latex
مُلَخَّص
يُعَدُّ رصد الإشعاع الراديوي الصادر عن كوكب خارجي الأنجع لتأكيد وجوده وتحديد مجاله المغناطيسي. إذ إن وجود حقل مغناطيسي كوكبي شرطٌ أساسي لحدوث انبعاثات عبر آلية عدم استقرار الميسر السيكلوتروني، غير أن وجود الحقل وحده لا يكفي. في موقع الانبعاث، لا بد أن يكون تردد السيكلوترون المحلي أعلى بما يكفي من تردد البلازما المحلي. وقد يؤدي الإشعاع النجمي القوي على كوكب ذي كتلة منخفضة إلى توسع غلافه الجوي وزيادة كثافة البلازما، مما يخنق الإشعاع الراديوي. ولذلك، يعتمد تردد البلازما المحلي على كتلة الكوكب ومسافته المدارية وخصائص النجم المضيف. نُظهر أن الغلاف الجوي الممتد قد يمنع انبعاث الراديو، ولا سيما للكواكب التي تقل كتلتها عن حوالى ضعفين كتلة المشتري وتقع على مسافات مدارية أقل من 0.2 وحدة فلكية. معظم المرشحين المثاليين المقترحين عبر قوانين توسيع الراديو يقعون ضمن هذا النطاق. يجب أن يؤخذ هذا التأثير في الحسبان عند اختيار أهداف حملات الرصد، كما يؤثر على تفسير البيانات المرصودة.
مُقَدِّمَة
في النظام الشمسي، تُصدر الكواكب التي تمتلك حقلاً مغناطيسيًا إشعاعًا راديويًا منخفض التردد متماسكًا ومستقطبًا عبر آلية عدم استقرار الميسر السيكلوتروني (Cyclotron Maser Instability) (Zarka98, Farrell99, Ergun00, Treumann06). وبالنسبة للكواكب الخارجية ذات الحقول المغناطيسية القوية بما فيه الكفاية، يُتوقع انبعاث مماثل. ويمكن اكتشاف هذه الإشارات الراديوية الخارجية باستخدام الأجيال الحديثة من التلسكوبات الراديوية (Griessmeier18Handbook, Lazio18Handbook, Zarka18Handbook).
عند إعداد حملات الرصد، يتبع الباحثون المقاربة التقليدية المتمثلة في استخدام المعلمات الخارجية المعروفة لكل كوكب، ثم تقدير أقصى تردد للإشعاع (استنادًا إلى قوة المجال المغناطيسي السطحي المقدرة) وكثافة التدفق الراديوي الواصل إلى الأرض. وقد اعتمد هذا النهج منذ الأعمال الرائدة لـ (Zarka97) و(Farrell99). ويؤدي ذلك إلى معايير تجعل الكوكب مصدراً محتملاً للكشف الراديوي: لكي يتجاوز تردده الحد الأدنى للأيونوسفير الأرضي، يلزمه عزم مغناطيسي معين؛ كما أن الكواكب الضخمة التي تمتلك حقولًا مغناطيسية قوية تكون أكثر احتمالاً للرصد. وعادةً ما تفترض النماذج أن الكواكب القريبة من نجمها أكثر ملاءمة للإشعاع الراديوي بفضل تدفق الطاقة الأكبر، فتُدرَج ضمن الأهداف المفضلة.
على مدى السنوات، تحسّنت دقة المعلمات الكوكبية، وتطوّرت التقريبات، وأضيفت نماذج جديدة بينما خضعت أخرى للتطوير. وفي هذا الإطار، يُجرى حاليًا استبدال الإصدار السابق من كود التنبؤ الراديوي (Griessmeier07AA) بالكود الموحد PALANTIR، وهو المنصة التنبؤية للتفاعلات الراديوية بين النجم والكوكب، والتي ستوفر سهولة في الاستخدام وقابلية للتطوير في المستقبل (Mauduit23PRE9).
