قِيَمُ الاِنْقِراض نَحْوَ الكَواكِب المُدْمَجَة فِي أَقْراص ما قَبْلَ الكَوْكَبِيَّة المُقَدَّرَةِ مِن مُحاكاة الديناميكا الهَيْدرُولِيكِيَّة

Felipe Alarcón

Edwin A. Bergin

Gabriele Cugno

latex

مُلَخَّص

مَعَ تَقَدُّمِ التِكْنُولُوجِيا الجَدِيدَةِ للكورونوغرافات ذاتِ حُدُودِ التَبايُنِ الأَعْمَق، بِالإِضافَةِ إِلَى الحَمَلاتِ الجارِيَةِ وَالمُخَطَّطِ لَها لِلتَصْوِير عالِي التَبايُنِ، سَتَتَمَكَّن هٰذِهِ الحَمَلاتُ مِن دَفْعِ حُدُودِ الكَشْفِ عَن الكَواكِب النامِيَةِ. تُقَدِّم هٰذِهِ الحَمَلاتُ فُرْصَةً جَدِيدَةً لِتَوْصِيف الكَواكِب النامِيَةِ وَالبِيئات المُحِيطَةِ بِها. وَمَعَ ذٰلِكَ، هُناكَ شُكُوكٌ واضِحَةٌ حَوْلَ مُسْتَوَياتِ الاِنْقِراض فِي مَناطِقِ مُخْتَلِفَةٍ مِن أَقْراص ما قَبْلَ الكَوْكَبِيَّة، وَالَّتِي سَتُعِيق قُدْرَتَنا عَلَى تَوْصِيف الكَواكِب الشابَّةِ. سَيُؤَدِّي فَهْمُ الاِنْقِراض المُتَوَقَّع بِشَكْلٍ صَحِيح مَعَ مُلاحَظاتِ التَصْوِيرِ الضَوْئِيّ المُتَعَدِّدَةِ إِلَى تَقْيِيدِ مُسْتَوَياتِ الاِنْقِراض، نُمُوِّ الغُبارِ، تَطَوُّرِ القُرْصِ وَمُعَدَّلاتِ التَراكُم ما قَبْلَ الكَوْكَبِيَّة. فِي هٰذا العَمَلِ، اِسْتَخْدَمْنا مُحاكاةَ الديناميكا الهَيْدرُولِيكِيَّة وَقُيُوداً مُلاحَظِيَّةً لِقُرْص ما قَبْلَ الكَوْكَبِيَّة مُسْتَمَدَّةً مِن اِنْبِعاثات الغُبارِ وَالغازِ لِاِسْتِكْشافِ خَرائِطِ الاِنْقِراض المُتَوَقَّعَةِ لِمُرَشَّحات الاِسْتِمْرارِيَّة المُرْتَبِطَةِ بِخُطُوط الهِيدرُوجِين القَوِيَّةِ كَمُؤَشِّرات لِلتَراكُم وَمُرَشَّحات التَصْوِيرِ الضَوْئِيّ الضَيِّقَةِ الرَئِيسِيَّةِ. نُقَدِّم عَلاقَةَ تَحْجِيم لِلاِنْقِراض كَدالَّةٍ لِلفَصْلِ الكَوْكَبِيّ وَكُتْلَةِ القُرْصِ لِثَلاثِ كُتَلِ غازِيَّةٍ عِمْلاقَةٍ مُخْتَلِفَةٍ. كَما نُقَدِّم قِيَماً لِمَجْمُوعَةٍ فَرْعِيَّةٍ مِن الأَقْراص ذاتِ الاِهْتِمامِ الَّتِي اِسْتَهْدَفَتْها حَمَلاتُ التَصْوِيرِ المُتَعَدِّدَةِ. سَتَكُون القِيَمُ المَوْصُوفَةُ مُفِيدَةً لِلتَصْمِيمِ الأَمْثَلِ لمسوحات البَحْثِ عَن الكَواكِب المُسْتَقْبَلِيَّةِ وَلِإِعْطاء سِياقٍ لِعَدَمِ الكَشْفِ فِي أَقْراص ما قَبْلَ الكَوْكَبِيَّة وَالتَدَفُّقات المَلْحُوظَةِ لِلمَصادِرِ النُّقْطِيَّةِ جَنْباً إِلَى جَنْبٍ مَعَ ظُرُوفِ وِلادَةِ الكَواكِب النامِيَةِ.

