ظاهرةٌ فلكيّة بسيطة، تعطينا معلوماتٍ عديدة حولَ الكواكب الخارجيّة

طريقة (القياس الضّوئي للعُبور) لاكتشاف الكَواكِب:

القياس الضّوئي للعُبور هو طريقةٌ تَكشِفُ عن الكَواكِبِ البعيدة عن طريق قياس خُفوتِ النّجم عندما يمرُّ أحدُ كَواكِبه بينَه وبينَ الأرض، ويُسمَّى مرورُ ذلك الكَوكَب بين النّجم والأرض بـ "العُبور". فإذا حَدَثَ هذا الخُفوت على فتراتٍ مُنتظَمةٍ مع استمرارِه لمدّةٍ ثابتة من الزّمن، فَمِنَ المُحتمَل جدّاً أنْ يشيرَ ذلك إلى وجود كَوكَبٍ يدورُ حولَ النَّجم، ويمرُّ من أمامه مرّةً واحدةً كل دورةٍ مداريّة.

إنّ خُفوتَ النَّجم خلالَ عمليَّة العُبور يعكِسُ مباشرةً نسبةَ الحجم بين النّجم والكَوكَب: فِإذا عَبرَ كَوكَبٌ صغيرٌ نجماً كبيراً فسيولِّدُ ذلك خُفوتاً طفيفاً لضوءِ النّجم، ولكن إذا ما عبرَ كَوكَبٌ كبيرٌ نجماً صغيراً فسيكون له تأثيرٌ أكثرُ وُضوحاً، ويُمكِنُ تحديدُ حجم النّجم المُضيف بدقّةٍ كبيرةٍ من خلال طيفه، ومن ثَمَّ يمكن للقياسات الضّوئيّة أن تعطي الفلكيّين تقديراً جيداً لحجم الكَوكَب المداري دون أن تقديراً لكتلته، ولكنَّ هذا يجعلُ القياسَ الضّوئي للعبورِ مُكمِّلاً مُمتازاً للطريقة الطّيفيّة التي تزوّدنا بتقديرٍ جيدٍ لكتلة الكوكبِ؛ ولكن دونَ حجمِه. ومن هنا؛ فاستخدامَ كِلا الطّريقتَين وتحديدَ كُتلة الكوكب وحجمه يُمكِّنُ العلماءَ من حسابِ كثافة الكوكب، وهي خطوةٌ هامّةٌ نحو تقييم تكوينه.

العُبور الكوكبي

تصويرٌ فنيٌّ لكوكبٍ خارجَ المجموعة الشّمسيّة بحجم كوكب المُشتري يمرُّ أمامَ النَّجمِ الأمِّ.

الإيجابيات

يُعَدُّ القياس الضّوئي للعُبور حالياً من أكثر الطّرائق فعاليّة ودقّة للكشف عن الكواكِبِ خارج المجموعة الشّمسيّة، وخاصّةً عن طريق المراصد الموجودة في الفضاء؛ فبعثةُ (كبلر) على سبيل المثال - التي أُطلِقَت في آذار من عام 2009 - تَستخدِمُ القياسَ الضّوئيَّ للعُبورِ للبحث عن الكواكبِ خارج المجموعة الشّمسيّة في الفضاءِ، وتحظى المركبةُ الفضائيّةُ لتلك البعثة بالدقّة الكافيةِ لاكتشافِ الآلاف من الكواكبِ المُحتمَلة، بما فيها كَواكِبُ بأحجامٍ تقاربُ حجمَ الأرض وتدور حول نجمها في نطاقٍ قابلٍ للحياة، ومن الجّدير بالذكر أنَّه لا توجَدُ طريقةٌ مقترَحةٌ أُخرى في الوقت الحالي يُمكنِها أن تعطي حجم البحث ذاتَه أو دقّتَهُ.