مع تزايد فهمنا للإشعاعات الراديوية للكواكب وزيادة عدد الكواكب المكتشفة، أصبحت التقريبات الأولية معقدة أكثر وتضم آليات فيزيائية إضافية. من بين هذه الآثار التي دُرست حتى الآن لحالات منفصلة ولكن يتعين تناولها بشكل منهجي، العلاقة بين الظروف البلازمية المتوقعة قرب الكوكب وإمكانية رصده راديويًا. فقد يؤدي الإشعاع النجمي القوي للكواكب منخفضة الكتلة إلى غلاف جوي ممتد وكثافة بلازما عالية، وفي حال تجاوزت كثافة البلازما عتبة مقبولة بالنسبة لتردد السيكلوترون، يُخمد الإشعاع الراديوي. أما للكواكب الأكبر، فيظل غلافها الجوي هيدروستاتيكيًا حتى عند المدارات القريبة، ويبقى الإشعاع الراديوي ممكنًا. سنفصّل هذا الأثر في القسم [sec:plasma]، ونستعرض الدراسات السابقة في القسم [sec:previous]؛ ثم نقدم في القسم [sec:parameterspace] مساحة المعلمات التي قد يمنع فيها الإخماد رصد الراديو، ونختتم بآفاق مستقبلية في القسم [sec:perspectives].
ظروف البلازما في موقع مصدر الانبعاث
أظهرت الدراسات النظرية والرصدية أن آلية عدم استقرار الميسر السيكلوتروني تتطلب شروطًا بلازمية محددة لتعمل. بدقة أكثر، يجب أن يكون تردد البلازما الإلكترون المحلي \(f_{p}\) أقل من تردد السيكلوترون الإلكتروني المحلي \(f_{c}\) بنسبة معينة. وتشير النماذج إلى نسبة حرجة تبلغ 0.4، أي يعمل الانبعاث فقط إذا كان \(f_{p}/f_{c} < 0.4\) (Lequeau85, Hilgers92, Zarka01cutoff).
بمعنى آخر، يتطلب الانبعاث الراديوي مناطق ذات كثافة بلازما منخفضة وحقل مغناطيسي قوي. وغالبًا ما يُفترض أن هذا الشرط متاح للكواكب الخارجية (Griessmeier07AA). ومع ذلك، للكواكب القريبة جدًا، قد تظهر ظروف أخرى: إذ يُسخَّن الغلاف الجوي العلوي بأشعة X وUV من النجم المضيف، مما يؤدي أحيانًا إلى تمدده. وفي هذه الحالة، قد يمنع الغاز المتأين توليد أو هروب الانبعاثات الراديوية. أُثبت هذا التأثير من خلال المحاكاة العددية (DaleyYates17, DaleyYates18) والحسابات التحليلية (Weber17pre, Weber17, Weber18mnras, Erkaev22).
دراسات الحالة السابقة
في الأدبيات، دُرست عدة حالات:
للكواكب العملاقة الحارة ذات الكتلة المنخفضة، قد يؤدي الإشعاع النجمي القوي (أي المسافة المدارية الضيقة) إلى تمدد الغلاف الجوي، ومن ثم لا يكون انبعاث الراديو ممكنًا. وهذا هو الحال، على سبيل المثال، لكوكبي HD 209458b وHD 189733b، حيث تتراوح المسافة المدارية الحرجة بين 0.2 و0.5 وحدة فلكية.
للكواكب العملاقة الحارة ذات الكتلة العالية، يبقى الغلاف الجوي «مضغوطًا» مرتبطًا بقوة بالكوكب، ولا يزال انبعاث الراديو ممكنًا حتى عند المسافات المدارية القريبة. مثال على ذلك هو الكوكب \(\tau\) Bootis b (بكتلة تقريبية \(5.84\,M_J\)) كما نوقش في (Weber18mnras).
حالة \(\upsilon\) Andromedae b مثيرة للاهتمام؛ فالكتلة الحقيقية غير معروفة ويُعطى فقط حد أدنى من القياسات الشعاعية. نمذجة غلافه الجوي لمختلف القيم الكتلية أظهر أنها لا تُظهر إشعاعًا إذا كانت الكتلة \(2.25\,M_J\). وبالعكس، فإن رصد إشعاع راديوي سيكون مؤشرًا على أن الكتلة تتجاوز هذا الحد. وقد أُدرج كل من \(\tau\) Bootis b و\(\upsilon\) Andromedae b في ملاحظات حديثة باستخدام LOFAR وNenuFAR (Turner21,Turner23PRE9).