مُقَدِّمَة

مَعَ تَطْبِيقِ خوارزميات مُخَصَّصَةٍ لِلتَصْوِير عالِي التَبايُنِ فِي حَمَلاتِ البَحْثِ عَن الكَواكِب، بَدَأَ الكَشْفُ عَن الكَواكِب النامِيَةِ بِالطُرُقِ المُباشِرَةِ يُصْبِح حَقِيقَةً (Keppler..2018, Haffert..et..al..2019, Currie..2022,Yifan..2022, Hammond..2023). وَمَعَ ذٰلِكَ، أَظْهَرَت العَدِيدُ مِن الدِراساتِ المُخَصَّصَةِ أَنَّ مُعَدَّلَ الكَشْفِ عَن الرُفَقاء الكَوْكَبِيِّينَ فِي الأَقْراص الدائِرِيَّةِ النَجْمِيَّة مُنْخَفِضٌ جِدّاً (Cugno2019, Zurlo..2020, Jorquera..21, Asensio-Torres..21,Huelamo..2022,Cugno..2023..NACO, Follette..2023). قَد يَكُون هٰذا المُعَدَّلُ المُنْخَفِضُ نَتِيجَةً لِلاِنْقِراض العالِي فِي الأَطْوالِ المَوْجِيَّةِ البَصَرِيَّةِ وَالقَرِيبَةِ مِن الأَشِعَّةِ تَحْتَ الحَمْراءِ بِسَبَبِ طَبِيعَةِ الأَقْراصِ الغَنِيَّةِ بِالغُبار. وَمَعَ ذٰلِكَ، تَمَّ تَحْدِيدُ الحُدُودِ العُلْيا لِلاِنْبِعاث الكَوْكَبِيّ مِن عِدَّةِ نِطاقاتٍ فوتومتريةٍ بِفَضْلِ تِلْكَ الدِراساتِ. بِالتَوازِي، يُمْكِن أَن تُوَفِّر القُيُودُ الدَقِيقَةُ فِي الاِنْقِراض مِن قُرْصِ المُضِيفِ مُعْلِماتٍ رَئِيسِيَّةً لِفَهْمِ بِيئاتِ تَكْوِينِ الكَواكِب النامِيَةِ، وَقَد تَكُون مُفِيدَةً بِشَكْلٍ خاصٍّ لِتَصْمِيمِ الحَمَلاتِ المُسْتَقْبَلِيَّةِ.

المُرافِقُ الحالِيَّةُ وَالقادِمَةُ قَد خُصِّصَت أَدَواتٌ لِلتَصْوِير عالِي التَبايُنِ مِثْلَ MagAO-X، ELT-METIS، وَتِلِسْكُوب الفَضاءِ نانْسِي غريس رُومان عَلَى سَبِيلِ المِثالِ. بِالإِضافَةِ إِلَى الأَدَواتِ الأَفْضَلِ مَعَ حُدُودِ تَبايُنٍ أَعْمَقَ، فَإِنَّ خوارزميات البَصَرِيَّات التكيفيَّة المُحَسَّنَة/التَقْنِيَّاتِ تَدْفَع أَيْضاً الحَدَّ المُمْكِنَ لِلتَبايُنِ. تُحاوِل تَقْنِيَّاتُ مُعالَجَةِ الصُوَرِ مِثْلَ التَصْوِيرِ التَفاضُلِيِّ المَرْجِعِيِّ (Grady..1999)، التَصْوِيرِ التَفاضُلِيِّ الزاوي (Marois..2006)، التَصْوِيرِ التَفاضُلِيِّ لِلاِسْتِقْطابِ (Kuhn..2001)، وَالتَصْوِيرِ التَفاضُلِيِّ الطَيْفِيِّ (Claudi..2008) تَحْقِيقَ أَفْضَلِ تَوْصِيفٍ مُمْكِنٍ لِلضَوْء المُتَناثِرِ النَجْمِيِّ لِطَرْحِ تَلَوُّثِ الاِنْبِعاث النَجْمِيِّ مِن الإِشارَةِ الكَوْكَبِيَّة. بِفَضْلِ قُدْراتِ الأَدَواتِ الجَدِيدَةِ وَتَقْنِيَّاتِ التَصْوِيرِ عالِي التَبايُنِ المُتَطَوِّرَةِ، سَيَتِمُّ دَفْعُ حَدِّ الكَشْفِ إِلَى ما وَراءَ الكَواكِب العِمْلاقَةِ إِلَى الأَرْضِ الفائِقَةِ، وَأَقْرَب بِكَثِيرٍ إِلَى نُجُومِها المُضِيفَةِ، لِلوُصُولِ إِلَى مِنْطَقَةِ تَكْوِينِ الكَواكِب الأَرْضِيَّةِ. وَبِالتالِي، فَإِنَّ فَهْمَ القُيُودِ المُراقَبَةِ وَالاِنْقِراض المُتَوَقَّعِ مِن الأَقْراص الدائِرِيَّةِ النَجْمِيَّة أَمْرٌ حاسِمٌ لِنَجاحِ الدِراساتِ الحالِيَّةِ وَالمُسْتَقْبَلِيَّةِ لِلبَحْثِ عَن الكَواكِب النامِيَةِ.

