اكتشف القمر الصناعي الاستقصائي للكواكب الخارجية العابرة (TESS) التابع لناسا أول كوكب بحجم الأرض في المنطقة الصالحة للسكن لنجمه ، وهي نطاق المسافات حيث قد تكون الظروف مناسبة تمامًا للسماح بوجود الماء السائل على السطح. 

أكد العلماء هذا الاكتشاف ، المسمى TOI 700 d ، باستخدام تلسكوب Spitzer Space Telescope التابع لناسا وصمموا البيئات المحتملة للكوكب للمساعدة في توفير المعلومات لعمليات الرصد المستقبلية.

TOI 700 d هو واحد من عدد قليل من الكواكب بحجم الأرض التي تم اكتشافها في المنطقة الصالحة للسكن للنجم حتى الآن. تشمل الكواكب الأخرى عدة كواكب في نظام TRAPPIST-1 وعوالم أخرى اكتشفها تلسكوب كبلر الفضائي التابع لناسا.

قال بول هيرتز ، مدير قسم الفيزياء الفلكية في مقر ناسا في واشنطن: “تم تصميم وإطلاق TESS خصيصًا للعثور على كواكب بحجم الأرض تدور حول النجوم القريبة…الكواكب حول النجوم القريبة أسهل في متابعتها بالتلسكوبات الأكبر في الفضاء وعلى الأرض حيث أن اكتشاف TOI 700 d هو اكتشاف علمي رئيسي لـ TESS وتأكيد حجم الكوكب وحالة المنطقة الصالحة للسكن مع Spitzer هو فوز آخر  لهذا التلسكوب حيث يقترب من نهاية العمليات العلمية في يناير “.

يراقب القمر الصناعي TESS مساحات كبيرة من السماء لمدة 27 يومًا في كل مرة. وتقوم عملية المراقبة الطويلة للقمر الصناعي بتتبع التغيرات في السطوع النجمي الناتجة عن عبور كوكب يدور أمام نجمه من منظورنا ، وهو حدث يسمى بحدث العبور.

TOI 700 هو نجم قزم صغير رائع يقع على بعد أكثر من 100 سنة ضوئية في كوكبة أبو سيف الجنوبية، حجمه يصل إلى حوالي 40٪ من كتلة الشمس وحوالي نصف درجة حرارة سطحها. يظهر النجم في 11 من أصل 13 منطقة مراقبة في السماء  التي تم ملاحظتها من قبل القمر الصناعي  TESS خلال السنة الأولى للمهمة ، واكتشف العلماء عمليات عبور متعددة بواسطة كواكبها الثلاثة.

تم تصنيف النجم في الأصل بشكل خاطئ في قاعدة بيانات TESS على أنه أقرب إلى شمسنا ، مما يعني أن الكواكب بدت أكبر وأكثر سخونة مما هي عليه بالفعل. لكن تمكن العديد من الباحثين ، بما في ذلك ألتون سبنسر ، طالب في المدرسة الثانوية يعمل مع أعضاء فريق TESS من اكتشاف هذا الخطأ.

قالت إميلي جيلبرت ، طالبة دراسات عليا في جامعة شيكاغو: “عندما صححنا أبعاد هذا النجم ، انخفضت أحجام كواكبها ، وأدركنا أن الكوكب الأبعد كان بحجم الأرض وفي المنطقة الصالحة للسكن”. 

“بالإضافة إلى ذلك ، في 11 شهرًا من عمليات البحث، لم نلاحظ أي توهجات من النجم ، مما يحسن فرص أن يكون TOI 700 d صالحًا للسكن ويجعل من السهل نمذجة ظروف الغلاف الجوي والسطح.

قدم جيلبرت وباحثون آخرون النتائج في الاجتماع 235 للجمعية الفلكية الأمريكية في هونولولو ، وتم تقديم ثلاث أوراق بحثية – أحدها بقيادة جيلبرت – إلى المجلات العلمية.

الكوكب الأعمق ، المسمى TOI 700 b ، هو تقريبًا بحجم الأرض ، وربما يكون صخريًا ويكمل مداره كل 10 أيام. الكوكب الأوسط ، TOI 700 c ، أكبر 2.6 مرة من الأرض – بين أحجام الأرض ونبتون – يدور كل 16 يومًا ومن المحتمل أن يكون عالمًا يهيمن عليه الغاز. TOI 700 d ، الكوكب الأبعد المعروف في النظام والوحيد في المنطقة الصالحة للسكن ، حيث أن حجمه 20٪ أكبر من حجم الأرض ، يدور كل 37 يومًا ويتلقى من نجمه 86٪ من الطاقة التي توفرها الشمس للأرض.

 يُعتقد أن جميع الكواكب مرتبطة بشكل مدّي بنجمها ، مما يعني أنها تدور مرة واحدة في كل مدار بحيث يغمر أحد جوانبها في ضوء النهار باستمرار.

طلب فريق من العلماء بقيادة جوزيف رودريغيز ، عالم الفلك في مركز الفيزياء الفلكية بجامعة هارفارد وسميثسونيان في كامبريدج ، ماساتشوستس ، متابعة ملاحظات مع تلسكوب Spitzer لتأكيد TOI 700 D.

قال رودريغيز: “نظرًا لتأثير هذا الاكتشاف – أنه أول كوكب بحجم الأرض في منطقة القمر الصناعي TESS الصالحة للسكن – أردنا حقًا أن يكون فهمنا لهذا النظام ملموسًا قدر الإمكان”. 

“شهد  تلسكوب Spitzer عبور كوكب  TOI 700 d بالضبط عندما توقعنا ذلك،

 إنها إضافة رائعة لإرث مهمة ساعدت في تأكيد اثنين من كواكب TRAPPIST-1 وتحديد خمسة أخرى “.

