسة هو التحدي الذي واجه astronomers عند النجم HR 8799: فأربعة عمالقة غازية ساطعة تحجب الضوء الخافت لكوكب خامس محتمل يختبئ قريبًا جدًا من النجم. نظام HR 8799 ساحة اختبار للرصد المباشر للكواكب الخارجية.

التلسكوب الفضائي جيمس ويب وجّه عدساته نحو العالم الصخري الملتهب 55 كانكري e، فرصد غلافًا غازيًا كثيفًا. أما الكوكب الأكثر برودةً TRAPPIST-1 b، الذي يدور حول قزم أحمر خافت، فلم يُرصد له غلاف جوي: صخرة عارية. الصورة جاءت معكوسة: الكواكب الحارة تحتفظ بغلافها الجوي، والباردة تفقده.

نجمان — AF Lep A و ε Indi A — أصبحا محط اهتمام علماء الفلك. باستخدام مطياف GHOST على تلسكوب Gemini، قام العلماء بتحليل ضوئهما إلى ألوانه، ومن خلال خطوط الامتصاص حددوا كميات الكربون والأكسجين والكبريت وثلاثة عشر عنصرًا آخر في أجواء النجمين. هذا يشبه معرفة مكونات الوقود من لون اللهب: كل عنصر يترك بصمة فريدة في الطيف.

في مارس 2023، وجّه التلسكوب الفضائي جيمس ويب أدواته نحو المذنب قصير الدورة 81P/وايلد 2. هذا الجرم السماوي، الذي يعادل حجمه حجم مدينة صغيرة (نصف قطر نواته حوالي 1.77 كم)، معروف جيدًا لدى العلماء: ففي عام 2006، اخترق مسبار ستارداست ذيله وجمع عينات من الغبار، دُرسَت لاحقًا في مختبرات الأرض.

2,41 ساعة. هذا هو بالضبط طول اليوم على SIMP 0136 — الكوكب العائم بحرية يبعد عنا 6,1 فرسخ فلكي. هذا ضعف مسافة بروكسيما سنتوري. كتلته تتراوح بين 12,7 و17,8 كتلة مشترية، وهو على الحدود بين كوكب ونجم. جيمس ويب رصده لمدة 1,2 دورة، ملتقطاً التحليل الطيفي كل بضع دقائق. آلاف الأطوال الموجية — كخيوط في كتلة متشابكة هائلة.

حافة الكشاف. بمجرد إزالة الضوء المبهر للنجم المركزي، يظهر مسرح الظل. كورونوغراف جيمس ويب، مثل ستارة كثيفة، حجب نجم تي دبليو هايدري – وعلى مسرح طوله 120 وحدة فلكية (أربعة أضعاف المسافة إلى نبتون) لعب قرصه التنامي دوره.

الماء ليس نوعًا واحدًا. فليس فقط عذبًا أو مالحًا، بل قد يكون «ثقيلًا» أيضًا — إذا احتوى جزيئه على الديوتيريوم، وهو نظير الهيدروجين الأثقل، بدلًا من الهيدروجين العادي. يُطلق على هذا الماء اسم HDO، وهو بمثابة جواز سفر كوني حقيقي: فمن خلال كمية الديوتيريوم في الماء، يمكننا معرفة أين ومتى وُلد هذا الماء.

بين الكواكب الخارجية المتوهجة التي تدور على مسافة خطيرة من نجومها، يكمن سر النشأة. منذ ما يقرب من ثلاثة عقود، اكتشف ميشيل مايور وديدييه كيلو أول عالم من هذا النوع، ومنذ ذلك الحين يحير علماء الفلك سؤال: كيف ينتهي المطاف بعملاق غازي ملتصقًا بوجه نجمه؟ التكوّن المباشر هناك غير وارد – حرارة شديدة، ومواد…

عندما يحلل تلسكوب JWST ضوء كوكب خارجي بعيد إلى طيف، فهو يقرأ سجلاً كيميائيًا. لكن هذا السجل ليس حقيقة متجانسة، بل هو غلاف جوي تعيد كتابته باستمرار إشعاعات النجم. مهمة الفلكيين هي استعادة الرسالة الجيولوجية الأصلية، والمفتاح لفك الشيفرة هو مركبات الكبريت.