من الواضح أن الكواكب تختلف اختلافًا لافتًا، ويبدأ شكل عام للنتائج في الظهور. ففي النهج المبسط، تُفضّل الكواكب الضخمة والقريبة لرصد الراديو بسبب التردد الأقصى الأعلى (\(f_c^{\min}=10\) ميغاهرتز) وتدفق الطاقة الكبير. لكن عند مراعاة إخماد الغلاف الجوي الممتد، تصبح الكتلة العالية ضرورية أيضًا للحفاظ على غلاف مضغوط وتخفيض نسبة \(f_{p}/f_{c}\). والمسافات المدارية الصغيرة مقبولة فقط فوق حدٍّ أدنى: إذا كانت المسافة أقل من قيمة حرجة، يتمدد الغلاف الجوي ويُخمد الإشعاع.
مساحة المعلمات لإخماد الراديو
يتجاوز تفصيل كل حالة على حدة نطاق هذا العمل، وسيترك للأبحاث المستقبلية. هنا، نقدّر المنطقة في فضاء المعلمات من حيث كتلة الكوكب والمسافة المدارية التي يصبح فيها تأثير الإخماد مهمًا. أولًا، نضع حدًا أدنى للكتلة (\(M_\text{min}=0.01\,M_J\)) لأن الكواكب ذات الكتل الأقل تُعتبر عمومًا غير ملائمة. ثانيًا، وبالاستناد إلى حالة \(\upsilon\) And b، نفترض أن الكواكب التي تزيد كتلتها عن \(2\,M_J\) محمية من الإخماد، فنختار (\(M_\text{max}=2\,M_J\)). ثالثًا، نعتمد حدًا أدنى محافظًا للمسافات المدارية يبلغ 0.2 AU (استنادًا إلى حالة HD 209458 b).
تُظهر النتائج أنّ هذه المعايير تحدد مساحة كبيرة من المعلمات قد يُمنع ضمنها انبعاث الراديو (انظر الشكل [fig:stat])، وتشمل حاليًا (780) من أصل (5332) كواكب خارجية معروفة. والأهم، أنّ العديد من المرشحين الجيدين وفق قوانين التوسع الراديوية يقعون ضمن هذه المساحة.
بالفعل، المعلمتان ليستا مستقلتين؛ فالقيمة الدنيا للكتلة اللازمة لمنع تمدد الغلاف تعتمد على المسافة المدارية، مما ينتج حدودًا أكثر تعقيدًا. وستتأثر هذه الحدود أيضًا بنصف قطر الكوكب وكتلة وعمر النجم. وستُستكشف هذه الفضاءات بشكل منهجي في الأعمال القادمة.
الآفاق
لطالما عُرِف أن كتلة الكوكب تلعب دورًا رئيسيًا في توليد حقل مغناطيسي ذاتي قوي، وبالتالي في إصدار إشعاع راديوي. وقد اتضح مؤخرًا أن الكتلة العالية مهمة أيضًا لحفظ الغلاف الجوي من الانبثاق عند المدارات القريبة، فتجنب الظروف التي تحبس الغاز المتأين الممتد أو تُخمد الإشعاع الراديوي. وتعتمد الكتلة الدنيا المطلوبة على المسافة المدارية وخصائص النجم المضيف.
حتى الآن حُدِدت هذه الظاهرة لحالات فردية، ونخطط لإجراء دراسة منهجية لمساحة المعلمات الملائمة لإصدار الانبعاث الراديوي، ودمج هذا المعيار في نظام الانتقاء PALANTIR (Mauduit23PRE9) لتحسين اختيار الأهداف لحملات الرصد الراديوية منخفضة التردد مثل NenuFAR (Turner23PRE9).
الشكر والتقدير:
استُخدمت بيانات موسوعة الكواكب الخارجية (exoplanet.eu) التي يديرها ج. شنايدر (2011AASchneider).
دعم هذا العمل برنامج الكوكب الوطني (PNP) لـ CNRS/INSU الممول من CNES وبرنامج الفيزياء النجمية الوطني (PNPS) الممول من CEA وCNES.
نشكر المراجعين المجهولين على مقترحاتهم المفيدة والبناءة.