كما يُمكِن لعمليّة العُبور أن توفِّرَ للعلماء قدراً كبيراً من المعلومات عن الكوكبِ الّتي لا يمكن الحصول عليها بطريقة أخرى. ففي البداية؛ يتناسب "الانخفاض" في لمعان النّجوم أثناء العُبور مباشرةً مع حجم الكوكب، وبما أنّ حجمَ النّجم معروفٌ بدرجةٍ عاليّة من الدقّة، فيُمكِنُ استخلاصُ حجمِ الكوكبِ من خلال الدرجة التي يخفُتُ بها النّجم أثناء العُبور.

وبالإضافة إلى ذلك؛ تساعدُ بياناتُ السّرعة الشّعاعيّة[1] التي توفِّرُها عمليّة العُبور على الحصول على تقديرٍ جيدٍ لكتلة الكوكب؛ إذ يكونُ الكوكبُ العابرُ على الحافَّةِ المثاليّة بالنّسبة إلى مراقبٍ على الأرض، وفي ظلّ هذه الظروف؛ فإنّ الكتلة الدنيا التي توفِّرها عادةً قياساتُ السّرعة الشّعاعيّة هي في الواقع الكتلة الحقيقيّة للكوكب، وبِاقترانِ حجم الكوكب والكتلة معاً يُمكِنُ أن يزوَّدَنا العلماءُ بفكرةٍ حاسمةٍ بما يتعلق بتكوين الكوكب: ألا وهي كثافة الكوكب.

وعلاوةً على ذلك؛ يقدِّمُ لنا العُبورُ مزيداً من المعلومات، فعند مرور الضّوء المُنبعِثِ من النّجم  عبر الغلاف الجوي للكوكب يمتصُّ الغلافُ الجويُّ الضّوءَ بدرجاتٍ متفاوتةٍ حسبَ الأطوال الموجيّة المُختلفة، فيَنتجُ لدينا طيفٌ كهرومغناطيسي يسمى "طيف الامتصاص"، ويعبِّرُ هذا الطّيفُ عن الغازاتِ المُختلِفة الموجودةِ في الغلاف الجوّي لذلك الكوكب، ومن ثَمَّ ومن خلال رصد عُمقِ العُبور في أطوال موجيّة مختلفة يُمكِن للعلماء إعادةُ محاكاةِ طيف الامتصاص واستنتاجِ تكوين الغلاف الجوّي للكوكب.

وبالإضافة إلى العُبور "الأساسي" - الذي يحدث عندما يمرُّ كوكب أمام نجمِه - يهتمُّ العلماءُ أيضاً بـ "العُبور الثّانوي" الذي يحدث عندما يختفي الكوكب تماماً خلف نجمه كما يظهرُ عند رصده من الأرض. ومن خلال قياس التباين في الطّيف الضّوئي للنّجم مع اختفاء الكوكب وظهوره، يستطيعُ العلماءُ استنتاجَ الطّيف الفعلي للكوكب؛ وَمِنهُ يمكنُ استنتاجُ درجةِ حرارةِ الكوكب وتكوينِ غلافه الجوّي.

وأخيراً؛ يمكن لعمليات البحث للقياس الضّوئي للعُبور أنْ تعمل على نطاقٍ واسع في الفضاء الرَّحب، فعمليات البحث الجاريّة على الأرض مثل تريس (TrES) و أوغل (OGLE) وهات (HAT) وواسب (WASP)، بالإضافة إلى عمليات البحث الجاريّة في الفضاء مثل كبلر (Kepler) تشملُ قرابة مئة ألف نجمٍ في وقتٍ واحدٍ لرصد علاماتِ عبور الكواكب، وبالنَّظر إلى حجم عمليات البحث؛ فمن المرجّّح أن تتجاوزَ قريباً طريقة القياس الضّوئي للعُبور جميع الطّرائق الأُخرى في اكتشاف أعدادٍ هائلة من الكَواكِب.

تحليلُ عُبور الكوكب

بينما يتحرَّكُ الكوكبُ أمام نجمِه ينخفضُ لمعانُ النّجم، ثمَّ يعود إلى مستواهُ السّابقِ عندما تكتملُ عمليّةُ العُبور.

