الكواكب الغير شمسية : Exo-planets

بواسطة محمد مسعود
22/03/2017

الكواكب الغير شمسية : Exo-planets

لآلاف السنين والحضارات، مع وجود بعض الاستثناءات القليلة، بعد ما عرف العالم أن الارض ليست مسطحة ولكنها بيضاوي، لم يعترف العالم بوجود النظام الشمسي. وقد ظن الجميع أن كوكب الارض هو مركز الكون ويدور حوله النجوم بما فيهم الشمس والكواكب والأقمار التي ظنوا أنها اشباحٌ أو قوى روحية تحوم حول هذا الكوكب. بالرغم من ذلك، فقد كان هناك العديد من العلماء والفلاسفة الذين تنبأوا بوجود نظام شمسي وبدلائل أن هذا الكوكب ليس مركزًا للكون. فقد كان الفيلسوف اليوناني (أريستارخوس ساموس – Aristarchus of Samos) هو أول من وضع نظام الترتيب الشمسي، وكان (نيكولاس كوبرنيكوس – Nicolaus Copernicus) هو أول من اثبت صحة الترتيب الشمسي رياضيًا، ومشى على خطاهما علماء في القرن الـ۱٧ مثل: (غاليليو غاليلي – Galileo Galilee) و(يوهانز كبلر – Johannes Kepler) و(إسحاق نيوتن – Isaac Newton). وقد وضع هؤلاء العلماء الفهم الحديث للفيزياء والذي أدى إلى القبول التدريجي لفكرة أن الارض تدور حول الشمس، وأن الكواكب الآخرى تخضع لنفس القوانين التي يخضع لها كوكب الارض. ففي الآونة الأخيرة، أدى ذلك إلى التحقيق في الظواهر الجيولوجية مثل الجبال والحفر والظواهر الجوية الموسمية مثل الغيوم والعواصف الترابية، والقمم الجليدية على كواكب أخرى.

وقد ظهر المصطلح (المجموعة الشمسية – Solar system) رسميًا باللغة الانجليزية عام ۱٧۰٤ بعد العديد من البحوث والأدلة على صحة هذا النظام. وفي سنة ۱٧۰٥ أدرك عالم الفلك (إدموند هالي – Edmond Halley) أن هناك مذنبٌا من الممكن مشاهدته من على سطح الارض كل ٧٥-٧٦ سنة، ويقترب من الأرض في جولات متزامنة، و هذا دليل أن هذا المذنب لا يدور حول كوكب الأرض وإنما يدور حول الشمس.

منذ بداية عصر الفضاء، تم إجراء الكثير من عمليات التنقيب التي قامت بها بعثات فضائية آلية تم تنظيمها وتنفيذها من قبل وكالات الفضاء المختلفة.

وقد تم حتى الآن زيارة جميع الكواكب في النظام الشمسي باستخدام المركبات الفضائية التي تُطلق من على سطح الأرض. من خلال هذه البعثات من دون طيار، كان الإنسان قادرًا على الحصول على صور مُقربة لجميع الكواكب، وأيضًا لإجراء اختبارات للتربة وأجواء بعض هذه الكواكب.

ولكن في هذا الوقت لم يدرك العالم أن المجموعة الشمسية جزءٌ صغيرٌ جدًا لا يكاد يذكر من الكون، ولم يدرك أن الشمس ما هي إلا نجمٌ مثل النجوم الصغيرة المتلألئة التي نراها في الليل و أن كل واحدة فيهم تُكوّن مجموعتها الخاصة ويحوم حولها العديد من الكواكب والمذنبات إلا في النظريات وكانت فكرة وجود كوكب يدور حول نجم بعيد لا يزال في عالم الخيال العلمي.

