در جستجوی سیارات فراخورشیدی قسمت 1: سرعت شعاعی

سیارات فراخورشیدی را می‌توان به چندین روش شکار کرد. یکی از کارآمدترین روش‌هایی که تاکنون در این زمینه مورد استفاده قرار گرفته است؛ روش سرعت شعاعی می‌باشد که در ادامه آن را به اختصار توضیح می‌دهیم.

برای درک بهتر اندرکنش‌های گرانشی میان یک ستاره و یک سیاره، می‌توانید یک مسابقه‌ی طناب‌کشی را تصور کنید. در یک طرف یک ستاره با جرمی سنگین دارید که میدان گرانشی بسیار قوی دارد و در طرف دیگر یک سیاره دارید که بسیار کوچکتر بوده و به همین ترتیب گرانش بسیار کمتری نیز دارد.
معلوم است که چه کسی برنده‌ی این بازی خواهد شد. ستاره! به همین دلیل است که سیاره‌ها به دور ستاره‌ها می‌چرخند.
با اینکه سیاره کوچک است؛ اما باز هم مقداری نیروی گرانشی دارد و به این ترتیب روی ستاره‌ی میزبانش اثر می‌گذارد. البته این اثر در برابر اثری که ستاره روی سیاره می‌گذارد؛ کمتر قابل توجه است.

با نگاه به انیمیشن بالا، در نگاه اول همه چیز نرمال به نظر می‌رسد. یک ستاره‌ی بزرگ وجود دارد که سیاره‌ی کوچکی به دور آن می‌چرخد. اما اگر به ستاره نگاه کنید؛ می‌بینید که کاملا ثابت نیست و به مقدار کمی دور مرکز جرم مشترک خود و سیاره در یک مدار دایره یا بیضی شکل حرکت می‌کند. این اثر در این انیمیشن اغراق شده است. در حقیقت این گرانش سیاره است که سبب حرکت ستاره می‌شود.
به این ترتیب می‌توان نتیجه گرفت که هرچقدر سیاره بزرگتر باشد؛ اثر آن روی ستاره هم بیشتر خواهد بود. سیاره‌های کوچکی مانند زمین، تنها حرکت بسیار کمی را در ستارگان میزبان خود به وجود می‌آورند. سیاره‌های بزرگتر مانند مشتری، اثر بسیار بیشتری بر ستارگان خود می گذارند.
ما از حرکت یک ستاره می‌توانیم بفهمیم که آیا آن ستاره، سیاره‌ای دارد؟ چند سیاره در میدان گرانشی آن وجود دارد و این سیارات تا چه اندازه بزرگ هستند.
جستجو در داده‌های دوپلر
حرکت ستارگان برای یافتن سیارات فراخورشیدی بسیار کارآمد هستند. اما ما چگونه می‌توانیم ستارگان در حال حرکت را رصد کنیم؟
روشی که برای مشاهده‌ی این ستاره‌ها به کار می‌رود؛ «جابه‌جایی دوپلر» یا «طیف‌سنجی دوپلر» نام دارد. نام این اثر را از نام دانشمندی برداشته‌اند که آن را حدود 150 سال پیش کشف کرد.
همان‌طور که می‌دانید انرژی (صدا، امواج رادیویی، گرما و نور) به شکل موج حرکت می‌کند. مثل موجی که در انیمیشن فوق مشاهده می‌کنید. این امواج می‌توانند بر اساس جابه‌جایی جسمی که آنها را تولید می‌کند؛ فشرده شوند یا انبساط پیدا کنند (انتقال به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر یا بلندتر).
از نمونه‌های ملموس اثر دوپلر می‌توان به صدای آمبولانسی اشاره کرد که به شما نزدیک می‌شود و صدای زیری دارد. همچنین زمانی‌که آمبولانس از شما دور می‌شود؛ صدای آن بم می‌شود.
این اثر به این دلیل به وجود می‌آید که وقتی یک منبع انرژی مانند بلندگوی یک آمبولانس یا یک ستاره‌ی پرجرم سوزان به شما نزدیک می‌شود؛ طول موج‌ها فشرده و کوتاه می‌شوند و هنگامی‌که آن جسم از شما دور می‌شود؛ طول موج آن بسط یافته یا بلند می‌شود.
این تغییرات در طول موج بر نحوه‌ی درک و دریافت این انرژی که می‌بینیم یا می‌شنویم تاثیر می‌گذارد. هنگامی که امواج صوتی فشرده می‌شوند؛ صدا را زیر می‌شنویم و هنگامی‌که امواج نور مرئی فشرده می‌شوند؛ رنگشان متمایل به آبی می‌شود.
به همین ترتیب زمانی که امواج صوتی بسط پیدا می‌کنند (بلند می‌شوند)؛ صدای بمی را می‌شنویم و هنگامی‌که امواج نور مرئی بسط پیدا می‌کنند؛ رنگی متمایل به قرمز پیدا می‌کنند.
این تغییر رنگ را «انتقال به سرخ» و «انتقال به آبی» می‌نامند و دانشمندان از آن برای دیدن اینکه آیا یک جسم در آسمان به ما نزدیک یا دور می‌شود استفاده می‌کنند.

