أنماط حلقية بأقراص الغبار النجمي

دراسة لنـــاسا توضح أن الأقراص لا تحتاج الكواكب لتشكيل الأنماط.

إن العديد من النجوم الشابة التي يُعتقد بأنها وطن لكواكب تمتلك أقراصا تحتوي الغبار و الحبيبات الجليدية, و الجسيمات الناتجة عن التصادم بين الكويكبات و المذنبات التي تدور حول النجم. هذه الأقراص الحطامية غالبا ما تبدي حلقات أو أنماط حلزونية محددة بشكل واضح جدا, و هذه المميزات يمكن اعتبارها إشارة على تواجد الكواكب التي تدور حول النجم. يدرس الفلكيون مميزات القرص على أنها طريقة للحصول على فهم أفضل للخواص الفيزيائية للكواكب المعروفة و تلك التي تم اكتشافها حديثا.
لكن الدراسة الجديدة من قبل العلماء في وكالة ناسا تبدوا تحذيرية فيما يتعلق بتفسير الحلقات و الأذرع الحلزونية على أنها إشارات على وجود الكواكب الجديدة. يمكن للقرص الحطامي و تحت شروط صحيحة أن ينتج حلقات ضيقة بالاعتماد على نفسه و دون الحاجة لوجود الكواكب, و الفضل في ذلك يعود إلى التفاعلات بين الغاز و الغبار.
يقول الباحث الرئيسي فلاديمير ليرا, و الحاصل على زمالة ساغان في مختبر الدفع النفاث في باسادينا, كاليفورنيا: “عندما تكون كتلة الغاز مساوية تقريبا لكتلة الغبار, فإنهما يتفاعلان بطريقة يمكن أن تقود إلى التكتل في الغبار و تشكيل الأنماط”. و يتابع: “بشكل جوهري, فإن الغاز يقود الغبار إلى تشكيل نوع من البنى التي نتوقع رؤيتها عند وجود الكواكب”.
تم نشر ورقة تصف الاكتشافات في 11-7-2013 في مجلة الطبيعة.

من السهل كشف الغبار الدافئ في الأقراص الحطامية عند الأطوال الموجية تحت الحمراء, و لكن تقدير محتوى الغاز في الأقراص يعتبر تحديا أكبر بكثير. و كنتيجة لذلك, تميل الدراسات النظرية للتركيز على دور الغبار و الجسيمات الجليدية, و يعيرون نسبيا القليل من الانتباه إلى المركبة الغازية. يجب أن تحتوي كل الأقراص الحطامية و عند بعض المراحل على بعض الكميات من الغاز, بسبب تبخرالحبيبات الجليدية و إنتاج التصادمات لكل من الغاز و الغبار.
يقول المؤلف المساعد مارك كوشنير, و هو عالم فيزياء فلك من مركز غودارد لرحلات الفضاء في غرينبلد, ما ريلاند: “كل ما نحتاجه لإنتاج الحلقات الضيقة و البنى الأخرى في نماذج الأقراص الحطامية لدينا هو القليل من الغاز, و هو قليل جدا ليتم اكتشافه من قبلنا في هذه الأيام, حتى في معظم الأنظمة الفعلية”.

إليك, كيف يعمل الأمر. عندما يقوم الضوء فوق البنفسجي عالي الطاقة بضرب تكتلا من الغبار و الحبيبات الجليدية, فإنه يقوم بدفع الالكترونات بعيدا عن الجسيمات. إن هذه الالكترونات عالية السرعة تقوم بعد ذلك بالتصادم مع الغاز الحار القريب منها.
إن الضغط المرتفع للغاز يغير من قيمة قوة الجر في الغبار الدائر, مؤديا بذلك إلى نمو التكتل و إلى تسخين أفضل للغاز. هذا التفاعل, الذي يشير الفلكيين إليه باللاستقرار الكهروضوئي, يستمر بالحدوث. تنمو التكتلات لتأخذ شكل أقواس, حلقات, و أشكال بيضوية خلال عشرات الاف من الأعوام, و هذا الزمن يعتبر قصير نسبيا مقارنة بالقوى
الأخرى العاملة في الأنظمة الشمسية الشابة.
تم تطوير نموذج من قبل ليرا و كوشنير يوضح هذه العملية خلال عملها.

يقول ليرا: “نحن مذهولين جدا لرؤيتنا هذه البنية و هي تتشكل ضمن عملية النمذجة”, و يتابع: “بعض الحلقات بدأ بالاهتزاز, و في أي لحظة يمكن أن تحصل على مظهر حلقات الغبار التي نراها حول العديد من النجوم, مثل نجم فم السمكة الكبير”.
بالإضافة إلى ذلك, تشكل أيضا خلال عملية النمذجة تكتلات كثيفة من الغبار فاقت بالعديد من المرات كثافة الغبار في أي مكان آخر في القرص. عندما يقوم تكتلا من الغبار في الحلقة بالنمو ليصبح كثيفا جدا, يمكن أن تحطم الحلقة إلى أقواس و تبدأ هذه الأقواس بشكل تدريجي بالانكماش حتى يبقى لدينا في النهاية تكتلا مضغوط و وحيد. في الأقراص الحطامية الفعلية, بعض من هذه التكتلات الكثيفة يمكن أن يقوم بعكس كمية كافية من الضوء ليصبح بذلك قابلا للرصد بشكل مباشر.
يضيف كوشنير: “سنكشف هذه التكتلات كمصادر ضوئية لامعة و متحركة, و هي تماما ما نقوم بالبحث عنه عندما نقوم بتقصي وجود الكواكب”.
استنتج الباحثون أن اللاستقرار الكهروضوئي يقدم شرحا بسيطا و معقولا للعديد من المميزات التي تم إيجادها في الأقراص الحطامية, الأمر الذي يجعل من عمل الفلكيين صائدي الكواكب أصعب بقليل فقط.

حــــول الصورة- يقارن هذا الرسم كتلة الغاز الموجودة في عدة أنظمة يتواجد فيها قرص حطامي و يوضح لنا أين تزادا أهمية اللا استقرار الكهروضوئي. إن أنظمة كنظام TW Hydrae تحتوي كمية كبيرة من الغاز بحيث يكون اللا استقرار مهمل جدا, و لكن يمكن أن يتواجد هذا التأثير و يرتقع كثيرا في المناطق الفارغة من الغاز نسبيا بالقرب من مركز القرص.

ترجمة : Feynman Physik
المصدر:
http://www.nasa.gov/content/nasa-study-shows-disks-dont-need-planets-to-make-patterns