وأخيرًا تم اكتشاف أن هذه القصص والنظريات حقيقة وليست خيال وتم اكتشاف أول كوكبين خارج المجموعة الشمسية في عام ۱۹۸۸، وقد تم الإعلان عن هذا الاكتشاف عام ۱۹۹۲. فقد وجد العلماء كوكبين يدوران حول (نجم نابض – Pulsar : وهي اختصار لPulsating radio star وهو عبارة عن (نجم نيوتروني – Neutron star : وهو عبارة عن قلب منهار لنجم كبير جدًا أنهى مدت حياته) الذي ينبعث منه أشعة كهرومغناطيسية). فمنذ اكتشاف هاذين الكوكبين الغير الشمسيين، تسابق العلماء ليكتشفوا المزيد من هذه الكواكب والنجوم البعيدة التي أظهرت لهم أن هذا الكون أكبر مما كان يظن الجميع حتى اكتشفنا المئات منهم، ومع التطورات العصرية أصبح اكتشاف المزيد من هذه الكواكب ليس بالصعب.

لقد سميت هذه الكواكب ب (الكواكب الغير شمسية – Exo-planets) وهي الكواكب التي تدور حول نجم آخر غير الشمس. وتتراوح أحجام هذه الكواكب من أكبر من كوكب المشترى إلى أصغر من الأرض. ويمكن لهذه الكواكب أن تدور حول نجومها على بعد أي مسافة، فهناك بعض الكواكب الغير شمسية التي تدور قريبًا جدًا من نجومها حتى أن سطح هذه الكواكب يكون ساخنًا جدًا حتى أنه كافي لإذابة الحديد!. وبعض الكواكب الغير شمسية تدور على مسافة معقولة من نجومها حتى تكون الحرارة معتدلة على هذا السطح فيكون الماء سائل سطحها ويمكن أن يكون هذا الكوكب الغير شمسي صالح للحياة.

ولعلك تساءلت كيف لهؤلاء العلماء أن يكتشفوا تلك الكواكب البعيدة جدًا التي إذا وضعت الأرض بجانب تلك المسافة بينها وبين هذه الكواكب الغير شمسية فلا تراها إلا نقطةً ضائعة في هذه المسافة الكبيرة. ففي حقيقة الأمر فإنه من الصعب رؤية هذه الكواكب مباشرةً من على سطح الأرض. لأنها صغيرة جدًا و خافتة، فإنها تضيع بسهولة على مرأى ومسمع النجوم الساطعة التي تدور حولها. لذلك نحن غالبًا ما نستخدم وسائل غير مباشرة للعثور عليهم، ومنهم:

(طريقة العبور – Transit method):

حيث نقيس بعناية درجة سطوح النجم على مدى فترة طويلة من الزمن، والبحث عن الانخفاضات الدورية لدرجة سطوع النجم التي تحدث إذا مر كوكبٌ ما من أمامه. وتوضع درجات سطوح النجم مع الزمن في رسم بياني حتى تظهر أماكن الانخفاض، حيث أن شدة الانخفاض في بعض الاحيان تكون دليلًا على حجم هذا الكوكب الذي يعارض الأشعة الخارجة من النجم، فقط إذا عرفنا حجم النجم والمسافة بينه وبين الكوكب الذي يدور حوله.

تتراوح النجوم في أحجامها، ولكن معظم النجوم في مجرتنا أصغر بكثير من الشمس. فلقد اعطى العلماء هذه النجوم اسم (أقزام إم – M Dwarfs). وإذا كنا نبحث عن الكواكب الغير شمسية من خلال قياس مقدار الضوء الذي يصل إلينا من نجومهم، فإن أقزام إم هي النجوم المقترح دراستها للبحث عن المزيد من الكواكب الغير شمسية؛ ببساطة لأن هذه النجوم صغيرة جدًا مما يجعل أي كوكب مار أمامها ملحوظًا كل الملاحظة لأنه سوف يحجب جزء كبير جدًا من ضوء هذا النجم الصغير على عكس النجوم الكبيرة. وأيًضا هناك ميزة أخرى في دراسة أقزام إم، فإن هذه النجوم الصغيرة تمتاز بقلة درجة الحرارة نسبيًا مما يجعل احتمال ظهور الكوكب الذي تعتدل عليه درجة الحرارة ويعطي فرصة للحياة (شبيه الأرض – Exo-Earth) اكثر قرابة من النجم القزم، فبالتالي يسهل علينا ملاحظته نظرًا لأنه سوف يحجب المزيد من هذه الأشعة التي ترفع الستار من على هذه الكواكب البعيدة الخافتة.