وقتی سیاره سبب حرکت ستاره در مدارش می‌شود و ستاره به ما نزدیک یا از ما دور می‌شود؛ بنابراین امواج نوری منتشر شده‌ی آن ابتدا کوتاه شده و سپس بلند می‌شود و همین پدیده سبب می‌شود رنگ نوری که می‌بینیم تغییر کند. اگر این جابه‌جایی به صورت منظم اتفاق بیفتد و در فواصل زمانی ثابتی از روز، ماه و یا سال تکرار شود؛ به این معنی است که این ستاره به آرامی در حال نزدیک یا دور شدن از زمین در یک چرخه‌ی منظم است. بنابراین به احتمال زیاد این پدیده به خاطر وجود جسمی اتفاق میفتد که به دور این ستاره در حال چرخش است و اگر جرم کمی داشته باشد؛ دانشمندان تشخیص می‌دهند که این جسم یک سیاره است.
مزایا
روش سرعت شعاعی اولین روش موفقی بود که برای پیدا کردن سیارات فراخورشیدی مورد استفاده قرار گرفت و تا به امروز نیز کارآمدترین روش موجود باقی مانده است. تا به حال 781 سیاره فراخورشیدی به کمک این روش کشف شده‌اند. گاهی نیز از این روش برای تایید سیارات فراخورشیدی که از روش‌های دیگر تشخیص داده شده‌اند استفاده می‌شود. موفقیت این روش از پیشرفته شدن روز افزون طیف‌سنج‌های به شدت حساسی حاصل شده است که قادرند کوچکترین حرکات ستاره‌ای را ثبت کنند. به طور مثال طیف‌سنج تیم شکار سیارات گئوف مارسی(Geoff Marcy) قادر است حرکت ستاره‌ای به اندازه‌ی 3 متر بر ثانیه را ثبت نماید. بنابراین بی‌دلیل نیست که این تیم بیش از نیمی از سیاره‌های فراخورشیدی شناخته شده تا به امروز را کشف کرده است.
بسیاری از ستاره‌شناسان و تلسکوپ‌های سراسر جهان از این روش برای کشف سیارات فراخورشیدی بهره می‌برند. اما دو رصدخانه‌ی مهمی که از این روش استفاده می‌کنند؛ تلسکوپ کک در هاوایی و دیگری لا سیلا در شیلی است.

معایب
یکی از ویژگی‌های اساسی روش سرعت شعاعی این است که به کمک آن نمی‌توان جرم یک سیاره‌ی دور دست را به صورت دقیق اندازه‌گیری کرد؛ بلکه تنها می‌توان تخمینی از کمینه‌ی جرمی آن به دست آورد. این مسئله مشکل بسیار مهمی برای شکارچیان سیارات محسوب می‌شود. زیرا محاسبه‌ی جرم، معیاری است که تعیین می‌کند این جرم آیا یک سیاره است یا یک ستاره‌ی کوچک. برخی ستاره‌شناسان عقیده دارند که حداقل بعضی از سیاره‌های کشف شده از طریق طیف‌سنجی اصلا سیاره نیستند؛ بلکه ستار‌هایی بسیار کم جرم می‌باشند.
علت مشکلی که در این روش وجود دارد این است که این روش تنها جابه‌جایی ستاره را نسبت به زمین می‌سنجد. البته اگر لبه‌ی صفحه‌ی مداری این سیستم سیاره‌ای به سمت زمین دیده شود؛ دیگر این مشکل وجود نخواهد داشت. در این صورت کل حرکت ستاره به صورت دور شدن یا نزدیک شدن به زمین خواهد بود و با یک طیف‌سنج حساس قابل آشکارسازی است. به همین ترتیب جرمی که تحت این شرایط به دست می‌آید کاملا دقیق است.
اما اگر صفحه‌ی مداری این سیاه رو به زمین باشد؛ کل حرکت ستاره عمود بر خط دید ناظر خواهد بود. در این شرایط اگر ستاره در صفحه‌ی مداریش به طور قابل توجهی حرکت کند؛ هیچ بخشی از حرکت آن به صورت دور شدن یا نزدیک شدن به زمین دیده نمی‌شود و در نتیجه هیچ انتقال طیفی نیز مشاهده نخواهد شد و ناظر زمینی متوجه حضور سیاره در اطراف آن ستاره نمی‌شود.