لَقَد حاوَلَت نُهُوجٌ أُخْرَى فِي الأَدَبِيَّاتِ مُعالَجَةَ قابِلِيَّةِ مُراقَبَةِ الكَواكِب المُتَراكِمَةِ فِي الأَقْراص الدائِرِيَّةِ النَجْمِيَّة. يَعْرِض (Chen..22) تَوَقُّعاتٍ لِقابِلِيَّةِ مُراقَبَةِ الأَقْراص الكَوْكَبِيَّة لِلتِلِسْكُوب الأُورُوبِّيِّ الكَبِيرِ جِدّاً، E-ELT، وَأَدَاتِهِ METIS إِلَى جانِبِ JWST (Boccaletti..22, Girard..22, Oberg..23). اِسْتَخْدَمَ (Sanchis..2020) مُحاكاةً هيدروديناميكيَّةً ثُلاثِيَّةَ الأَبْعاد لِلكَواكِب الضَخْمَةِ لِلتَنَبُّؤ بِالاِنْقِراض مِن خِلالَ دَمْجِ كَثافَةِ العَمُودِ وَتَحْوِيلِها إِلَى A\(_{\lambda}\) بِاِسْتِخْدامِ مُنْحَنَياتِ الاِنْقِراض ISM. تُظْهِر جَمِيعُ هٰذِهِ الأَعْمالِ أَنَّ فَهْماً صَحِيحاً لِلاِنْبِعاث الكَوْكَبِيِّ وَالاِنْقِراض سَيَكُون مِفْتاحاً فِي اِسْتِغْلالِ الإِمْكاناتِ الكامِلَةِ لِلمُرافِقِ الحالِيَّةِ وَالمُسْتَقْبَلِيَّةِ.

تَمَّ اِسْتِنْتاجُ قُيُودٍ مُتَعَدِّدَةٍ عَلَى مُحْتَوَى الغُبارِ فِي الأَقْراص الكَوْكَبِيَّة النامِيَةِ بِفَضْلِ العَدِيدِ مِن الدِراساتِ المُراقَبَةِ. وَضَعَت مَصْفُوفَةُ أتاكاما الكَبِيرَةِ لِلمِلِيمِتر (ALMA) حُدُوداً لِعَدَدِ حُبَيْباتِ المِلِيمِتر فِي هٰذِهِ الأَقْراص وَقَد وَصَفَت تَوْزِيعَها المَكانيَّ إلى جانب البُنى الكوكبية القادرة على تفسير بنية القرص في المليمتر، بينما وفرت المسوحات بالأشعة تحت الحمراء معلومات إضافية عن الغبار بحجم \(\mu\)m على سطح القرص. يُعَدُّ دَمْجُ كُلِّ هٰذِهِ المَعْلُوماتِ مِفْتاحاً لِقِياسِ الاِنْقِراض فِي الأَطْوالِ المَوْجِيَّةِ البَصَرِيَّةِ وَالأَشِعَّةِ تَحْتَ الحَمْراءِ، وَلِتَحْدِيدِ قابِلِيَّةِ مُراقَبَةِ الكَواكِب النامِيَةِ فِي الظُرُوفِ النَمُوذَجِيَّةِ لِلنُمُوِّ فِي تِلْكَ الأَطْوالِ المَوْجِيَّةِ نَفْسِها.