السّلبيات

تكمنُ الصّعوبةُ الرّئيسةُ لهذه الطّريقة في ضرورةِ أن يحدث عُبورٌ من أجل قياس التأثير الضّوئي، وهذا يعني أنَّ الكوكبَ البعيد يجبُ أن يمرَّ مباشرةً بين نجمه والأرض، ولسوء الحظِّ فإنّ ذلك لن يحدثَ ببساطةٍ لمعظم الكواكِبِ خارجَ المجموعة الشّمسيّة؛ إذ كي يحدثَ العُبورُ يجب أن يكون المستوى المداريّ "على الحافّة المثاليّة" تماماً بالنّسبة إلى المراقب، وهذا لا ينطبق إلّا على أقليّة صغيرةٍ من الكَواكِب البعيدة، في حين لا يُكشَفُ عن بقيّة الكَواكِب - للأسف - من خلال قياس العُبور الضّوئي.

وهنالك مشكلةٌ أُخرى تتمثَّلُ في أنَّ عُبورَ الكوكبِ لا يشمَلُ إلّا جزءاً ضئيلاً من مداره الكلي، فقد يستغرقُ الكوكبُ أشهراً أو سنواتٍ لإكمال مداره، لكنَّ عُبورَه قد يستمرُّ ساعاتٍ أو أيّاماً فقط. ونتيجةً لذلكَ؛ لا يُرَجَّحُ على الإطلاق أن يلاحظَ الفلكيّون عُبوراً يحدُثُ حتَّى عندما يراقبون نجماً مع كوكبٍ عابرٍ، وتزدادُ المشكلةُ تعقيداً عندما يحاول الفلكيُّونَ إثباتَ وجود كوكبٍ؛ إذ يجبُ عليهم تسجيلُ أكثرَ من عُبور متكرّرٍ على فتراتٍ منتظَمةٍ لا عُبوراً واحداً فقط.

وأخيراً؛ فقَد أظهرَتْ التّجربةُ مع القياسِ الضّوئيّ للعُبورِ أنَّ هذه الطّريقةَ قد ينتجُ عنها "إيجابيَّاتٌ كاذبةٌ"، وفي بعضِ الحالاتِ عندما يكون لدينا نظامٌ نجميٌّ ثنائيٌّ ويحدثُ عُبور لأحد النَّجمَين بالنّسبة إلى لأرض؛ يظهرُ لدينا خُفوتٌ في إضاءةِ النَّجم ممّا يعطينا تشخيصاً خاطئاً بوجود كوكب مداريٍّ حولَ النَّجم. وفي العادة يُسبِّبُ الكوكبُ الصّغير خُفوتاً طفيفاً في إضاءة النّجم، ويكون هذا الخُفوت صغيراً إذا ما قارناه بالخُفوت الذي يُسبِّبهُ نَجمٌ عابرٌ فيمكن التمييز بينهما، ولكن في بعض الأحيان يكونُ النَّجمان في النّظام الثنائي قريبَين جداً من بعضهما عند رصدهم من الأرض فنراهما نجماً واحداً، وهذا ما يزيدُ من صعوبةِ تمييزِ سبب خُفوت الضّوء القادم من النّجم، فقد يكون بسببِ كوكبٍ عابرٍ أو نجمٍ مرافِقٍ، ومن ثَمَّ نحصلُ على نتيجة خاطئة "إيجابيّة كاذبة".

استراتيجيّات البحث:

من أجل العثور على الكواكِبِ العابرة في لحظة العُبور يجبُ أن تغطّي عملياتُ البحث مساحاتٍ واسعةً من الفضاء باستمرارٍ ولفترات طويلةٍ من الزمن، إذ يُرَجَّحُ دائماً أنَّ لبعض النّجوم المراقَبة كواكِبُ تابعةٌ لها، وأنَّه - على الأقلّ - ستمرُّ بعضُ هذه الكَواكِب بين نجمها والأرض، وبالتالي فإنَّ مُراقبةَ مجموعةٍ مُعيَّنةٍ من النّجوم لفترةٍ طويلةٍ من الزمن يجعل ملاحظةَ وتسجيلَ كوكبٍ يعبُرُ نجمَه احتماليّة كبيرةً جداً، ويغدو واضحاً أنَّ أيَّ صائدٍ للكواكِبِ لا يستطيعُ إنجازَ هذه المَهمّةِ بمُفردِه، حتَّى وإنْ تجهّزَ بأكثرِ المُعدَّاتِ حساسيّةً لقياسِ إضاءة النّجوم، لذا فالتليسكوب الآلي وحدَه يستطيعُ تسجيلَ ملاحظاتِه على مدى فتراتٍ طويلةٍ من الزّمن، وسيكونُ قادراً على الكشف عن الكواكبِ بفعاليّةٍ باستخدام طريقة القياس الضّوئي للعُبور. ومن الجدير بالذكر أنّ هناك العديد من تلك المشاريع تُنفَّذُ حالياً في جميع أنحاء العالم.

