در جستجوی سیارات فراخورشیدی قسمت 2: روش گذر

در روش گذر دقیقا همان اتفاقی می‌افتد که در خورشیدگرفتگی مشاهده می‌کنیم. همان‌طور که می‌دانید این اتفاق زمانی می‌افتد که ماه، مستقیما از جلوی خورشید می‌گذرد و جلوی نور رسیده از آن به ما را می‌گیرد. در پدیده‌ی «گذر» یا «عبور» نیز وقتی یک سیاره، بین یک ناظر و ستاره‌ای که به دور آن می‌چرخد قرار بگیرد؛ جلوی قسمتی از نور رسیده از ستاره را می‌گیرد. به این ترتیب روشنایی آن ستاره کاهش خواهد یافت.

با اینکه این پدیده تغییر کوچکی در نور رسیده از ستاره ایجاد می‌نماید؛ اما آنقدر مهم است که ستاره‌شناسان آن را نشانه‌ای از حضور یک سیاره‌ی فراخورشیدی در اطراف یک ستاره دوردست می‌دانند. اگر این کاهش نور در فواصل زمانی ثابت اتفاق بیفتد و مدت مشخصی به طول بیانجامد؛ آنگاه احتمال اینکه یک سیاره در حال گردش به دور آن ستاره باشد و یک بار در هر دوره‌ی مداری از جلوی آن عبور کند بسیار بالاست.

نموداری که در سمت چپ انیمیشن می‌بینید؛ منحنی نوری نام دارد. این نمودار تغییرات نور مشاهده شده از ستاره در گذر زمان را نشان می‌دهد. هنگامی که یک سیاره از مقابل یک ستاره می‌گذرد و جلوی بخشی از نور آن را می‌گیرد؛ منحنی نوری این افت روشنایی را به خوبی نشان می‌دهد. در انیمیشن فوق گذر یک سیاره از مقابل ستاره‌ی میزبان را مشاهده می‌کنید.

سنجش اندازه

مقدار و مدت یک گذر، اطلاعات زیادی را در مورد سیاره‌ی در حال گذر در اختیار ما می‌گذارد. سیارات بزرگتر بیشتر جلوی نور منتشر شده را می‌گیرند. بنابراین مینیمم منحنی نوری نیز در این شرایط عمیق‌تر خواهد شد. می‌توانید این تفاوت را برای اندازه‌های مختلف سیارات در انیمیشن زیر مشاهده کنید.

در انیمیشن فوق گذر دو سیاره با اندازه‌های متفاوت از مقابل ستاره‌ی میزبان را مشاهده می‌کنید. به عمق مینیمم در منحنی نوری دقت کنید. دانشمندان با بررسی و مقایسه‌ی عمق این مینیمم‌ها به اندازه‌ی سیاره پی می‌برند.
از طرفی هرچقدر یک سیاره از ستاره‌ی مادر دورتر باشد؛ مدار آن بزرگتر بوده و در نتیجه مدت زمان بیشتری طول می‌کشد تا از جلوی ستاره‌ی خود عبور کند. بنابراین هرچقدر گذر بیشتر طول بکشد؛ در می‌یابیم که آن سیاره در فاصله‌ی دورتری از ستاره‌اش قرار گرفته است. این پدیده در منحنی نوری به صورت یک خط ثابت  در نقطه‌ی مینمم مانند انیمیشن زیر دیده می‌شود.

اندازه‌ی سیاره‌ی میزبان را می‌توان با دقت قابل توجهی به کمک طیف‌سنجی و نورسنجی (فوتومتری) محاسبه کرد. به این ترتیب ستاره‌شناسان می‌توانند با تقریب خوبی اندازه‌ی سیاره‌ی در حال گردش را به دست آورند؛ اما به اطلاعاتی در زمینه‌ی جرم آن دست نخواهند یافت. همین مسئله باعث می‌شود که روش نورسنجی به عنوان روش تکمیل کننده‌ای برای روش طیف‌سنجی به کار گرفته شود. روش طیف سنجی تقریبی از جرم ستاره را در اختیار ستاره‌شناسان قرار می‌دهد؛ اما در محاسبه‌ی اندازه‌ی آن هیچ کمکی نمی‌کند. با استفاده از هر دوی این روش‌ها و ترکیب جرم و اندازه‌ی سیاره، دانشمندان می‌توانند چگالی سیاره را به دست بیاورند و همین موضوع کمک شایانی به تشخیص ترکیبات سازنده‌ی این سیاره می‌کند.
ترکیبات اتمسفری سیارات فراخورشیدی