ومع ذلك، هناك العديد من العيوب في طريقة العبور، حيث أنه من الواجب أن يصطف الكوكب المراد اكتشافه بشكل صحيح بين النجم والأرض. وكلما بَعِد مسار الكوكب عن الشمس لانخفضت فرصة اكتشاف هذا الكوكب لأنه لن يستطع حجب الكثير من الأشعة الصادرة من النجم في هذه الحالة، مما يصعب علينا اكتشافه. تشير الحسابات أنه لكي نعثر على كوكب بنفس حجم الارض ويدور حول نجم ما ويبعد عن هذا النجم بنفس المسافة التي يبعد عنها كوكب الأرض عن الشمس (حوالي ۹۳ مليون ميل)، هناك فقط فرصة بنسبة ٤٧.۰% أنه سيكون الكوكب في المحاذاة الصحيحة لكي يسبب عتمًا ملحوظًا للأشعة القادمة من النجم.

وأيضًا من مشاكل طريقة العبور أنه من الممكن أن تقودنا النتائج إلى معلومات ليست صحيحة. فمن الممكن أن تُحجب الأشعة الصادرة من أي نجم بأي شيء من غبار أو أي مواد أخرى تقع بين هذا النجم والأرض. فقد وجدت إحدى الدراسات أنه ما يصل إلى ۳٥% من الكواكب الكبيرة التي تدور بالقرب من شمسها الموثقة في (بيانات كيبلر – Kepler data) قد تكون غير موجودة في الواقع؛ لذلك سعى العلماء وراء البحث عن طرق أخرى أكثر دقة وسهولة للبحث عن المزيد من الكواكب الغير شمسية.

(السطوع الدوري – Orbital brightness):

ففي بعض الحالات، يدور الكوكب حول نجمه فيتسبب في ارتفاع كمية الضوء الواصلة للأرض بدلًا من أنخفاضها. ففي هذه الطريقة يشترط أن يكون الكوكب قريبًا جدًا من النجم الذي يدور حوله حتى تنبعث منه كميات ملحوظة من الإشعاع الحراري.

على الرغم من أننا لسنا قادرين على التمييز إذا كانت الأشعة الواصلة الي الأرض من النجم أو من كوكب يدور حوله، ولكن إذا راقبنا هذا النجم لفترة طويلة من الوقت، فإذا كان الكوكب الذي يدور حوله في المحاذاة الصحيحة فسوف يتعرض لنا في تسلسل منتظم من المراحل (شبيهة لمراحل القمر). لذلك، الإرتفاع الدوري المنتظم في كمية الضوء التي تتلقاها التلسكوبات الفضائية من هذه النجوم يمكن أن تستخدم للاستدلال على وجود كوكب ما يدور حول هذا النجم.

على غرار طريقة العبور، فإنه من السهل اكتشاف كواكب كبيرة في مدارات قريبة من نجومها مع هذه التقنية. على الرغم من أن أعداد الكواكب التي اُكتشفت بهذه الطريقة ليست بالكثيرة، لكن قد يدوم استخدام هذه الطريقة مدةً طويلة؛ لأنها أكثر إنتاجية؛ لأنها لا تشترط أن يكون الكوكب الغير شمسي بيننا و بين النجم الذي يدور حوله مباشرةً للكشف عنه، مما يفتح مجال أوسع بكثير من الاكتشافات الممكنة.

(السرعة الشعاعية – Radial velocity):

فنحن نعرف أن الكون في حالة غير ثابتة. وأن الأكبر حجمًا يحصل على قوة جاذبية أقوى ويستطيع أن يتحكم في من هو أضعف منه وجعله يدور حوله بحكم قوانين الجاذبية، ولكن هذا لا يمنع أن جاذبية الأضعف لا تؤثر على الأقوى. تستطيع الكواكب التي تمتلك كتلة كبيرة أن تحرك النجوم التي تدور حولها وإن كانت هذه الحركة بسيطة جدًا، وهذا يفسر خروج مسار الكواكب عن المسار الدائري (أي بيضاوي). فقد استخدم علماء الفلك هذه الانتقالات الدورية المنتظمة البسيطة للنجوم دليلًا على وجود كواكب غير شمسية جديدة تدور حول هذه النجوم الغير ثابتة، وقد استفادوا من هذه الظاهرة لاكتشاف مئات الكواكب الخارجية، وحتى وقت قريب عندما تفوقت عليها طريقة العبور، وكان أسلوب السرعة الإشعاعية المسؤول الرئيسي عن اكتشاف غالبية الكواكب الخارجية.