فِي هٰذا العَمَلِ، نُرَكِّز عَلَى التَنَبُّؤاتِ بِالاِنْقِراض المُتَوَقَّعِ لهندساتٍ وَأَحْجامِ حُبَيْباتٍ مُخْتَلِفَةٍ، وَالَّتِي يُمْكِنُ اِسْتِخْدامُها مَعَ تَوَقُّعاتِ شِدَّةِ الكَواكِب المُتَراكِمَةِ (Zhu..2015) لِتَصْحِيحِ الكَشْفِ عَن مَصادِرِ النِّقاطِ بِاِسْتِخْدامِ نِقاطٍ فوتومتريةٍ مُتَعَدِّدَةٍ. نُحَلِّلُ اِعْتِماداتِ الاِنْقِراض مَعَ المَيْلِ وَالحَجْمِ الأَقْصَى المُفْتَرَضِ لِحَجْمِ حُبَيْباتِ الغُبارِ وَكُتْلَةِ الكَوْكَبِ. نُناقِشُ الأَطْوالَ المَوْجِيَّةَ وَالتَكْوِيناتِ المِعْمَارِيَّةَ الأَنْسَبَ لِحَمَلاتِ البَحْثِ عَن الكَواكِب بِالنَظَرِ إِلَى التَبايُنِ المُتَوَقَّعِ وَالفَواصِلِ الزاوِيَّةِ. يُمْكِنُ أَنْ يُحَسِّنَ اِخْتِيارُ المُرَشَّحاتِ المُناسِبَةِ لِهَدَفٍ مُعَيَّنٍ مِن الوَقْتِ المَطْلُوبِ لِلمُلاحَظات، مِمّا يُعَظِّمُ الإِنْتاجَ العِلْمِيَّ وَتَوْصِيفَ خَصائِصِ القُرْصِ وَالكَوْكَبِ النامِي.

يَتِمُّ تَنْظِيمُ العَمَلِ الحالِيِّ عَلَى النَحْوِ التالِي: نَصِفُ المَنْهَجِيَّةَ فِي القِسْمِ [sec:methods] وَنَعْرِضُ النَتائِجَ فِي القِسْمِ [sec:results]. ثُمَّ، نُناقِشُ النَتائِجَ المُقَدَّمَةَ فِي السِينارِيو الحالِيِّ لِحَمَلاتِ التَصْوِيرِ عالِي التَبايُنِ فِي القِسْمِ [sec:disc]. نُلَخِّصُ النَتائِجَ الرَئِيسِيَّةَ لِعَمَلِنا فِي القِسْمِ [sec: summary]. بِالإِضافَةِ إِلَى ذٰلِكَ، فِي المُلْحَقِ [Appendix:disks] نُقَدِّمُ قِيَمَ الاِنْقِراض فِي الأَقْراصِ الكَوْكَبِيَّةِ النامِيَةِ الَّتِي غالِباً ما تَكُونُ مُسْتَهْدَفَةً فِي حَمَلاتِ التَصْوِيرِ عالِي التَبايُنِ الحالِيَّةِ كَأَقْراصٍ مُحْتَمَلَةٍ لِاِسْتِضافَةِ الكَواكِب النامِيَةِ.

النمذجة العَدَدِيَّةِ وَالطُرُقِ

نَسْتَكْشِفُ الاِنْقِراض فِي أَقْراصِ تَكْوِينِ الكَواكِب تَحْتَ ظُرُوفٍ واقِعِيَّةٍ وَزَوايا ميلانٍ مُخْتَلِفَةٍ لِلقُرْص. نُجْرِي مُحاكاةً هيدروديناميكيَّةً بِاِسْتِخْدامِ الكود FARGO3D (FARGO3D) مَعَ كَواكِبَ أوليةٍ مُضَمَّنَةٍ. نَحْسِبُ أَيْضاً التَغَيُّراتِ فِي العُمْقِ البَصَرِيِّ لِمُخْتَلِفِ مَجْمُوعاتِ الغُبارِ عَن طَرِيقِ تَغْيِيرِ الحَجْمِ الأَقْصَى لِلحَبِيباتِ الصَغِيرَةِ، مِمّا يُؤَدِّي إِلَى اِخْتِلافاتٍ فِي اِنْقِراضِ الغُبارِ.