يحمل ضوء النجم البعيد همهمةً صامتة لأغلفة الكواكب التي تدور حوله. كان التقاطه لفترة طويلة أشبه بتمييز الهمس وسط شلال هادر. لكن مع ظهور التلسكوب فائق الكبر (ELT) البالغ قطره 39 مترًا، ومطياف ANDES بدقة 100,000، لم تعد هذه المهمة مستحيلة. أصبح كل كوكب الآن أشبه بوتر في أوركسترا كونية ضخمة.

عندما يموت نجم، يتحول إلى قزم أبيض — كرة كثيفة من الكربون والأكسجين بحجم الأرض. هذه الأجرام التي تنبأ بها سوبراهمانيان تشاندراسيخار، طالما اعتُبرت مقابر خالية من الحياة. لكن الكواكب الخارجية تعيد كتابة هذا السيناريو: الكواكب العملاقة تنجو من عذاب اللهيب الأحمر للعملاق الأحمر وتواصل الدوران حول الرماد.

تلسكوب جيمس ويب أطلّ على عالم ثنائي غريب. في هذا العالم، نجم ميت — قزم أبيض — يشوي رفيقه ببطء، القزم البني. الجسم المسمى ZTFJ0038+2030 يُكمل دورة كاملة في بضع ساعات فقط. جانب واحد من القزم البني مواجه دائمًا للقزم الأبيض، مثل القمر بالنسبة للأرض. لأول مرة، بنى علماء الفلك منحنى ضوئيًا كاملاً لمثل هذا الثنائي.

على بعد مئات السنين الضوئية منا يوجد كوكب يبدو كمرآة عملاقة. يعكس LTT9779b معظم الضوء الساقط عليه — أكثر بكثير مما كان متوقعاً لجسم بحجم نبتون. طالما تساءل الفلكيون ما الذي يجعله لامعاً إلى هذا الحد: ضباب معدني كثيف أم طبقة غيوم. ساعد تلسكوب جيمس ويب في حل اللغز.

على بعد 158 سنة ضوئية منا، حول نجم خافت قزم أحمر يدعى TOI-6894، يدور كوكب ببطء. ويكمل دورة كاملة حول نجمه في أقل من يومين أرضيين، لكنه عالم بارد نسبياً، درجة حرارته التوازنية نحو 420 كلفن، أي أدفأ قليلاً من حمام البخار. هذا العملاق الكوكب الخارجي TOI-6894 b، يطابق حجم زحل تقريباً، وإن كان أخف وزناً بشكل ملحوظ.

عالم تستمر فيه السنة يومًا ونصف فقط من أيام الأرض، ونجم في سمائه أكبر بمئات المرات من شمسنا. هذا هو KELT-9 b، عملاق غازي محمى إلى درجات حرارة تتبخر عندها الحديد. غلافه الجوي ليس مجرد سخونة، بل يغلي حرفيًا ويتسرب إلى الفضاء، مثل بخار فوق مرجل ضخم. حتى الآن، كان هذا الهروب يُلاحظ فقط من خلال الظل: ذرات الهيدروجين تمتص ضوء النجم عندما يمر الكوكب أمامه.

الكوكب WASP-121 b ليس مجرد كرة حارة. إنه عالم تتبخر فيه الحديد وتتوهج سماؤه بحرارته الذاتية. نظرة جديدة إليه ساعدتنا على فهم "المكونات" التي تشكل منها.

كوكب WASP-121 b هو عملاق غازي تصل حرارته إلى 2500 درجة مئوية. إنه يواجه النجم بوجه واحد على الدوام، مثل كرة أرضية ثابتة تحت مصباح. ولكن عندما يعبر أمام قرص النجم، يكشف دورانه لنا جوانب مختلفة — كما لو أن هذه الكرة الأرضية تدور ببطء لتسمح لنا بإلقاء نظرة على كل زواياها.