أهم مشاريع القياس الضّوئي للعبور:

أُطلِقَ المرصدُ الفضائيُّ (كبلر) في آذار عام 2009، إذ عملَ منذ كانون الثاني من عام 2013 على تحديد أكثر من 2700 كوكبٍ خارج المجموعة الشّمسيّة، ويُتوَقَّعُ تأكيدُ أنّ غالبيّتها هي كواكِبُ بالفعل، ممَّا يجعل المرصد (كبلر) من أنجح تقنيات رصد الكواكِبِ حتّى هذه اللّحظة.

ويعملُ مرصدُ (كبلر) من خلال توجيه حسَّاسِهِ الضّوئي توجيهاً مستمرّاً نحوَ بقعةٍ محدَّدةٍ من السّماء تحوي على حوالي 145،000 نجمةٍ مختلفة، وربّما فرصةُ حدوث عُبورٍ لأيِّ نجمٍ منها ضئيلةٌ جدّاً، ولكن بسببِ كِبَرِ عدد النّجوم الّتي يجري تعقُّبها فإنَّ الآلافَ من عمليات العُبور تحدث وتُسَجَّلُ، وبفضلِ دقّة مرصد (كبلر) الاستثنائيّة؛ فقد اكتُشِفَت مئاتُ الكواكبِ القريبةِ من نجمٍ ما بحلولِ نهاية عام 2012، وكذلك فالعشراتُ منها تقعُ في النّطاقات القابلة للحياة.

وتجدر الإشارةُ إلى أنّ مرصد (كبلر) يتبَعُ الأرضَ وهي تدورُ حول الشّمس، ويستكملُ مداراً واحداً كل عام لمدّةِ أربعَ سنواتٍ على الأقل، وتُعَدُّ هذه الفترةُ الزّمنيّةُ كافيةً لِيتمكَّنَ مرصدُ (كبلر) من تعقُّب أربع حالات عُبور (على الأقل) للكواكِبِ التي تدورُ حول نجومِها بمسافات قريبةٍ من المسافة بين الأرض والشّمس.

وهناك بعثةُ كوروت (CoRoT) وهي بعثةٌ فضائيّةٌ مشتركةٌ لوكالةِ الفضاء الفرنسيّة (CNES) ووكالةِ الفضاء الأوروبيّة (ESA)، وقد أُطلِقت في كانون الأول عام 2006، وتهدفُ إلى الكشف عن الكواكِبِ العابرةِ خارجَ المجموعة الشّمسيّة، وقد حقَّقَتِ البعثةُ - بالفعل - عدّةَ اكتشافاتٍ؛ من بينها كوكبٌ صخريٌّ يبلغُ قُطرُه ضعف قُطر الأرضِ فقط، وقد أُعلِنَ عنه في شباط عام 2009، وفي ظل هذا الاكتشافِ؛ يأمَلُ العلماءُ أن يُعثَرَ على كواكِبَ أرضيّةٍ مُنخفضةِ الكُتلة وصغيرة الحجم وشبيهةٍ بالأرض في المستقبل القريب.

