قيَم الإخماد باتجاه كواكب مُدمَجة في الأقراص قبل الكوكبيّة مُقدَّرة من محاكاة هيدروديناميكيّة

Felipe Alarcón

Edwin A. Bergin

Gabriele Cugno

latex

مُلخَّص

مع تطوّر كوروناغرافات ذات حدود تباين أعمق، إلى جانب الحملات الجارية والمخطَّط لها للتصوير عالي التباين، تتّسع قدرة هذه المهمّات على كشف الكواكب قيد التشكُّل. يتيح ذلك فرصة فريدة لتوصيف الكواكب الفتيّة وبيئاتها المحيطة. مع ذلك، ما تزال هناك لايقينيّات كبيرة في قيَم الإخماد الضوئي (الانقراض) عبر مناطق مختلفة من الأقراص قبل الكوكبيّة، ما يُقيِّد قدرتنا على توصيف تلك الكواكب. إن تقدير الإخماد بدقّة، استناداً إلى تصوير متعدّد الأطوال الموجيّة، يمكّن من تقييد مستويات الإخماد ونموّ الغبار وتطوّر القرص ومعدّلات التراكم خلال المرحلة قبل الكوكبيّة.

في هذا العمل نستخدم محاكاة هيدروديناميكيّة مُقيَّدة بمدخلات رصديّة لقرص قبل كوكبي مُستخلَصة من انبعاثات الغبار والغاز، لاستكشاف خرائط الإخماد المتوقَّع لمرشّحات الاستمرارية وكذلك لمرشّحات خطوط الهيدروجين القويّة بوصفها مُؤشِّرات للتراكم، إضافةً إلى مرشّحات بصريّة ضيّقة رئيسة. نقدِّم علاقة تحجيم لقيَم الإخماد بدلالة الكتلة الكوكبيّة وكتلة القرص لثلاثة مقادير مختلفة من كتل الكواكب العملاقة، ونستعرض أيضاً قيَماً لمجموعة فرعيّة من الأقراص موضع الاهتمام التي استهدفتها حملات التصوير متعدّد الأطوال الموجيّة. ستساعد هذه القيَم في تحسين تصميم مسوحات البحث المستقبليّة عن الكواكب، وتوفّر إطاراً لفهم أسباب عدم الكشف في الأقراص قبل الكوكبيّة، وتفسير التدفّقات المرصودة للمصادر النقطيّة إلى جانب شروط ولادة الكواكب الفتيّة.

مُقَدِّمَة

مع تطبيق خوارزميّات مخصّصة للتصوير عالي التباين في حملات البحث عن الكواكب، أضحى الكشف المباشر عن كواكب قيد التشكُّل أمراً واقعاً (Keppler..2018, Haffert..et..al..2019, Currie..2022, Yifan..2022, Hammond..2023). ومع ذلك، تُظهر العديد من الدراسات المتخصّصة أن معدّل الكشف عن الأجسام المرافقة الكوكبيّة في الأقراص المحيطة بالنجوم منخفض جدّاً (Cugno2019, Zurlo..2020, Jorquera..21, Asensio-Torres..21, Huelamo..2022, Cugno..2023..NACO, Follette..2023). قد يرجع ذلك إلى الإخماد الضوئي العالي في الأطوال الموجيّة البصريّة والقريبة من تحت الحمراء بسبب الطبيعة الغنيّة بالغبار لتلك الأقراص. وفي الوقت نفسه، حدّدت تلك الدراسات حدوداً عُليا لانبعاث الكوكب في عدّة نطاقات فوتومتريّة. بالتوازي، يمكن أن توفّر قيود دقيقة على الإخماد من قرص المُضيف معلومات أساسيّة لفهم بيئات تكوين الكواكب قيد التشكُّل، وهو ما يفيد على نحو خاص في تصميم الحملات المستقبليّة.

تضمّ المرافق الحاليّة والقادمة أدوات مكرّسة للتصوير عالي التباين، مثل MagAO-X وELT/METIS وتلسكوب الفضاء نانسي غريس رومان. وإلى جانب هذه الأجهزة ذات حدود التباين الأعمق، تدفع تقنيّات البصريات التكيُّفية المتقدّمة حدَّ الدقّة الممكنة. وتهدف تقنيات معالجة الصور مثل التصوير التفاضلي المرجعي (Grady..1999)، والتصوير التفاضلي الزاوي (Marois..2006)، والتصوير التفاضلي بالاستقطاب (Kuhn..2001)، والتصوير التفاضلي الطيفي (Claudi..2008) إلى تحقيق أفضل فصل ممكن لضوء النجم المتناثر بغية الحدّ من تلوُّث إشارة الكوكب. ومع قدرات هذه الأدوات المتطوّرة، سيتحسّن حدّ الكشف من نطاق الكواكب العملاقة إلى الكواكب الشبيهة بالأرض وعلى مسافات زاويّة أقرب كثيراً إلى نجومها المضيفة، ما يتيح الوصول إلى منطقة تكوُّن الكواكب الأرضيّة. لذلك يُعدّ فهم القيود الرصدية والإخماد في الأقراص المحيطة بالنجوم أمراً حاسماً لنجاح الدراسات الحاليّة والمستقبليّة للبحث عن الكواكب قيد التشكُّل.