روش گذر، تنها در کشف سیارات کاربرد ندارد؛ بلکه اطلاعاتی در مورد ترکیبات جوی آن سیاره یا درجه حرارت آن را نیز در اختیار ما قرار می‌دهد.
هنگامی که یک سیاره‌ی فراخورشیدی از مقابل ستاره‌ی خود عبور می‌کند؛ بخشی از نور ستاره وارد جو آن می‌شود. دانشمندان می‌توانند با تحلیل طیفی این نور، اطلاعاتی را در زمینه‌ی ترکیبات جوی آن سیاره به دست بیاورند. در چنین شرایطی هنگامی که نور ساطع شده از ستاره، از جو این سیاره عبور می‌کند؛ در طول موج‌های مختلفی جذب می‌شود. این «طیف جذبی» بسته به نوع گازی که در اتمسفر این سیاره وجود دارد متفاوت است. به این ترتیب دانشمندان می‌توانند با مشاهده‌ی گذر در طول موج‌های مختلف، طیف جذبی این سیاره را بازسازی کرده و به ترکیبات سازنده‌ی آن پی ببرند. آنها به کمک این روش موفق شده‌اند ترکیباتی هچون متان و بخار آب را در سیارات دیگر بیابند

مزایا

در حال حاضر نورسنجی گذر، موثرترین و حساس‌ترین روش برای کشف سیارات فراخورشیدی محسوب می‌شود. ماموریت کپلر که در مارس 2009 راه‌اندازی شد؛ از روش نورسنجی برای جستجوی این سیارات بهره برد. حساسیت نورسنج کپلر به حدی زیاد است که موفق شده تا کنون هزاران کاندید سیاره‌ای را بیابد. در میان این کاندیدها چندین سیاره با اندازه‌ای مشابه اندازه‌ی زمین وجود دارد که در منطقه‌ی قابل سکونتی نسبت به ستاره‌شان قرار گرفته‌اند. تاکنون هیچ روشی پیشنهاد نشده که بتواند این حجم از اطلاعات را در اختیار ستاره‌شناسان بگذارد و یا به این اندازه حساس باشد.
از طرفی این روش اطلاعات فراوانی را در اختیار دانشمندان می‌گذارد که از روش‌های دیگر قابل دستیابی نیست. همان‌طور که اشاره شد؛ میزان تغییر روشنایی ستاره در هنگام گذر با اندازه‌ی سیاره رابطه‌ای مستقیم دارد. از آنجا که اندازه‌ی ستاره را به صورت نسبتا دقیقی می‌دانیم؛ می‌توانیم با توجه به این تغییر روشنایی اندازه‌ی سیاره را نیز به دست آوریم.
وقتی این اطلاعات را با اطلاعات به دست آمده از روش سرعت شعاعی ترکیب کنیم؛ تقریب خوبی از جرم آن سیاره به دست خواهد آمد. همان‌طور که قبلا در این صفحه اشاره کردیم؛ اگر لبه‌ی صفحه‌ی مداری سیاره، به سمت ناظر زمینی قرار گرفته باشد؛ حداقل جرمی که به وسیله‌ی روش سرعت شعاعی به دست می‌آید جرم نسبتا صحیحی خواهد بود. حال از ترکیب این جرم و اندازه‌ی به دست آمده، می‌توان چگالی سیاره را معین کرد که خود عامل مهمی در به دست آوردن ترکیبات تشکیل دهنده‌ی آن محسوب می‌شود.
دانشمندان علاوه بر گذر اولیه، به مشاهده‌ی گذر ثانویه نیز علاقمندند. گذر اولیه مربوط به اولین باری است که سیاره از جلوی ستاره‌ی میزبان می‌گذرد. گذر ثانویه مربوط به زمانی است که سیاره از دید ناظر زمینی به طور کامل پشت ستاره پنهان می‌شود. دانشمندان می‌توانند با مقایسه و کم کردن طیف سیاره در این دو حالت طیف اصلی ستاره را به دست بیاورند.