ينزلق كوكب عبر قرص النجم – ويصبح للحظة بمثابة مصباح يدوي. فهو يغطي جزءًا صغيرًا من السطح، مما يتيح رؤية تفاصيل كانت لتختفي عن الأنظار لولا ذلك. وبهذه الطريقة، تمكن علماء الفلك من النظر إلى أعماق البقع الداكنة على نجم V1298 الثور – وهو توأم شاب لشمسنا. وقد ساعدهم في ذلك التلسكوب الفضائي جيمس ويب وثلاثة كواكب عملاقة في مداره. البقع على النجوم ليست مجرد نقاط.

غلاف تيتان الجوي، الذي اكتشفه كريستيان هويجنز، هو ضباب كثيف لا يمكن للتلسكوبات العادية اختراقه. ومع ذلك، فإن التحليل الطيفي — وهو أسلوب يفكك الضوء إلى تردداته — يكشف في هذا الضباب عن «نوافذ» ضيقة من الشفافية حيث يمكن لأشعة الإشعاع تحت الحمراء أن تمر دون عوائق تقريبًا.

خرطوم إطفاء يصيب كومة ثلج. الماء لا يزيح الثلج فحسب، بل عند نقطة الاصطدام تتطاير رذاذ وبخار ويحدث دوي. هذا تقريبًا ما تفعله النفاثات — تيارات ضيقة من المادة تنطلق من محيط الثقب الأسود بسرعة هائلة. عندما يصطدم مثل هذا التيار بسحابة من الغاز بين النجمي، فإنه لا يخترقها، بل يولّد موجة صدمة تضغط الغاز وتجعله يتوهج.

الأقزام الحمراء حدادون لا يكلون لمصائر الكواكب. إشعاعها، مثل المطرقة، يطرد الأغلفة الغازية، تاركًا فقط نوى صخرية عارية. في أعماق كوكبة هرقل، حول القزم M الخافت GJ 3929، يدور عالم بحجم 1.5 من حجم الأرض - مثل قطعة شغل على سندان. تمر السنة هنا في 2.6 يوم، ونصف الكرة النهاري يسخن إلى 640 كلفن: يعلم علماء المعادن أن القصدير يذوب عند درجة الحرارة هذه.

تمكن علماء الفلك، باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي JWST (James Webb Space Telescope)، ولأول مرة، من دراسة الغلاف الجوي لكوكب خارجي كوكب خارجي فتي يُعرف باسم V1298 Tau c. هذا الكوكب هو أرض فائقة — أي كوكب كتلته أكبر من كتلة الأرض، لكنه أقل من كتلة العمالقة الغازية — ويبلغ عمره 23 مليون سنة فقط.

روضة أطفال، بعض الصغار فيها يشكلون قلاعًا من الرمل، بينما يلعب آخرون بالمكعبات. هكذا تقريبًا يبدو نظام النجم V1298 Tau: عمره 20 مليون سنة فقط — وبالمقاييس الكونية، خرج لتوه من الحضانة. حوله تدور عدة كواكب، واثنان منها، b وe، اتضح أنهما مختلفان بشكل مذهل. تلسكوب جيمس ويب نظر إلى أغلفتهما، وما رآه لا يشبه إخوة، بل جارين في صندوق الرمل بألعاب مختلفة تمامًا.

عندما يمر كوكب خلف حافة نجمه، يضيء النجم غلافه الجوي — تمامًا كما تضيء شمس الغروب السحب فوق الأفق. هذه اللحظة العابرة، التي تستمر بضع دقائق فقط، تحمل بصمة الغازات التي مر عبرها ضوء النجم. وجّه علماء الفلك تلسكوب SPIRou نحو نظام WASP-33: حيث يكمل كوكب خارجي من نوع المشترى الحارق دورة كاملة حول نجمه في 1.2 يوم أرضي فقط.