در بسیاری از موارد وقتی صفحه‌ی مداری یک سیاره از زمین مشاهده می‌شود؛ نه از لبه دیده می‌شود و نه رو به زمین قرار دارد. بیشتر آنها با زاویه نسبت به دید ناظر قرار گرفته‌اند که معمولا شناخته شده نیست. این بدان معنی است که طیف‌سنج نمی‌تواند کل حرکت ستاره را اندازه بگیرد؛ بلکه تنها قادر است مولفه‌هایی از حرکت آن را مورد بررسی قرار دهد که به سمت زمین قرار گرفته است. در این شرایط جرم سیاره‌ی مورد نظر به طور مستقیم با حرکت ستاره در ارتباط است. اگر تنها بخشی از این حرکت مشاهده شود (که معمولا هم همین اتفاق میفتد)؛ جرم محاسبه شده کمتر از مقدار واقعی آن خواهد بود و تنها کمینه‌ای از جرم جسم را به دست می‌دهد.
بخشی از جرم این سیاره‌ی دوردست را می‌توان توسط صفحه‌ی مداری آن که از زمین مشاهده می‌شود محاسبه کرد. اگر زاویه‌ی میل (زاویه میل زاویه‌ای است که صفحه‌ی مداری این سیستم ستاره‌ای با صفحه‌ی مداری زمین می‌سازد) صفحه‌ی مداری که رو به زمین قرار دارد i باشد؛ آنگاه مولفه‌ای که در یک خط نسبت به زمین قرار دارد با (sin (i محاسبه می‌شود. به این ترتیب جرم سیاره‌ی مورد مشاهده با رابطه‌ی (M*Sin (i به دست می‌آید. اگر مقدار i بزرگ باشد؛ به این معنی است که سیستم نزدیک به حالتی قرار دارد که لبه‌ی صفحه‌ی مداری آن رو به زمین باشد. به این ترتیب جرم به دست آمده نزدیک به مقدار واقعی خواهد بود. اما اگر مقدار i کوچک باشد؛ یا به عبارت دیگر سیستم نزدیک به حالتی باشد که صفحه‌ی مداری آن رو به زمین قرار داشته باشد؛ آنگاه جرم واقعی آن سیاره، بسیار بیشتر از مقدار تخمینی خواهد بود.
تنها در موارد بسیار کمی ستاره‌شناسان می‌توانند زاویه‌ی میل را به درستی اندازه‌گیری کنند. همین موضوع سبب می‌شود این احتمال وجود داشته باشد که برخی از این اجرام برای سیاره بودن بیش از حد پرجرم باشند.
یکی دیگر از معایب این روش این است که بیشتر سیاره‌هایی که به این روش کشف می‌شوند؛ به احتمال بسیار کمی می‌توانند از حیات پشتیبانی کنند. در ابتدا بیشتر سیاره‌های شناخته شده به وسیله‌ی طیف‌سنجی جز انواعی از سیارات محسوب می‌شدند که دانشمندان آنها را «مشتری داغ» نامگذاری کرده بودند. آنها سیارات غولی بودند که مانند همسایه‌ی ما، مشتری، بیشتر از گاز تشکیل شده بودند؛ اما در فاصله‌ی بسیار کمی از ستاره‌ی خود در حال گردش به دور آن بودند. اندازه، پریودهای کوتاه (مدت زمان یک گردش کامل به دور ستاره) و فاصله‌ی کم آنها از ستاره‌شان نشان می‌داد که حرکت‌های سریع و نسبتا بزرگی را در ستاره‌ی میزبان خود ایجاد می‌کردند که به راحتی از طریق طیف‌سنجی قابل مشاهده بود. سیاره‌های سردتر در فواصل دورتری به دور ستاره‌های خود می‌چرخند و به این ترتیب حرکات ستاره‌ای متعادل‌تری را ایجاد می‌کنند و سال‌ها طول می‌کشد که یک دور کامل به دور ستاره‌ی خود بزنند. اینها عواملی هستند که مشاهده‌ی این سیارات را به وسیله‌ی طیف‌سنجی بسیار سخت می‌کند.
اما با اینکه پیدا کردن «مشتری‌ها داغ» بسیار آسان است؛ احتمال بسیار کمی وجود دارد که آنها میزبان حیات به شکلی که ما می‌شناسیم باشند. حتی بدتر از آن حضور آنها در مرکز یک سیستم سیاره‌ای سبب می‌شود که سیاره‌هایی مانند زمین در آن اطراف وجود نداشته باشند. به عبارت دیگر هنگامی‌که اکتشافات به دست آمده از طریق طیف‌سنجی وجود و پراکندگی سیارات فراخورشیدی را مورد بررسی قرار می‌دهد؛ بیشتر سیستم‌های کشف شده از طریق این روش با احتمال بسیار کمی میزبان حیات خواهند بود.

منبع: planetary , nasa exoplanet