مُلَخَّص

مع تزايد القُدرة على توصيف أغلفة الكواكب الخارجيّة الجويّة على نطاقٍ واسع، سيتسنّى لنا مُستقبلاً استخراج خصائصها الإحصائيّة. في هذا الإطار، وباستخدام نموذج مُطَبَّق ضمن نظامنا الشمسي، نُجري مُحاكاة ثلاثيّة الأبعاد للمغناطيسيّة الهيدروديناميكيّة لحساب مُعَدَّلات هروب الأيونات غير الحراريّة من الغلاف الجوي للكواكب الصخريّة غير المُـمَغْنَطة بوصفها دالّة في نِصْفِ قُطْر الكوكب، وذلك تحت ظروف إشعاع ورياح نَجميّة ثابتة. وأظهرت النتائج أنّ مُعَدَّل هروب الغلاف الجوي يتّبع دالّة غير رتيبة في نِصْفِ قُطْر الكوكب \(R\)، وأنّه يُظهِر قيمة عُظمى عند \(R \sim 0.7\,R_\oplus\)². قد ينشأ هذا الاتِّجاه من توازُنٍ مُعقَّد بين مساحة المقطع العرضي للكوكب (التي تزداد مع الحجم، ما يُعزّز مُعَدَّلات الهروب) وسُرعة الهروب المرتبطة به (التي تزداد أيضاً مع الحجم، لكنّها تُقلِّل مُعَدَّلات الهروب). وقد تُوجِّه نتائجُنا مُلاحظاتِ المستقبل، إذ إنّ العوالم ذات قيمةٍ مُعيّنة من \(R\) (مثل \(R \sim 0.7\,R_\oplus\)) قد تُظهِر مُعَدَّلات هروب أعلى نسبيّاً عند ثبات بقيّة العوامل.

المُقَدِّمَة

لقد نما عدد الكواكب الخارجيّة المُؤكَّدة بشكلٍ مُتسارع في العقد الماضي (WF15, MP18, ZD21)، وبلغ عددُها الإجماليّ حاليّاً أكثر من 5000.¹ ومن المتوقَّع أن تُسهم الدراساتُ الجارية والمُستقبليّة في زيادة عدد الكواكب الخارجيّة المُكتشفة والمُوصوفة. وبفعل ذلك، أصبح بالإمكان استخراج إحصاءات واتِّجاهات لهذه العوالم بفضل اتّساع حجم العيّنة.

من أبرز هذه الاكتشافات نُدرةُ الكواكب ذات الفترات المداريّة القصيرة التي تقترب أقطارُها من \(\sim 2\,R_\oplus\)، وهي الظاهرة التي يُشار إليها بـ«فجوة نِصْف القُطْر» أو «الوادي/الصحراء» (LF14, FPH17, VAL18, MCG19, MKL19, BHG, CM20, BRO21). وتُعرَف العوالم الأصغر عادةً بالكواكب الأرضيّة الفائقة، فيما تُسمّى الأكبر «نبتونات صغرى». وتشمل الآليّات المقترحة لتفسير هذا التوزيع الثنائي: التبخُّر الضوئي بفعل الأشعّة فوق البنفسجيّة وأشعّة X القويّة (CR16, OW17, FP18, M20)، وفقدان الكتلة المُغذّى بالنواة (GSS, GS19, GS20)، والتآزر بينهما (OS23)، إلى جانب آليّات مرشَّحة أخرى. وقد يتطلّب التمييز بين هذه العمليّات دراسات واسعة النطاق تشمل عيّناتٍ تتجاوز 5000 نظام نجمي (RGO21).

وبالمثل، يُتوقَّع أن تكتسب الإحصاءاتُ الخاصّة بالكواكب الأرضيّة — التي تُعرَف عادةً بأنّ أقطارها أقلّ من \(2\,R_\oplus\) — الواقعة ضمن أو قرب المنطقة الصالحة للسكن (HZ) أهميّةً متزايدة في العقود القادمة. وقد وُضعت حدود هذه المنطقة في الدراسات (KWR93; KRK13, KRS14). ويمكن للكواكب الصخريّة ضمن هذه المنطقة أن تحتفظ بالماء السائل على سطوحها، ويترقّب المجتمعُ الفلكيّ إمكانيّة اكتشاف وتوصيف هذه العوالم بواسطة التلسكوبات المُستقبليّة (FAD18, NM19, WK22). ويمكن أن يُوفّر غلافُها الجويّ معلوماتٍ ثريّة عن خصائصها الفيزيائيّة والكيميائيّة والجيولوجيّة (SD10, NM19, XZ20, TJCI2023)، وحتى عن المؤشِّرات الحيويّة المحتملة (FAD18).