وتُنجَزُ معظمُ عملياتِ رصدِ الكواكبِ بالقياس الضّوئي للعُبور بواسطةِ التليسكوباتِ الأرضيّة الموجودة حالياً والمُجهَّزةِ بأدواتٍ ضوئيّة حديثةٍ ذاتِ دقّة عاليّة، ويقعُ أحدُ تلك التلسكوبات في معهد علم الكواكب (PSI) في ولاية أريزونا، وقد تلقَّى دعماً كبيراً من قبل جمعيّة الكَواكِب، وجديرٌ بالذّكر أنَّ هناك تحالفاً بين هذا المعهد وثلاثِ مؤسَّساتٍ أُخرى بهدفِ تطوير التّلسكوب المُستخدَمِ ذي الخمسين بوصة في مرصد (كيت بيك) وتحويلِه إلى تلسكوب بتقنيّة التحكُّم عن بعد (RCT)، ومع انتهاءِ التّركيب سيُصبح فريق (PSI) قادراً على استخدام التّلسكوب لفتراتٍ طويلةٍ لرصدِ العُبور الضّوئي للكَواكِب الموجودة خارج المجموعة الشّمسيّة.

المرصدُ (كِبلر) في الفضاء

تصويرٌ فنيٌّ للمرصد (كِبلر) في مدارِه حولَ الشّمس.

القياسُ الضّوئيُّ للعُبورِ بالنّسبة إلى هواةِ الفلك:

يحتاجُ اكتشافُ كوكبٍ جديدٍ باستخدام القياس الضّوئي للعُبور مُعدَّاتٍ احترافية متقدّمة جداً وكثيراً من الحظ، ولكنَّ مراقبةَ العُبور لكوكبٍ معروفٍ هي عمليّةٌ أسهلُ بكثيرٍ، إذ يعلمُ المراقبُ الهاوي بالمكانِ والتّوقيتِ المُناسبَين للمراقبة، ممّا يُمكِّنهُ من رصدِ تأثيرِ العُبور بسهولةٍ، وكذلك يُمكِنُ لهواة الفلك أن يلاحظوا عُبور كوكبٍ معروفٍ باستخدامِ المُعَدَّات المتوفِّرة تجاريّاً.

ففي أيّار من عام 2001 على سبيل المثال، حوَّلَ الآلاف من هواة الفلك في جميع أنحاء العالم تليسكوباتِهم نحو نجمٍ قزمٍ أحمر قريبٍ يُعرَف باسم (غليس 876)، ومن المعروف أنَّ هذا النّجم يدورُ حوله كوكبان، إذ اكتُشِفَ كلاهما باستخدام الطّريقة الطّيفيّة. وبسبب صِغَرِ حجم النّجم وكِبَر حجمِ الكوكبَين اللذَّين يدوران حوله كانَ خُفوت النّجم واضحاً عند عُبور الكوكبِ الأكبرِ أمامَه، ممّا مثَّلَ فرصةً للهواة في جميع أنحاء العالم لرصد العلامات المرئيّة لوجود كوكبٍ خارجَ المجموعة الشّمسيّة.

هامش [1]

بيانات السرعة الشعاعية:

إنَّ النجومَ التي تملكُ كواكبَ تدورُ حولَها لا تكون ثابتةً في مكانِها، بل تتحرَّكُ حركةً صغيرةً جداً نتيجةَ تأثيرِ الجاذبيَّة بينها وبين الكواكب، وعندما تتحرَّكُ هذه النجومُ يتغيَّرُ لونُها أثناءَ مراقبتِها من الأرض بفعل تأثير دوبلر، وعندما تبتعدُ النَّجمةُ عنّا يميلُ لونُها إلى أحمرَ قليلاً، وحينَ اقترابِها يميلُ لونُها للأزرق. ويملكُ الفلكيّون مُعَدَّاتٍ متطوِّرةً حسَّاسة بما فيه الكفاية لرصدِ هذه التغيُّراتِ في اللون، ومن ثَمَّ رصدُ هذه الحركةِ الصّغيرةِ للنَّجمةِ، واستنتاجِ كُتَلِ الكواكبِ الّتي تدورُ حولَها.

لِتعرِفَ المزيدَ عن مَهمَّةِ كِبلر: هنا 

المصادر: 

1- هنا 

2- هنا