مُلَخَّص

يُعَدّ رصدُ الإشعاع الراديوي الصادر عن كوكبٍ خارجيّ من أَنجع الوسائل لتأكيد وجودِه واستقصاءِ مجالِه المغناطيسي. فوجودُ مجالٍ مغناطيسيّ كوكبيّ شرطٌ أساسيّ لانبعاث الإشعاع عبر آليّة عدمِ استقرارِ المِيزَر السيكلوتروني؛ غير أنّ وجود المجال وحده لا يكفي. عند موقع الانبعاث يجب أن يتجاوز تردّدُ السيكلوترون الإلكترونيّ المحليّ تردّدَ البلازما الإلكترونيّ المحليّ بمقدارٍ كافٍ. وقد يؤدّي إشعاعٌ نجميّ قويّ على كوكبٍ منخفضِ الكتلة إلى تمدّد غلافِه الجويّ وزيادةِ كثافةِ البلازما، بما يُخنِق الإشعاعَ الراديوي. لذا يعتمد تردّدُ البلازما المحليّ على كتلة الكوكب ومسافتِه المدارية وخصائصِ النجم المضيف. نُظهر أنّ الغلافَ الجويّ الممدود قد يمنع انبعاث الراديو، ولا سيّما للكواكب التي تقلّ كتلتُها عن نحو ضعفين من كتلة المشتري وتقع على مسافاتٍ مداريةٍ أقلّ من 0.2 وحدةٍ فلكية. كثيرٌ من المرشّحين المثاليين المقترَحين عبر قوانين القياس الراديوية يقعون ضمن هذا النطاق. يجب أن يُؤخَذ هذا التأثير في الحسبان عند اختيار أهداف حملات الرصد، كما يؤثّر في تفسير البيانات المرصودة.

مُقَدِّمَة

في النظام الشمسي، تُصدر الكواكبُ التي تمتلك مجالًا مغناطيسيًّا إشعاعًا راديويًّا منخفضَ التردّد متماسكًا ومُستقطَبًا عبر آليّة عدمِ استقرارِ المِيزَر السيكلوتروني (Cyclotron Maser Instability) (Zarka98, Farrell99, Ergun00, Treumann06). وبالنسبة للكواكب الخارجية ذات المجالات المغناطيسية القوية بما يكفي، يُتوقَّع انبعاثٌ مماثل. ويمكن اكتشاف هذه الإشارات الراديوية الخارجية باستخدام الأجيال الحديثة من المقاريب/المراصد الراديوية (Griessmeier18Handbook, Lazio18Handbook, Zarka18Handbook).

عند إعداد حملات الرصد، يتّبع الباحثون مقاربةً تقليدية تتمثّل في استخدام المعلمات الخارجية المعروفة لكلّ كوكب، ثمّ تقدير أقصى تردّدٍ للإشعاع (استنادًا إلى شدّة المجال المغناطيسي السطحي المقدَّرة) وكثافةِ التدفق الراديوي الواصل إلى الأرض. وقد اعتُمِد هذا النهج منذ الأعمال الرائدة لـ (Zarka97) و(Farrell99). ويؤدّي ذلك إلى معاييرَ تُحدِّد ما إذا كان الكوكب مصدرًا مرجَّحًا للكشف الراديوي: لكي يتجاوز تردّدُ الانبعاث عتبةَ نَفاذِ الأيونوسفير الأرضي، يلزمه حدٌّ أدنى من العزم/العتاد المغناطيسي؛ كما تكون الكواكبُ الضخمة ذاتُ المجالاتِ الأقوى أكثرَ احتمالًا للرصد. وغالبًا ما تفترض النماذج أنّ الكواكب الأقرب إلى نجمها أكثرُ ملاءمةً للإشعاع الراديوي بفضل تدفّق الطاقة الأكبر، فتُدرج ضمن الأهداف المفضّلة.

على مدى السنوات، تحسّنت دقّةُ المعلمات الكوكبية، وتطوّرت التقريبات، وأُضيفت نماذجُ جديدة بينما أُعيد تطويرُ أخرى. وفي هذا الإطار، يُستبدَل الإصدارُ السابق من كود التنبؤ الراديوي (Griessmeier07AA) بالكود المُوحَّد PALANTIR، وهي المنصّةُ التنبؤية للتفاعلات الراديوية بين النجم والكوكب، والتي ستوفّر سهولةً في الاستخدام وقابليةً للتطوير مستقبلًا (Mauduit23PRE9).