ونظراً لأهميّة دراسة الغلاف الجويّ للكواكب الصخريّة القريبة من المنطقة الصالحة للسكن، بات من الضروريّ فهمُ أيّ اتّجاهاتٍ إحصائيّة قد تظهر في الدراسات المُستقبليّة. وقد بدأت هذه المرحلة بالفعل، إذ حصل تلسكوب جيمس ويب الفضائي على أطياف عبور أو رَصَد الإشعاع الحراري لبعض الكواكب الصخريّة الدافئة (LFM23, GBD23, ZKD23). ومن منظور فقدان الغلاف الجويّ — الذي قد يُشكّل تحدّياً للكواكب الأرضيّة (FT15, JO19) — فإنّ عمليّات هروب الأيونات غير الحراريّة المُدفوعة بالرياح الشمسيّة معروفةٌ جيّداً في نظامنا الشمسي (LKC08, HL13, BBM, DLM18, PFR20, RB21, LDS) ومن المُحتمل أن تلعب دوراً مُهماً في الكواكب الخارجيّة (ZC17, LL19, ML21, ABC20, GAB20).

في هذا العمل، نُجري دراسةً منهجيّة لهروب الأيونات غير الحراريّ من الغلاف الجويّ — حيث تكون سرعاتُ الجُسيمات الهاربة غيرَ مرتبطةٍ مباشرةً بحرارة القاعدة الإكزوسفيرية، وغالباً ما تُحكَم بحقوله الكهرومغناطيسيّة (FT15, LDO20) — بوصفه دالّةً في نِصْفِ قُطْر الكواكب الصخريّة غير المُـمَغْنَطة ذات تركيبٍ جويّ مُشابهٍ للزُّهرة. ويُعَدّ الزُّهرة مرجعاً أساسيّاً في علم الكواكب الخارجيّة (KAC19, SRK22)، لا سيّما للكواكب القريبة من الحافّة الداخليّة للمنطقة الصالحة للسكن (OKL23). يُعرَض تنظيمُ هذه المقالة على النحو الآتي: نصفُ نموذج المغناطيسيّة الهيدروديناميكيّة مُتعدِّد الأنواع وإعداده في القسم الطُرُق وإعداد النموذج. بعد ذلك، نعرض النتائج ونُحلِّل آثارها، وأخيراً نختتم بتلخيص الاستنتاجات.

الطُرُق وَإِعْداد النَمُوذَج

نَسْتَخْدِم نموذجَ المغناطيسيّةِ الهيدروديناميكيّة مُتعدِّدَ الأنواع ثلاثيَّ الأبعاد BATS-R-US ذي شبكةِ الكُتَل المُتكَيِّفة الشجريّة (Block-Adaptive-Tree) ومخطّط رو المواجِه (Roe Upwind Scheme)، والذي طُبِّق بنجاح لنمذجة الكواكب الخارجيّة الشبيهة بالزُّهرة (DLMC, DJL18, DHL19, DJL20)، لِمُحاكاة هروب الأيونات الجويّة من كواكب خارجيّة تغطّي طيفاً من أنصاف الأقطار. يَتَضَمَّن نموذج MS-MHD أربعةَ أنواعٍ أيونيّة: H\(^{+}\)، O\(^{+}\)، O\(_2^{+}\)، CO\(_2^{+}\)، إضافةً إلى الكيمياء الأيونيّة الجويّة المرتبطة مثل التأيُّن الضوئي، وتبادُل الشُّحنة، وإِعادةِ التَّركيبِ الإلكتروني. أمّا للكواكب غير المُـمَغْنَطة، فيدرس نموذجُ BATS-R-US MS-MHD التفاعُلاتِ بين الرياح النَّجميّة المُـمغنطة والغلاف الجويّ العُلوي للكوكب، ويأخذ في الحُسبان آليّات هروب الغلاف الجويّ التي تتوسَّطها الرياحُ النَّجميّة عبر تحميلِ الكُتلة.