إِعْدادُ مُحاكاةِ الهيدروديناميك

بِهَدَفِ إِنْتاجِ سِينارِيُوهاتٍ مُمَثِّلَةٍ لِحِسابِ الاِنْقِراض، نَسْتَخْدِمُ الشَفْرَةَ الهيدروديناميكيَّة FARGO3D لِإِنْتاجِ تَوْزِيعاتِ كَثافَةٍ اِصْطِناعِيَّةٍ لِأَقْراصِ الكَواكِبِ الأَوَّلِيَّةِ بِفَرْضِ كُتَلٍ كَوْكَبِيَّةٍ مُخْتَلِفَةٍ (FARGO3D). أَجْرَيْنا مُحاكاةً ثُلاثِيَّةَ الأَبْعادِ عَلَى شَبَكَةٍ كُرَوِيَّةٍ بِأَبْعاد \((256, 512, 64)\) خَلايا فِي النِصْفِ القَطَرِيِّ، الزاوِيَةِ الطُولِيَّةِ وَالعَرْضِيَّةِ عَلَى التَوالِي. تَمْتَدُّ الاحداثيَّةُ الزاوِيَّةُ الطُولِيَّةُ عَلَى مُحِيطٍ كامِلٍ مِن 0 إِلَى 2\(\pi\) وَتُغَطِّي العَرْضِيَّةُ مِن 1.32 إِلَى 1.82 راديان. يَتَراوَحُ الاحداثيُّ الشُعاعِيُّ مِن 0.4 إِلَى 4.5 فِي وَحَداتِ الشَفْرَةِ، وَالَّتِي يَتِمُّ تَوْسِيعُها حَسَبَ مَوْقِعِ الكَوْكَبِ المُضَمَّنِ، وَالَّذِي يَقَعُ عِنْدَ 1.0 وَحَداتِ شَفْرَةٍ. بِاِسْتِثْناءِ النَماذِجِ المُخَصَّصَةِ لِلقُرْصِ المُحَدَّدِ، تَمَّ اِفْتِراضُ نِسْبَةِ جانِبِيَّةٍ قَدْرُها 0.08 عِنْدَ فَصْلِ الكَوْكَبِ مَعَ مُؤَشِّرِ تَمْدُّدٍ قَدْرُهُ 1.15. نُدِيرُ المُحاكاةَ لِ 1000 مَدارٍ حَتَّى يَصِلَ القُرْصُ إِلَى حالَةٍ ثابِتَةٍ. نَخْتَبِرُ نِسَبَ كُتَلٍ مُخْتَلِفَةٍ بَيْنَ الكَوْكَبِ وَالنَجْمِ، \(q\)، لِاسْتِنْساخِ تَأْثِيرِ العَمالِقَةِ الغازِيَّةِ المُسْتَهْدَفَةِ المُخْتَلِفَةِ. وَبِالتالِي، نَسْتَخْدِمُ ثَلاثَ قِيَمٍ مُخْتَلِفَةٍ لِ \(q\)، وَهِيَ \(q=5\times 10^{-3}\)، \(q=10^{-3}\)، وَ \(q=3\times 10^{-4}\). بِفَرْضِ نَجْمٍ بِكُتْلَةٍ شَمْسِيَّةٍ، تَتَوافَقُ هٰذِهِ مَعَ كَوْكَبٍ بِكُتْلَةِ 5 M\(_{\mathrm{Jup}}\)، كَوْكَبٍ بِكُتْلَةِ 1 M\(_{\mathrm{Jup}}\)، وَكَوْكَبٍ بِكُتْلَةِ 1 M\(_{\mathrm{Sat}}\) عَلَى التَوالِي.