مع تزايد فهمِنا للإشعاعات الراديوية الكوكبية وازدياد عدد الكواكب المكتشفة، أصبحت التقريباتُ الأوّلية أكثرَ تعقيدًا وتضمّ آلياتٍ فيزيائية إضافية. ومن بين الآثار التي دُرست حتى الآن في حالاتٍ منفصلة لكن ينبغي تناولُها منهجيًّا، العلاقةُ بين الظروف البلازمية المتوقَّعة قرب الكوكب وإمكان رصدِه راديويًّا. فقد يؤدّي الإشعاعُ النجميّ القوي للكواكب منخفضةِ الكتلة إلى غلافٍ جويٍّ متمدِّد وكثافةِ بلازما مرتفعة، فإذا تجاوزت كثافةُ البلازما عتبةً مقبولة نسبةً إلى تردّد السيكلوترون، يُخمَد الإشعاعُ الراديوي. أمّا للكواكب الأكبر، فيظلّ غلافُها الجوي هيدروستاتيكيًّا حتى عند المدارات القريبة، ويَبقى الإشعاعُ الراديوي ممكنًا. سنفصّل هذا الأثر في القسم «ظروف البلازما في موقع مصدر الانبعاث»، ونستعرض الدراساتَ السابقة في القسم «دراسات الحالة السابقة»؛ ثمّ نقدّم في القسم «مساحة المعلمات لإخماد الراديو» فضاءَ المعلمات الذي قد يمنع فيه الإخمادُ رصدَ الراديو، ونختتم بآفاق مستقبلية في القسم «الآفاق».

ظروف البلازما في موقع مصدر الانبعاث

أظهرت الدراساتُ النظرية والرصدية أنّ آليّةَ عدمِ استقرارِ المِيزَر السيكلوتروني تتطلّب شروطًا بلازميةً محدّدة لتعمل. بدقّةٍ أكبر، يجب أن يكون تردّدُ البلازما الإلكترونيّ المحلي \(f_{p}\) أقلَّ من تردّد السيكلوترون الإلكترونيّ المحلي \(f_{c}\) بنسبةٍ معينة. وتشير النماذج إلى نسبةٍ حرجة تبلغ 0.4، أي إنّ الانبعاث يعمل فقط إذا كان \(f_{p}/f_{c} < 0.4\) (Lequeau85, Hilgers92, Zarka01cutoff).

بمعنى آخر، يتطلّب الانبعاثُ الراديوي مناطقَ ذاتَ كثافةِ بلازما منخفضة ومجالًا مغناطيسيًّا قويًّا. وغالبًا ما يُفترض أنّ هذا الشرط متاحٌ للكواكب الخارجية (Griessmeier07AA). ومع ذلك، للكواكب القريبة جدًّا قد تظهر ظروفٌ مغايرة: إذ يُسخَّن الغلافُ الجوي العلوي بأشعّة X وUV من النجم المضيف، ما يؤدّي أحيانًا إلى تمدّده. في هذه الحالة، قد يمنع الغازُ المتأيّن توليدَ الانبعاثات الراديوية أو هروبَها. وقد أُثبِت هذا التأثيرُ بالمحاكاة العددية (DaleyYates17, DaleyYates18) والحسابات التحليلية (Weber17pre, Weber17, Weber18mnras, Erkaev22).

دراسات الحالة السابقة

في الأدبيات، دُرست عدّةُ حالات:

• للكواكب العملاقة الحارّة منخفضةِ الكتلة، قد يؤدّي الإشعاعُ النجميّ القويّ (أي المسافةُ المدارية الضيّقة) إلى تمدّد الغلاف الجوي، ومن ثمّ لا يكون انبعاثُ الراديو ممكنًا. وهذا هو الحال، على سبيل المثال، لكوكبَي HD 209458b وHD 189733b، حيث تتراوح المسافةُ المدارية الحرجة بين 0.2 و0.5 وحدةٍ فلكية.

• للكواكب العملاقة الحارّة عاليةِ الكتلة، يبقى الغلافُ الجوي «مضغوطًا» ومرتبطًا بقوةٍ بالكوكب، ويظلّ انبعاثُ الراديو ممكنًا حتى عند المسافات المدارية القريبة. مثالٌ على ذلك هو الكوكب \(\tau\) Bootis b (بكتلةٍ تقريبية \(5.84\,M_J\)) كما نوقش في (Weber18mnras).

• حالةُ \(\upsilon\) Andromedae b مثيرةٌ للاهتمام؛ فالكتلةُ الحقيقية غير معروفة ويُقدَّم فقط حدٌّ أدنى منها من قياسات السرعة الشعاعية. وقد أظهرت نمذجةُ غلافِه الجوي لمختلف القيم الكتلية أنّه لا يُظهر إشعاعًا إذا كانت الكتلة \(2.25\,M_J\) أو أقلّ. وبالعكس، فإنّ رصدَ إشعاعٍ راديوي سيكون مؤشِّرًا إلى أنّ الكتلة تتجاوز هذا الحد. وقد أُدرِج كلٌّ من \(\tau\) Bootis b و\(\upsilon\) Andromedae b في ملاحظاتٍ حديثة باستخدام LOFAR وNenuFAR (Turner21,Turner23PRE9).