زادت بيانات هذا التلسكوب من ثقة العلماء بأن TOI 700 d هو كوكب حقيقي وشحذت قياساتهم للدورة المدارية بنسبة 56٪ وحجمه بنسبة 38٪. كما استبعدت أيضًا الأسباب الفيزيائية الفلكية الأخرى المحتملة لإشارة العبور ، مثل وجود نجم مصاحب أصغر وأخف في النظام.

استخدم رودريغيز وزملاؤه أيضًا ملاحظات المتابعة من تلسكوب أرضي بطول متر واحد في شبكة مرصد لاس كومبريس العالمية لتحسين ثقة العلماء في الفترة المدارية وحجم TOI 700 c بنسبة 30٪ و 36٪ على التوالي.

نظرًا لأن TOI 700 ساطع وقريب ولا يظهر أي علامة على التوهجات النجمية ، فإن النظام هو مرشح رئيسي لقياسات الكتلة الدقيقة بواسطة المراصد الأرضية الحالية. يمكن أن تؤكد هذه القياسات تقديرات العلماء بأن الكواكب الداخلية والخارجية صخرية وأن الكوكب الأوسط مصنوع من الغاز.

قد تكون البعثات المستقبلية قادرة على تحديد ما إذا كانت الكواكب لها أغلفة جوية ، وإذا كان الأمر كذلك ، حتى تحدد تكوينها.

في حين أن الظروف الحياتية الدقيقة  لكوكب TOI 700 d غير معروفة ، يمكن للعلماء استخدام المعلومات الحالية ، مثل حجم الكوكب ونوع النجم الذي يدور حوله ، لإنشاء نماذج كمبيوتر وإجراء تنبؤات.

وعلى إثر ذلك  قام الباحثون في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند بنمذجة 20 بيئة محتملة من TOI 700 d لقياس ما إذا كانت أي نسخة ستؤدي إلى درجات حرارة سطح وضغط مناسب لصلاحية السكن.

فحصت نماذج المناخ ثلاثية الأبعاد الخاصة بهم مجموعة متنوعة من أنواع الأسطح وتركيبات الغلاف الجوي المرتبطة عادةً بما يعتبره العلماء عوالم قابلة للحياة.

 نظرًا لأن TOI 700 d مقيد بشكل مدّي إلى نجمه ، فإن تشكيلات السحب وأنماط الرياح على الكوكب قد تكون مختلفة بشكل لافت للنظر عن أشكال الأرض.

اشتملت إحدى نظريات المحاكاة على أن TOI 700 d مغطى بالمحيط مع جو كثيف يهيمن عليه ثاني أكسيد الكربون على غرار ما يعتقد العلماء أنه كان يحيط بالمريخ عندما كان صغيرًا. 

يحتوي الغلاف الجوي للنموذج على طبقة عميقة من السحب على الجانب المواجه للنجمة. نموذج آخر يصور TOI 700 d كنسخة خالية من الغيوم من الأرض الحديثة ، حيث تتدفق الرياح بعيدًا عن الجانب الليلي من الكوكب وتتقارب عند النقطة التي تواجه النجم مباشرة.

عندما يمر ضوء النجوم عبر الغلاف الجوي للكوكب ، فإنه يتفاعل مع جزيئات مثل ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين لإنتاج إشارات مميزة تسمى الخطوط الطيفية. أنتج فريق النمذجة ، بقيادة Gabrielle Engelmann-Suissa ، وهي جمعية أبحاث الفضاء بالجامعات التي تزور مساعد باحث في Goddard ، أطيافًا محاكية لـ 20 نسخة من نموذج TOI 700 d.

قال إنجلمان سويسا: “في يوم من الأيام ، عندما يكون لدينا أطياف حقيقية من TOI 700 d ، يمكننا التراجع ، ومطابقتها مع أقرب طيف تمت محاكاته ، ثم مطابقة ذلك مع نموذج”. “إنه أمر مثير لأنه بغض النظر عما اكتشفناه عن الكوكب ، سيبدو مختلفًا تمامًا عما لدينا هنا على الأرض.”

TESS هي مهمة مستكشف للفيزياء الفلكية تابعة لوكالة ناسا يقودها ويديرها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج ، ماساتشوستس ، ويديرها مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا. ومن بين الشركاء الإضافيين شركة نورثروب جرومان ومقرها فولز تشيرش بولاية فيرجينيا ؛ مركز أبحاث أميس التابع لوكالة ناسا في وادي السيليكون بكاليفورنيا ؛ مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية في كامبريدج ، ماساتشوستس ؛ مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ومعهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور. وتشارك في البعثة أكثر من اثنتي عشرة جامعة ومعاهد بحثية ومراصد من جميع أنحاء العالم.

يدير مختبر الدفع النفاث في باسادينا بولاية كاليفورنيا مهمة تلسكوب سبيتزر الفضائي لمديرية المهام العلمية التابعة لوكالة ناسا في واشنطن. يتم إجراء العمليات العلمية في مركز Spitzer Science في Caltech في باسادينا. تتم العمليات الفضائية في لوكهيد مارتن سبيس في ليتلتون ، كولورادو. يتم أرشفة البيانات في أرشيف علوم الأشعة تحت الحمراء الموجود في IPAC في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. يدير معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مختبر الدفع النفاث لناسا.

تم تمويل عمل النمذجة من خلال Sellers Exoplanet Environment Collaboration في Goddard ، وهو تعاون متعدد التخصصات يجمع الخبراء لبناء نماذج حاسوبية شاملة ومتطورة لتحليل ملاحظات الكواكب الخارجية الحالية والمستقبلية بشكل أفضل.