قدر ضغط يغلي فيه الحمم البركانية، مغطى بغطاء كثيف من الغاز. هكذا تقريبًا تُبنى كواكب نبتون الفرعية (sub-Neptunes) — وهي كواكب كثيرة في الأنظمة النجمية الأخرى، لكنها غير موجودة في نظامنا الشمسي. تحت غلاف جوي سميك من الهيدروجين، يتموج محيط صهاري ملتهب. وهو ليس صامتًا: فالمواد الكيميائية من الأعماق تتسرب إلى الهواء وتترك فيه "بصماتها".

في الحزام الجليدي خلف مدار نبتون، رصد علماء الفلك حدثًا نادرًا: الجسم (612533) 2002 XV93 حجب نجمًا بعيدًا للحظات. هذه الظاهرة، المعروفة بالاحتجاب، هي أساس طريقة العبور — عندما يمر جسم سماوي أمام نجم، فيُخفت ضوءه للحظة، مثل ذبابة أمام مصباح.

البخار المتصاعد من قدر يغلي يلوّن ضوء مصباح يدوي قليلًا: يوقف بعض الألوان ويسمح بمرور البعض الآخر. هكذا تقريبًا يدرس العلماء هواء الكواكب البعيدة. عندما يمر كوكب أمام نجمه، يخترق جزء ضئيل من ضوء النجم غلافه الجوي، وتترك الجزيئات خطوطًا داكنة في الطيف — "بصمات أصابعها" الخاصة.

يتسلل ضوء نجم بعيد عبر الغلاف الغازي لكوكب، ويحاول علماء الفلك تخمين مم يتكوّن هذا الغلاف. هكذا تُدرس أغلفة عوالم لا يمكن لمسها. عندما يمر الكوكب أمام قرص نجمه، يعترض حجابه الغازي جزءًا من الأشعة للحظات. وفي ذلك الضوء، تبقى بصمات الذرات والجزيئات كظلال صغيرة — لكل منها نمط فريد.

الكوكب WASP-121 b دائمًا يواجه نجمه بجانب واحد، مثل حجر في النار. الجانب النهاري محمى لدرجة أن الهيدروجين المألوف — ذلك الذي يشكل معظم الكون — لا يتحمل: جزيئاته تتمزق إلى ذرات منفردة، ودرجة الحرارة تنقلب رأسًا على عقب: كلما ارتفعنا، زادت الحرارة. هذا مشتري حارق للغاية يبعد 850 سنة ضوئية عنا.

وجّه علماء الفلك تلسكوب جيمس ويب نحو كوكب خارجي صخري هو LHS 3844 b — عالم يدور حول نجم غريب، حيث تستغرق سنته 11 ساعة فقط. الكوكب يواجه نجمه بوجه واحد دائمًا: الجانب النهاري يعاني حرارة أبدية تصل إلى 770 درجة مئوية، بينما يغرق الجانب الليلي في ظلام جليدي.

كوكب عملاق معلّق في الفضاء في عزلة تامة، مبتعدًا عن نجمه بمسافة تبلغ 160 ضعف المسافة بين الشمس وبلوتو. يصل ضوء النجم الأم إليه ضعيفًا لدرجة أن درجة الحرارة على سطحه لا تتجاوز 200 درجة مئوية — تقريبًا مثل جو ساونا مُحمّاة جيدًا. هذا هو COCONUTS-2b، أحد أبرد العوالم المعروفة خارج النظام الشمسي.

الرياح الشمسية — وهي تيار من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس — تصطدم بالغاز المخلخل الذي يملأ الفضاء بين النجوم. وينشأ عن هذا الاصطدام توهج ضعيف في الأشعة السينية. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا التوهج أشبه بضباب أمام مصابيح السيارة الأمامية: فهو يحجب رؤية الأجسام البعيدة.

رائحة الخبز الطازج تدل بلا خطأ على قرب المخبز. لكن لفهم ما إذا كان الخبز يُخبز في هذه اللحظة، الأهم ليس التقاط الرائحة نفسها، بل التقاط زيادتها — التدفق المستمر للهواء الساخن من الفرن. هذا التشبيه اليومي يساعد على فهم ثورة في البحث عن حياة خارج الأرض على الكواكب الخارجية — كواكب خارج النظام الشمسي.