قد يبدو من الصعب قياس التحركات الطفيفة للنجوم التي تبعد مئات من السنوات الضوئية، ولكن اتضح أنه يمكن للفلكيين أن يكتشفوا الكواكب الغير شمسية بسهولة عندما يتحرك نجم نحو (أو بعيدًا عن) الأرض بسرعات منخفضة تصل إلى متر واحد في الثانية الواحدة بسبب (تأثير دوبلر – Doppler effect : هو عبارة عن ظاهرة تتعلق بالموجات من الموجات الصوتية أو الضوئية لغيرها من الموجات الكهرومغناطيسية. حيث تظهر هذه الموجات بتردد أعلى من ترددها الحقيقي إذا كان مصدر هذه الموجات يقترب نحو المشاهد بسرعةٍ ما، ويقل تردد هذه الموجة إذا كان المصدر يبعد عنه).

درجة الحركة للنجم يمكن أن يكشف عن كتلة الكوكب. وبمعرفة نصف قطر الكوكب (محسوبة من خلال طريقة العبور)، فهذا يمكن أن يسمح للعلماء بتحديد كثافة الكوكب، وبالتالي معرفة تكوينه (إذا كان عملاق الغازي أو إذا كان كوكب صخري، على سبيل المثال).

تخضع هذه الطريقة لبعض القيود أيضًا، فإنه من الواجب اكتشاف كواكب كبيرة الحجم التي تدور حول نجوم صغيرة حتى يظهر تأثير هذه الكواكب على النجوم، وذلك لن يقدم يد العون للباحثين عن اكتشاف الكواكب الغير شمسية التي تشبه الأرض وتمنح فرصة الحياة على سطحها خصوصًا في التعامل مع هذه المسافات البعيدة، لأن كوكب الأرض يعتبر كوكبًا صغيرًا نسبيًا حتى يظهر له تأثيرُ واضح على أي نجم مهما كان حجمه.

(التصوير المباشر – Direct imaging):

في بعض الحالات النادرة، استطاع علماء الفلك العثور على كواكب خارج المجموعة الشمسية في أبسط طريقة ممكنة وهي من خلال رؤيتهم.

هذه الحالات نادرة جدًا لعدة أسباب، لتكون قادرًا على التمييز بين الكوكب من نجمه، فإنه يجب أن يكون نسبيًا بعيد عنه (فإنه من السهل أن نتصور أن عطارد، على سبيل المثال، سيكون من الصعب تمييزه من الشمس إذا حاولنا رؤيته بالتلسكوبات بالأشعة تحت الحمراء بسبب قربه الشديد لها). ولكن إذا كان كوكبًا بعيدًا جدًا عن نجمه، فستكون الأشعة الواصلة من النجم لنا شبه غير موجودة حتى يظهر الكوكب بوضوح تام.

الكواكب الخارجية التي يمكن أن نراها بسهولة باستخدام التلسكوبات يجب أن تكون من الكواكب الكبيرة (مثل المشتري) وساخنة جدًا، بحيث تعطي الكثير من الأشعة تحت الحمراء الخاصة بهم، والتي يمكن الكشف عنها بواسطة التلسكوبات واستخدامها لتمييزها عن نجومها. ويمكن أيضا أن نستغل سهولة كشف الكواكب التي تدور حول (الأقزام البنية – Brown dwarfs: الكائنات التي لا تصنف فنيًا من النجوم، لأنها ليست ساخنة أو ضخمة بما فيه الكفاية لتوليد تفاعلات الاندماج، وبالتالي تعطي القليل من الضوء) التي يتم الكشف عنها بسهولة كبيرة. كما تم استخدام التصوير المباشر للكشف عن بضعة (كواكب مارقة – Rogue planets) ضخمة تلك التي تطفو بِحرية في الفضاء، بدلًا من أن تدور حول نجم.