من الواضح أنّ الكواكب تختلف اختلافًا لافتًا، ويبدأ نمطٌ عام للنتائج في الظهور. ففي النهج المُبسَّط، تُفضَّل الكواكبُ الضخمةُ والقريبةُ لرصد الراديو بسبب كون تردّدها الأقصى غالبًا أعلى ولتوفر تدفّق طاقةٍ كبير، مع شرط النفاذ عبر الأيونوسفير الأرضي \(f_c^{\min}=10\) ميغاهرتز. لكن عند مراعاة إخماد الغلاف الجوي المتمدِّد، تصبح الكتلةُ العالية ضروريةً أيضًا للحفاظ على غلافٍ مضغوط وخفضِ نسبة \(f_{p}/f_{c}\). والمسافاتُ المدارية الصغيرة مقبولةٌ فقط فوق حدٍّ أدنى: إذا كانت المسافةُ أقلّ من قيمةٍ حرجة، يتمدّد الغلافُ الجوي ويُخمَد الإشعاع.

مساحة المعلمات لإخماد الراديو

يتجاوز تفصيلُ كلّ حالةٍ على حِدة نطاقَ هذا العمل، ويُترَك للأبحاث المستقبلية. هنا، نُقدِّر المنطقةَ في فضاء المعلمات من حيث كتلةِ الكوكب والمسافةِ المدارية التي يصبح فيها تأثيرُ الإخماد مهمًّا. أوّلًا، نضع حدًّا أدنى للكتلة (\(M_\text{min}=0.01\,M_J\)) لأنّ الكواكب ذات الكتل الأقلّ تُعتبَر عمومًا غيرَ ملائمة. ثانيًا، وبالاستناد إلى حالة \(\upsilon\) And b، نفترض أنّ الكواكب التي تزيد كتلتُها عن \(2\,M_J\) محميّةٌ من الإخماد، فنختار (\(M_\text{max}=2\,M_J\)). ثالثًا، نعتمد حدًّا أدنى محافظًا للمسافات المدارية يبلغ 0.2 وحدةً فلكية (استنادًا إلى حالة HD 209458 b).

تُظهر النتائجُ أنّ هذه المعاييرَ تُحدِّد مساحةً كبيرةً من فضاء المعلمات قد يُمنَع ضمنها انبعاثُ الراديو (انظر الشكل [fig:stat])، وتشمل حاليًّا (780) من أصل (5332) كوكبًا خارجيًّا معروفًا. والأهمّ أنّ العديد من المرشّحين الجيّدين وفق قوانين القياس الراديوية يقعون ضمن هذه المساحة.

في الواقع، المعلمتان ليستا مستقلّتَين؛ فالقيمةُ الدنيا للكتلة اللازمة لمنع تمدّد الغلاف تعتمد على المسافة المدارية، ما يُنتِج حدودًا أكثرَ تعقيدًا. وستتأثّر هذه الحدودُ أيضًا بنصفِ قطر الكوكب وبكتلةِ وعُمرِ النجم. وستُستكشف هذه الفضاءاتُ على نحوٍ منهجيّ في الأعمال القادمة.

الآفاق

لطالما عُرِف أنّ كتلةَ الكوكب تلعب دورًا رئيسيًا في توليد مجالٍ مغناطيسيّ ذاتيّ قويّ، وبالتالي في إصدار إشعاعٍ راديوي. وقد اتّضح حديثًا أنّ الكتلةَ العالية مهمّةٌ أيضًا لحفظ الغلاف الجوي من الانفلات/الانبعاث عند المدارات القريبة، فتجنّب الظروفَ التي تحبس الغازَ المتأيّن الممدود أو تُخمِد الإشعاعَ الراديوي. وتعتمد الكتلةُ الدنيا المطلوبة على المسافة المدارية وخصائصِ النجم المضيف.

حتى الآن، حُدِّدت هذه الظاهرةُ في حالاتٍ فردية، ونخطّط لإجراء دراسةٍ منهجية لفضاء المعلمات الملائم لإصدار الانبعاث الراديوي، ودمجِ هذا المعيار في نظام الانتقاء PALANTIR (Mauduit23PRE9) لتحسين اختيار الأهداف لحملات الرصد الراديوية منخفضة التردّد مثل NenuFAR (Turner23PRE9).

الشكرُ والتقدير

استُخدمت بياناتُ موسوعةِ الكواكب الخارجية (exoplanet.eu) التي يديرها ج. شنايدر (2011AASchneider).

دَعَم هذا العملَ برنامجُ الكوكب الوطني (PNP) لـ CNRS/INSU المموَّل من CNES، وبرنامجُ الفيزياء النجمية الوطني (PNPS) المموَّل من CEA وCNES.

نشكر المراجعين المجهولين على مقترحاتهم المفيدة والبنّاءة.