اكتشفت النمذجة ثلاثية الأبعاد آليات جديدة لإبطاء هجرة الكواكب

بعد أن تشكل بالكاد في قرص الكواكب الأولية، يتفاعل الجسم السماوي الشاب بنشاط مع الغاز المحيط: يؤدي احتكاك الكوكب الأولي بالقرص إلى حركته السريعة نحو النجم. هذه العملية – التي تسمى الهجرة من النوع الأول – كانت بمثابة صداع للواضعين النظريين لسنوات: إذا كانت الكواكب تهاجر بهذه السرعة، فلماذا نراها موجودة؟ يبدو أن الجواب يكمن في مغناطيسية النجم نفسه. تتمتع نجوم T Tauri الشابة بمجالات مغناطيسية أقوى بآلاف المرات من الشمس. هذا المجال قوي جدًا لدرجة أنه يزيل الغاز حرفيًا من المنطقة المجاورة مباشرة للنجم، مما يشكل تجويفًا فارغًا حوله – تجويف الغلاف المغناطيسي. ومن هنا يمكن للكواكب أن تبقى قائمة حتى لا تسقط على النجم. قرص كوكبي أولي يدور حول نجم شاب. يقوم المجال المغناطيسي للنجم بدفع الغاز خارج التجويف المركزي، مما يخلق حاجزًا وقائيًا، ويثير الغلاف المغناطيسي الدوار موجات في القرص المحيط ويغير هيكله. / © وكالة الفضاء الأوروبية ESA قام الباحثون ببناء نموذج هيدروديناميكي مغناطيسي ثلاثي الأبعاد – وهو توأم رياضي لنظام “النجم الشاب + الغلاف المغناطيسي + القرص التراكمي + الكوكب”. على عكس الأساليب السابقة ثنائية الأبعاد، تسمح المحاكاة ثلاثية الأبعاد للمرء أن يأخذ في الاعتبار البنية المكانية للمجال المغناطيسي، وتدفقات الغاز غير الثابتة (“ألسنة التراكم”) وديناميكيات المعلمات المدارية للكوكب – الميل، والانحراف – في الوقت الحقيقي. ونشرت النتائج في مجلة الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية. تدفق الغاز حول الغلاف المغناطيسي ثنائي القطب للنجم. داخل الغلاف المغناطيسي، تكون الكثافة منخفضة جدًا (اللون الأزرق الداكن)، ولا يهاجر الكوكب ويعيش في مدار قريب من النجم. أظهرت الملاحظات التي أجراها تلسكوب TESS أن العديد من الكواكب تقع في مدارات متشابهة، بالقرب من النجوم. وأظهرت الحسابات الرقمية (هذه هي النتيجة الرئيسية للدراسة) أن الكوكب الموجود في تجويف مغناطيسي يبدأ في التحرك ببطء أكثر فأكثر نحو النجم، ثم يتوقف هناك قبل وقت طويل من الاصطدام المحتمل بالنجم. إذا لم يكن الكوكب قد دخل التجويف بعد، ولكنه يتحرك في القرص الداخلي بالقرب من حافته، فإن مصيره يتحدد بواسطة المغناطيسية النجمية. يثير الغلاف المغناطيسي موجات الكثافة وموجات الانحناء في القرص. في هذه الحالة، يمكن للكوكب أن يتوقف عند مسافات أكبر بكثير من النجم. علاوة على ذلك، في نظام التراكم غير الثابت، عندما تخترق خيوط الغاز الساخنة الغلاف المغناطيسي مثل ألسنة النار، تتسارع الهجرة بشكل حاد – ولكن فقط إلى أقرب فخ. يعد القرص الكوكبي الأولي ذو الفجوات الحلقية صورة نموذجية لنظام يتفاعل فيه كوكب ضخم بالفعل مع الغاز المحيط به. تنشأ مثل هذه الهياكل على وجه التحديد عندما يصل عزم الدوران إلى الصفر ويتوقف الكوكب عن الهجرة / © Sci.News / ALMA ويحدث سيناريو منفصل إذا وصل الكوكب إلى حدود الكهف. يتحرك الغاز الموجود على جوانب مختلفة من الكوكب بسرعات مختلفة. يؤدي هذا إلى تحرك الكوكب مع حدود التجويف. ومما يثير الاهتمام بشكل خاص مصير الكواكب في المدارات المائلة. عندما لا يتزامن المستوى المداري مع مستوى القرص، فإن آلية Kozai-Lidov، المعروفة في الميكانيكا السماوية، تدخل حيز التنفيذ، مما يؤدي في هذه الحالة إلى زيادة الانحراف المركزي. مدار الكوكب ممدود، مما يجعله أقرب إلى النجم بشكل دوري مما يتطلبه متوسط ​​نصف القطر. اليوم، هناك أكثر من خمسة آلاف كوكب خارج المجموعة الشمسية معروفة، وجزء كبير منها هو كوكب المشتري الساخن، الذي استقر في مدارات بفترات عدة أيام. تتنبأ نماذج الهجرة القياسية بسقوطها على النجم. لماذا لم يحدث هذا؟ توفر الحسابات التي أجراها علماء الفيزياء الفلكية الإجابة: يخلق الغلاف المغناطيسي تسلسلًا هرميًا كاملاً لآليات الكبح، ويمكن للكوكب أن يظل في أي منها، اعتمادًا على المعلمات المحددة للنظام. علق ألكسندر كولدوبا، رئيس قسم النمذجة والتكنولوجيات لتطوير حقول النفط في كلية الفيزياء والتكنولوجيا للرياضيات التطبيقية والمعلوماتية في MIPT، على النتائج قائلاً: “لقد أتاحت لنا المحاكاة ثلاثية الأبعاد رؤية شيء لم يكن من الممكن الوصول إليه بشكل أساسي في النماذج المسطحة: الغلاف المغناطيسي يعيد هيكلة القرص باستمرار، ويطلق سلسلة ردود فعل. يتفاعل الكوكب في مثل هذا النظام بنشاط مع المجال من خلال القرص. وهذا ما يفسر ثراء الملاحظة المرصودة”. التكوينات المدارية للكواكب الخارجية.” إن بنية أي نظام كوكبي تحمل “بصمة” مغناطيسية نجمه الأم في الماضي البعيد. والخطوة التالية في البحث هي المقارنة المباشرة لتنبؤات النماذج مع البيانات الواردة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي، الذي يرصد أنظمة النجوم الشابة بدقة عالية.