عالم رفض لسنوات أن يُظهر وجهه. كوكب GJ 1214 b هو مثل هذه الحالة تمامًا. إنه أكبر من الأرض لكنه أصغر من نبتون، وغطاؤه الكثيف جعل غلافه الجوي غير مرئي للتلسكوبات: ضوء النجم كان يمر عبره دون أن يترك بصمات واضحة. لكن إصرار علماء الفلك وجهاز جديد حساس قدما أول خيط. باستخدام مطياف CRIRES⁺ على التلسكوب الكبير جدًا في تشيلي، رصد العلماء ثماني مرات عبور الكوكب أمام نجمه.

مقلاة محمّاة على الموقد تتوهج في الظلام، لكن إذا غطيتها بغطاء، يخرج الحرارة ببطء ويبدو سطحها أقل سطوعًا. هذا تقريبًا ما يحدث على كوكب HD 3167 b: فهو دائمًا يواجه نجمه بجانب واحد، والجانب النهاري محمّى لدرجة تذوب عندها الصخور. توقع الفلكيون رؤية صخرة عارية تشع حرارة، لكن تلسكوب جيمس ويب أظهر أن الكوكب يضيء بشكل أضعف بشكل ملحوظ.

ضوء النجم البعيد ليس ثابتًا أبدًا. إنه يرتجف مثل الهواء فوق الأسفلت الساخن. عندما وجّه علماء الفلك جيمس ويب نحو النجم TOI 700، رأوا هذا الارتجاف بوضوح خاص: كل 16 دقيقة يتغير السطوع بجزء ضئيل — 46 جزءًا من المليون فقط.للمقارنة: إذا وضعت مصباحًا على بعد كيلومتر منك، فإن هذا التغير يعادل ما يحدث عندما تهبط ذرة غبار على زجاجه. هذه التموجات ليست عطلًا في الجهاز.

عندما كوكب خارجي — كوكب خارج النظام الشمسي — يحجب قرص نجمه للحظات، يخترق ضوء النجم غلافه الجوي ويمتص "نكهته" الكيميائية. هذه التقنية — طريقة العبور: رصد الانخفاضات الطفيفة في سطوع النجم عند مرور الكوكب أمام قرصه — هي أساس عمل مرصد جيمس ويب الفضائي.

ضوء نجم بعيد، أثناء مروره عبر غلاف كوكب K2-18b، ترك "بصمات" غير عادية في الطيف. جمع علماء الفلك هذا الضوء لمدة 420 ساعة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وحللوه إلى ألوانه مثل قوس قزح. في الصورة الناتجة، رأوا خطوطًا لا يمكن الخلط بينها وبين أي شيء آخر: هكذا تظهر الجزيئات التي يعرفها كل من سمع عن القنب.

عندما يمر كوكب أمام نجمه، يخترق الضوء غلافه الجوي ويمتص طعم الغازات. يترك كل غاز في الضوء بصمته اللونية — لمسة مرّة أو حلوة. يحاول العلماء قراءة هذه الوصفة: أي مواد وبأي نسب اختلطت في هواء عالم غريب. كانت الحواسيب السابقة تجرب ملايين الخيارات عمياء، كطبّاخ يتذوق طبقاً معصوب العينين. تعمل شبكة إكسوفورمر العصبية كمتذوق خبير. تقترح بسرعة المكونات الرئيسية ونسبها.

سبع ساعات — هذه هي مدة العام على كوكب TOI-4552b. إنه يندفع حول نجمه أسرع من بعض الأقمار حول الأرض. النجم هو قزم أحمر خافت، أصغر من الشمس بأربع مرات، لكن الكوكب ملتصق به لدرجة أنه يتلقى حرارة أكبر بمئات المرات مما نتلقاه نحن. فريق من علماء الفلك تحقق من اكتشاف تلسكوب TESS الفضائي باستخدام عشرة تلسكوبات أرضية.