مُلَخَّص

تُحدِث مهمة الفضاء Gaia أثرًا كبيرًا في علم الفلك عبر توفير مجموعة بيانات موحَّدة ومتجانسة ودقيقة لأكثر من مليار نجم وأجرام سماوية أخرى في مجرّة درب التبانة وما وراءها. وقد استفاد علم الكواكب الخارجية على نحو خاص من الدقّة غير المسبوقة للمعلمات النجمية المُستمدّة من Gaia. في هذه الدراسة، نجمع بين البيانات الضوئية والفلكية والطيفية من أحدث إصدار Gaia DR3 لفحص مقاييس العُمر الكيميائية والحركية لعينة كبيرة تضم 2611 نجمًا مُضيفًا للكواكب الخارجية محدَّدة المعايير على نحوٍ موحَّد. باستخدام البيانات الطيفية من مطياف السرعة الشعاعية (RVS) على متن Gaia، نُظهر أنّ النجوم التي تستضيف كواكب عملاقة أغنى معدنيًا وأفقر بعناصر ألفا مقارنةً بتلك التي تستضيف كواكب صغيرة. كما تكشف التحليلات الحركية للعينة أنّ الأنظمة النجمية المُضيفة للكواكب الصغيرة وتلك المُضيفة للكواكب العملاقة تختلف في مركّبات سرعة الفضاء المجري ومعلمات المدار، وهي مؤشّرات ذات صلة بالعُمر. نجد فروقًا ذات دلالة إحصائية في معلمات المدار المجري قدرها 0.06 كيلوفرسخ لـ\(Z_{\max}\) و0.03 في الانحراف المعياري، على التوالي. علاوةً على ذلك، قدَّرنا أعمار النجوم باستخدام إيزوكرونات MIST-MESA. وتشير النتائج إلى أنّ مضيفي الأنظمة الكوكبية العملاقة أصغر عُمرًا إحصائيًا مقارنةً بمجموعة النجوم المُضيفة للكواكب الصغيرة. وتتوافق هذه الاتجاهات العمرية أيضًا مع التطوّر الكيميائي للمجرة وآليات تكوين الكواكب العملاقة عبر التراكم النواتي.

مُقَدِّمَة

شهد علم الفلك والفيزياء الفلكية تقدُّمًا غير مسبوق بفضل مهمة الفضاء Gaia، لما توفره من حجم هائل وجودة عالية في البيانات الطيفية والفلكية والضوئية (GAIA, 2022arXiv220800211G). ولم يَغِب أثر Gaia عن علم الكواكب الخارجية؛ إذ أُولِي القياس الفلكيّ أهمية كبيرة لاكتشاف الكواكب لما يوفّره من قياسات دقيقة لكتلة الكوكب وفترة مداره (2014ApJ...797...14P). ومع زيادة الدقة بمقدار 30 مرّة مقارنةً بمهمة HIPPARCOS (1997SSRv...81..201V)، يُتوقع أن تكتشف Gaia آلاف الكواكب الخارجية في الإصدارات اللاحقة. وإلى جانب الاكتشاف، تُحسِّن Gaia معلمات النجوم والكواكب بأعلى دقة متاحة (2018ApJ...866...99B, 2020AJ....160..108B).

أتاحت هذه الدقّة العالية ترسيخ علاقات بين خصائص النجوم والخصائص الفيزيائية للكواكب، مثل علاقة نصف قطر الكوكب بمعدنية النجم (2014Natur.509..593B, 2018ApJ...853...37S, nar18). كما أُثبت وجود «وادي نصف القطر» في توزيع أنصاف أقطار الكواكب الخارجية، وهو فجوة بين فئة الأرْض الفائقة (\(R \sim 1.4\,R_{\oplus}\)) وفئة النبتونات الصغرى (\(R \sim 2.4\,R_{\oplus}\))، مع ندرة حول (\(R \sim 1.8\,R_{\oplus}\)) (2017AJ....154..109F, 2019ApJ...880L...1A, 2022AJ....163..179P).

انصبّ اهتمام الدراسات كذلك على كيفية تأثير خصائص النجوم في معالم أنظمتها الكوكبية. فقد أظهرت دراسات طيفية اختلاف توزيع المعدنية بين النجوم المُضيفة للكواكب الصغيرة (\(M_{P}<0.3\,M_{J}\)) وتلك المُضيفة للكواكب العملاقة (\(0.3\,M_{J}\leq M_{P}\leq 13\,M_{J}\))، ما يشير إلى اختلاف في الأصول والتكوين (1997MNRAS.285..403G, san01, fis05, 2007ARA&A..45..397U, 2012Natur.486..375B, 2014Natur.509..593B, 2014ApJ...789L...3D, 2015AJ....149..143F, 2017AJ....154..108J, pet18, mul18, nar18, 2021AJ....161..114S). وأوضحت تحليلات وفرة العناصر التفصيلية أنّ النجوم المُضيفة للكواكب العملاقة أفقر بعناصر ألفا (2022AJ....164...60S, 2022arXiv220810057U)، ما يُعزّز اعتماد \([\alpha]/\mathrm{Fe}\) كمؤشِّر للعُمر ويُشير إلى أنّ الأنظمة ذات الكواكب الصغيرة بدأت تتشكّل أبكر زمنيًا من نظيراتها العملاقة (2019A&A...624A..78D). وقد توافقت تقديرات الأعمار من الإيزوكرونات مع هذه النتائج (2015A&A...575A..18B, 2022AJ....164...60S)، كما دعمتها دراسات الحركيات والمعلمات المدارية (نارانج وآخرون، قيد المراجعة).

على الرغم من تلك النتائج، فقد اعتمدت معظم الدراسات السابقة على عينات مُختلطة جُمِعت من مسوحات وأدوات مختلفة، ما يزيد التحيّزات ويُصعِّب المقارنات. لذلك يُعد استخدام عيّنة كبيرة ومتجانسة ومُعالَجة تحت شروط منهجية متشابهة أمرًا حاسمًا لتأكيد هذه الاتجاهات. ومع توافر Gaia DR3 بات بالإمكان دراسة عيّنة أوسع وأكثر اتساقًا من النجوم المُضيفة للكواكب.

توفر «وحدة المعلمات النجمية العامة» (GSP) أطيافًا متوسطة الدقة (\(R \sim 11500\)) من مطياف السرعة الشعاعية على متن Gaia (2022arXiv220605541R)، وتستخرج منها معلمات الغلاف الجوي النجمي ([M/H]، T_eff، log g)، إضافةً إلى وفرة [X/Fe] لـ13 عنصرًا، من ضمنها ثمانية من عناصر ألفا. وإلى ذلك، تُقدِّم Gaia معلمات فلكية وضوئية دقيقة لأكثر من ملياري نجم.

في هذه الورقة، ندرس عيّنة من 2611 نجمًا مُضيفًا للكواكب، مع معلمات طيفية وحركية وضوئية مستخلَصة من Gaia DR3. نصف العيّنة في القسم 2، ونُقدِّم نتائج التحليلات الطيفية والحركية وتقديرات الأعمار في القسم 3. نناقش النتائج في سياق نظريات تكوين الكواكب والتحيّزات المحتملة في القسم 4، ثم نعرض الخلاصات في القسم 5.