معایب
مهمترین مشکل این روش این است که برای انجام آن حتما باید پدیده‌ی گذر اتفاق بیفتد. متاسفانه چنین چیزی برای بیشتر سیارات فراخورشیدی اتفاق نمی‌افتد. برای اینکه شاهد یک گذر باشیم؛ باید لبه‌ی صفحه‌ی مداری سیاره و ستاره رو به زمین باشد و این موضوع تنها برای تعداد کمی از سیارات فراخورشیدی موجود صادق است. باقی این سیارات را نمی‌توان به کمک روش نورسنجی مشاهده نمود.
مشکل دیگری که وجود دارد این است که گذر یک سیاره، تنها کسر زمانی کوچکی از دوره‎ی مداری آن سیاره را در برمی‌گیرد. ماه‌ها یا سال‌ها طول می‌کشد تا سیاره یک دوره کامل به دور ستاره‌اش بچرخد. این در حالی است که گذر تنها چند ساعت تا چند روز به طول می‌انجامد. در نتیجه برای اینکه بتوانند از حضور سیاره‌ای در اطراف یک ستاره مطمئن شوند؛ باید چندین گذر در فواصل زمانی ثابت را مکررا مورد بررسی قرار دهند.
تجربه در نورسنجی گذر نشان داده است که در این روش امکان اشتباه گرفتن ستاره‌های دوتایی، با گذر یک سیاره از مقابل ستاره‌ی میزبانش وجود دارد. در حالت عادی تنها یک روش است که تفاوت میان این دو را نشان می‌دهد: سیاره به دلیل کوچکتر بودن نسبت به یکی از ستارگان سیستم دوتایی، مینمم بسیار کم‌عمق‌تری در منحنی نوری ایجاد می‌کند.

اما گاهی ممکن است وقتی از زمین به یک سیستم دوتایی نگاه می‌کنیم؛ هر دو ستاره بسیار نزدیک به هم دیده شوند و به همین دلیل تمایز این دو ستاره از یکدیگر تبدیل به کار دشواری خواهد شد. در چنین شرایطی ستاره‌ی در حال عبور سیستم دوتایی، مینیمم بسیار کم عمقی در منحنی نوری ترکیبی سیستم ایجاد می‌کند و به همین دلیل ممکن است از زمین به نظر برسد که یک سیاره در حال عبور است.
استراتژی‌های جستجو
برای اینکه بتوانیم سیاره‌های در حال گذر را در لحظه‌ی عبور پیدا کنیم؛ باید گستره‌ی وسیعی از آسمان و تعداد زیادی از ستارگان را به صورت مداوم و در مدتی طولانی زیر نظر بگیریم. تحت این شرایط احتمال اینکه برخی از این ستارگان سیاره‌ای داشته و آن سیاره در حال عبور از میان زمین و آن ستاره باشد بسیار زیاد است.
بدیهی است که هیچ ستاره‌شناسی نمی‌تواند به تنهایی این کار را حتی با حساس‌ترین تجهیزات اندازه‌گیری نور ستارگان انجام دهد. چنین کاری تنها از عهده‌ی تلسکوپ اتوماتیکی برمی‌آید که طی زمان‌های طولانی با استفاده از این روش به بررسی نور دریافتی از ستارگان پرداخته و در پی سیارات در حال گذر می‌گردد. چندین پروژه با چنین هدفی در سراسر جهان در حال اجراست.
چند پروژه‌ی نورسنجی
کپلر فضاپیمایی است که مانند یک رصدخانه از طریق نورسنجی به بررسی ستارگان می‌پردازد. این فضاپیما در مارچ 2009 پرتاب شده و تا ژانویه‌ی 2013 توانست بیش از 2700 کاندید را برای سیارات فراخورشیدی پیدا کند.

نورسنج کپلر به صورت مداوم دامنه‌ای شامل 145000 ستاره را مورد بررسی قرار می‌دهد. اگر هرکدام از این ستاره‌ها را به صورت تکی رصد کنیم؛ احتمال بسیار کمی وجود دارد که تحت شرایط گذر دیده شوند. اما چون تعداد ستارگان تحت بررسی بسیار زیاد است؛ می‌توان تعداد زیادی از این گذرها را مشاهده کرد.
CoRoT ماموریت فضایی مشترک آژانس فضایی فرانسه (CNES) و آژانس فضایی اروپا (ESA) بود که در دسامبر 2006 با هدف یافتن سیارات فراخورشیدی در حال گذر به فضا پرتاب شد. این ماموریت اکتشافات زیادی را انجام داد که یکی از نمونه‌های آن کشف سیاره‌ای سنگی با قطری دو برابر قطر زمین بود . کشف این سیاره در فوریه‌ی 2009 اعلام شد. این ماموریت در 2 نوامبر 2012 به پایان رسید.
همچنین تحقیقات بسیاری که از تلسکوپ‌های زمینی مانند TrES، OGLE، HAT و WASP توانسته‌اند صدها هزار ستاره را در زمینه‌ی وجود سیارات فراخورشیدی مورد بررسی قرار دهند.
با توجه به تعداد سیاراتی که از این طریق کشف شده‌اند؛ احتمال می‌رود که این روش از سایر روش‌ها در پیدا کردن این‌گونه سیارات پیشی بگیرد.

منبع: planetary , nasa exoplanet