تناولت دراسات أخرى في الأدبيّات موضوع قابليّة رصد الكواكب التي تتنامى عبر التراكم داخل الأقراص المحيطة بالنجوم. يقدّم (Chen..22) تنبؤات بقابليّة رصد الأقراص الكوكبيّة باستخدام التلسكوب الأوروبي العملاق E-ELT وأداة METIS إلى جانب تلسكوب جيمس ويب (Boccaletti..22, Girard..22, Oberg..23). كما استخدم (Sanchis..2020) محاكاة هيدروديناميكيّة ثلاثيّة الأبعاد لكواكب ضخمة للتنبؤ بالإخماد عبر تكامل عمود الكثافة على طول خطّ النظر وتحويله إلى \(A_\lambda\) باستخدام منحنيات إخماد الوسط بين النجمي. تُظهِر هذه الأعمال أن الفهم الدقيق لكلٍّ من انبعاث الكوكب والإخماد سيكون مفتاحاً لاستغلال الإمكانات الكاملة للمرافق الحاليّة والمستقبليّة.

استخلصت دراسات رصديّة عدّة قيوداً على محتوى الغبار في الأقراص الكوكبيّة قيد التشكُّل. فقد وفّر مرصد أتاكاما المِليمتري/دون المِليمتري الكبير (ALMA) قيوداً على كمّية الحبيبات بحجم المليمتر في هذه الأقراص ووصف توزيعها المكاني، إلى جانب البُنى القابلة للإرجاع إلى تأثيرات كوكبيّة تفسّر هيئة القرص عند تلك الأطوال الموجيّة، بينما قدّمت المسوحات في تحت الحمراء معلومات مكمِّلة عن غبار بمراتب ميكرونيّة على سطوح الأقراص. إن دمج هذه البيانات جميعاً مفتاحٌ لقياس الإخماد في الأطوال الموجيّة البصريّة وتحت الحمراء، ولتحديد قابليّة رصد الكواكب قيد التشكُّل في الظروف النموذجيّة للأطوال الموجيّة نفسها.

نركّز في هذا العمل على تنبؤات الإخماد المتوقَّع لهندسات وأحجام حبيبات مختلفة، والتي يمكن دمجها مع توقّعات شدّة إشعاع الكواكب المتراكِمة مادّةً (Zhu..2015) لتحسين الكشف عن المصادر النقطيّة باستخدام نقاط فوتومتريّة متعدّدة الأطوال الموجيّة. نحلّل اعتماد قيَم الإخماد على زاوية الميل، والحجم الأقصى المفترض لحبيبات الغبار، وكتلة الكوكب. نناقش الأطوال الموجيّة والتكوينات المعماريّة الأنسب لحملات البحث عن الكواكب بالنظر إلى التباين المتوقَّع والفواصل الزاويّة. كما يمكن لاختيار المرشّحات المُناسبة لهدف محدّد أن يقلّل زمن الرصد، ما يزيد الغِلّة العلميّة ويُسهم في توصيف خصائص القرص والكوكب قيد التشكُّل.

يُنظَّم هذا العمل كما يلي: نصف المنهجيّة في القسم: النمذجة العدديّة والطُّرُق، ثم نعرض النتائج في القسم: النتائج. بعد ذلك نناقشها في سياق حملات التصوير عالي التباين الحاليّة في القسم: المناقشة، ونلخّص الخلاصات الرئيسة في القسم: الخلاصة. بالإضافة إلى ذلك، نقدّم في الملحق: الأقراص قيَم الإخماد في أقراص كوكبيّة قيد التشكُّل كثيراً ما تستهدفها حملات التصوير عالي التباين بوصفها مرشّحة لاستضافة كواكب قيد التشكُّل.

النمذجة العَدَديّة والطُّرُق

نَسْتَكْشِفُ الإخمادَ الضوئيَّ في أَقْراصِ تَكْوينِ الكَواكِب تَحْتَ ظُرُوفٍ واقِعِيّةٍ وزوايا ميلٍ مُخْتَلِفَةٍ لِلقُرْص. نُجْري مُحاكاةً هيدروديناميكيّةً بِاِسْتِخْدامِ الكود FARGO3D (FARGO3D) مَعَ كَواكِبَ أَوَّليّةٍ مُدمَجةٍ. نَحْسِبُ أَيْضاً التَّغَيُّراتِ في العُمْقِ البَصَريِّ لمجموعاتِ غُبارٍ مُتنوِّعةٍ عَبْرَ تغييرِ الحَجْمِ الأَقْصَى لِحَبِيباتِ الطَّوْرِ الصَّغير، مِمّا يُفْضي إِلى فُروقٍ في إخمادِ الغُبار.