(عدسة الجاذبية – Gravitational lensing):

كل الطرق السابقة كان من السهل تخيلها وليس من الصعب لغير العلماء فهمها ومن السهل أخذها على الجانب البديهي. ولكن، ظاهرة عدسة الجاذبية تتطلب بعض التفكير الأكثر تجريدًا.

تخيل نجمًا بعيدًا جدًا، ونجم آخر حوالي نصف الطريق بينه وبين الأرض. في لحظات نادرة، النجمين قد يصطفا على خط واحد تقريبًا، حتى تظن أنهما تتداخلا تقريبًا ببعضهما الآخر في سماء الليل. عندما يحدث هذا، فإن قوة جاذبية النجم القريب تتصرف مثل عدسة مكبرة للضوء الواردة من نجم البعيد لأن الضوء يمر بالقرب من النجم القريب قبل الوصول إلينا. وقد شرح عالم الفيزياء الشهير (البرت اينشتاين -Albert Einstein) هذه الظاهرة وسبب حدوثها رياضيًا وفزيائيًا في كتابه الشهير عن (النسبية العامة – General relativity)، وقد ذكر فيه أنه يمكن لجاذبية الكواكب والنجوم وخاصةً الثقوب السوداء لشدة جاذبيتها أن تجذب الفوتونات الضوئية وبذلك تكون الجاذبية قادرة على أنحاء الضوء.

وباستخدام (محاكاة عدسة الجاذبية – Gravitational lensing simulator)، والتي تبين أن الضوء القادم من المجرات البعيدة لفترة وجيزة يتم تكبيره من قبل ثقب أسود في الوسط.

فإذا كان هناك نجم ما ويدور حوله كوكبٌ ما، فإذا راقبناهم حتى يكونوا في المحاذاة الصحيحة، فمن الممكن أن نرى آثار جاذبية الكوكب على الضوء الصادر من النجم على شكل تكبير للضوء وتغير في صورة هذا النجم وإن كان تغيرًا بسيطًا. فإن علماء الفلك قادرون على استنتاج وجود الكواكب البعيدة عن طريق ظاهرة عدسة الجاذبية وإنحناء الضوء.

وبعد اكتشاف العلماء لهذه الكواكب الغير شمسية الجديدة، تبدأ مرحلة الدراسة. فكيف نتعلم المزيد عن هذه الكواكب؟. يستخدم العلماء طريقة في التعرف على أحوال هذه الكواكب تسمى بـ (التحليل الانتقالي للطيف – transmission spectroscopy)، فتتلخص تلك الدراسة في دراسة الضوء الصادر من الأجسام بأنواعها، فعندما يمر كوكبٌ ما أمام نجمه، جزء صغير جدًا من الضوء الصادر من هذا النجم يمر عبر الغلاف الجوي للكوكب قبل أن يصل الينا. عن طريق قياس لون هذا الضوء بعناية فائقة، وعن طريق التحليل الطيفي لهذا الضوء الأبيض الصادر من النجم والمار بالكوكب لنرى الألوان التي امتصها الكوكب والألوان التي تركها تمر (الذي نسميه بالتحليل الطيفي الانتقالي)، يمكننا معرفة جزيئات المكونة للغلاف الجوي للكوكب. وعندما نحلل هذه القياسات، فتصبح كما لو كنا نراقب غروب الشمس على كوكب آخر!

أخيرًا وليس أخرًا، فمازال العلماء يبحثون عن المزيد من الطرق الأكثر دقة وسرعة للكشف عن أكبر عدد ممكن من الكواكب الغير شمسية لدارستها وللبحث عن شبيه الأرض حتى يمكنهم يومًا ما أن يزرعوا فيه الحياة إذا لم تدب فيه الحياة بالفعل، فإن كان ذلك، فسيفتح هذا علينا عالمًا جديدًا لم ندركه قبلًا وبابًا واسعًا من المعلومات الجديدة ودراسات لم يكن لها شبيه على كوكب الأرض.

إعداد: محمد مسعود
مراجعة وتدقيق لغوي: Nada N. Elmeligy
تحرير: ندى المليجي

المصادر:

https://www.cfa.harvard.edu/MEarth/Science.html