نَسْتَخْدِمُ قُدْراتٍ مُتَعَدِّدَةِ السَوائِل لِ FARGO3D (Benitez..2019) لِأَخْذِ تَوْزِيعِ الجَسِيماتِ الصُلْبَةِ فِي نَماذِجِنا بِالاِعْتِبارِ أَيْضاً. تَتْبَعُ قُدْراتُ مُتَعَدِّدَةِ السَوائِل لِ FARGO3D تَطَوُّرَ مَجْمُوعاتٍ مُخْتَلِفَةٍ مِن الغُبارِ بِرَقْمِ سَتُوَكِّس مُعَيَّنٍ، مَعَ مُراعاةِ السُرْعَةِ التَفاضُلِيَّةِ لِلغُبارِ فِي نِظامِ ابستين وَاِنْتِشارِ الغُبارِ. يُمْكِنُ كِتابَةُ رَقْمِ سَتُوَكِّس فِي نِظامِ ابستين كَما يَلِي (Drazkowska..PPVII):

\[\label{Eq:ST} St = \frac{2}{\pi} \frac{a \rho_{\rm grain}}{\Sigma},\]

مَعَ \(\rho_{\rm grain}\) كَثافَةِ حُبَيْباتِ الغُبارِ، \(\Sigma\) كَثافَةِ سَطْحِ الغازِ وَ \(a\) حَجْمِ الحَبِيبَةِ. لِتَتَبُّعِ تَوْزِيعِ الغُبارِ فِي الفَجْوَةِ، نَسْتَخْدِمُ رَقْمَ سَتُوَكِّس المُقابِلَ لِأَحْجامِ الحَبِيباتِ القُصْوَى المُخْتَلِفَةِ المُسْتَكْشَفَةِ فِي نَماذِجِنا بِفَرْضِ كَثافَةِ السَطْحِ فِي مَدارِ الكَوْكَبِ لِكُلِّ واحِدٍ مِن الكَواكِبِ المُخْتَلِفَةِ وَكَثافَةِ حُبَيْباتٍ مُتَوَسِّطَةٍ قَدْرُها \(\rho_{\rm grain}=3.5\) g cm\(^{-3}\). وَبِالتالِي، لِمُطابَقَةِ نَفْسِ أَحْجامِ الحَبِيباتِ فِي مَرْكَزِ الفَجْوَةِ، تَخْتَلِفُ أَرْقامُ سَتُوَكِّس المُسْتَخْدَمَةُ مِن نَمُوذَجٍ إِلَى آخَرَ.

تَفْتَرِضُ نَماذِجُنا وَصْفاً لِلزَوْجَةِ \(\alpha\) ثابِتَةً عَبْرَ القُرْصِ بِقِيمَةِ \(\alpha=10^{-3}\) (Shakura-Sunyaev). يُمْكِنُ أَنْ تَكُونَ لِقِيمَةِ \(\alpha\) المُفْتَرَضَةِ تَأْثِيراتٌ كَبِيرَةٌ عَلَى مُسْتَوَى الاِنْقِراض حَيْثُ أَنَّهَا عامِلٌ رَئِيسِيٌّ فِي تَحْدِيدِ مُسْتَوَى النُضُوبِ المَحَلِّيِّ داخِلَ الفَجَواتِ الَّتِي يَنْحُتها الكَوْكَبُ (Kanagawa..2015, Kanagawa..2017) وَتَرْسِيبِ الغُبارِ (Fromang..2009, Johansen..2014). نُناقِشُ الثَغَراتِ المُحْتَمَلَةَ للنمذجةِ بِمَزِيدٍ مِن التَفْصِيلِ فِي القِسْمِ [sec:disc].

بِالإِضافَةِ إِلَى ذٰلِكَ، نُقَدِّمُ خَرائِطَ اِنْقِراضٍ مُحَدَّدَةٍ لِمُرَشَّحِي أَقْراصٍ تَسْتَضِيفُ الكَواكِبَ فِي المُلْحَقِ [Appendix:disks]. تَمَّ تَأْكِيدُ اِكْتِشافِ الكَواكِبِ الأَوَّلِيَّةِ فِي هٰذِهِ الأَقْراصِ المُحَدَّدَةِ أَو لَدَيْها مُلاحَظاتٌ مُخَطَّطٌ لَها لِصَيْدِ الكَواكِبِ بِتَصْوِيرٍ عالِي التَبايُنِ بِاِسْتِخْدامِ عِدَّةِ أَدَواتٍ، مِمّا يَجْعَلُها أَهْدافاً مُثِيرَةً لِلاِهْتِمامِ لِبُحُوثِ تَكْوِينِ الكَواكِبِ.