روش سرعت شعاعی چیست؟

مجله علمی ایلیاد - بحث شکار سیارات فراخورشیدی از یک دهه گذشته گرم شده است. به لطف پیشرفت‌های به‌وجود آمده در ابزار و روش‌ها، تعداد سیارات فراخورشیدی کشف شده از ابتدای دسامبر ۲۰۱۷ در ۲،۷۸۰ سیستم ستاره‌ای‌، به ۳،۷۱۰ سیاره رسیده است که همچنین ۶۲۱ سیستم چند سیاره‌ای نیز یافت شده است. با توجه به محدودیت‌هایی که اختر شناسان با آن در ستیز هستند، اکثریت سیارات توسط روش‌های غیرمستقیم کشف شده‌اند.

وقتی صحبت از این روش‌های غیرمستقیم می‌شود، یکی از موثرترین و مشهورترین آن‌ها، «روش سرعت شعاعی» است که به‌عنوان طیف‌سنجی داپلر نیز شناخته می‌شود. این روش بر پایه‌ی مشاهده‌ی طیف ستارگانی که در حال دور شدن یا نزدیک شدن به زمین هستند، برای یافتن نشانه‌ای از نوسان در طیف آن‌ها، استوار است. این حرکت به علت وجود سیاراتی که تاثیرات گرانشی  را بر روی ستاره‌ی مربوطه اعمال می‌کنند، به‌وجود می‌آید.

روش سرعت شعاعی اصولاً شامل جستجویی برای سیارات فراخورشیدی نمی‌شود، بلکه برای یافتن نشانه‌ای از حرکت ستارگان است. این اطلاعات با استفاده از روش طیف‌سنجی برای اندازه‌گیری نحوه‌ی جابه‌جایی خطوط طیفی ستارگان ناشی از اثر داپلر، استخراج می‌شود. این اثر چگونگی انتقال نور ستارگان به قرمز یا آبی در انتهای طیف را آشکار می‌کند.

این تغییرات نشان‌دهنده‌ی این است که ستاره در حال دور شدن یا نزدیک شدن به زمین است. اخترشناسان می‌توانند براساس سرعت ستاره، وجود سیاره یا سیستم سیارات را تخمین بزنند. سرعتی که ستاره را  حول مرکز جرمش، با وجود اینکه کوچک‌تر از یک سیاره است، حرکت می‌دهد؛ امروزه این مولفه با استفاده از طیف‌سنجی قابل اندازه‌گیری است.

تا سال ۲۰۱۲ این روش موثرترین راه برای یافتن سیارات فراخورشیدی بود، اما از آن زمان به بعد توسط روش نورسنجی، روش «گذر» جایگزین شد. با این وجود، سرعت شعاعی یک روش بسیار موثر باقی ماند و غالباً بر پیوستگی آن با روش گذر برای تایید وجود سیارات فراخورشیدی حتی در جاهایی که محدودیت جرم و اندازه وجود دارد، تکیه می‌کنند.

روش سرعت شعاعی اولین روش موفق برای ردیابی سیارات فراخورشیدی بود و درصد بالایی از موفقیت برای شناسایی سیارات فراخوشیدی در سیستم‌های ستاره‌ای دور و نزدیک را دارا بود. توانایی اندازه‌گیری خروج از مرکز مدار سیاره به‌طور مستقیم، برترین مزیت این روش است.

 

سیگنال‌های روش سرعت شعاعی، مستقل از فاصله است، اما برای دستیابی به درجه‌ی بالایی از دقت نیاز به نسبت‌های بالایی ازسیگنال به نویز یک طیف است. همینطور این روش عموماً برای جستجوی سیارات کم جرم که به‌دور ستاره‌هایی با فاصله‌ی ۱۶۰ سال نوری از زمین می‌چرخند، استفاده می‌شود.

 

تکنیک سرعت شعاعی قادر است سیاراتی که در اطراف ستاره‌های کم جرم مانند ستاره‌های نوع M که کوتوله‌ی سرخ هستند را شناسایی کند. این موضوع به این علت است که ستارگان کم جرم بیشتر از کشش جاذبه‌ی سیاره‌ی خود متاثر می‌شوند و چون این ستارگان عموماً کندتر می‌چرخند، منجر به ایجاد خطوط طیفی واضح‌تر می‌شوند و به این دو دلیل، روش سرعت شعاعی بسیار مفید است.

اولاً ستارگان رده‌ی M با احتساب به اینکه ۷۰ درصد ستارگان کهکشان‌های مارپیچ و ۹۰ درصد ستارگان کهکشان‌های بیضوی را تشکیل می‌دهند، رایج‌ترین نوع ستارگان در جهان هستند. دوماً مطالعات اخیر نشان داده است که ستارگان کم جرم نوع M محتمل‌ترین مکان‌ها برای یافتن سیارات خاکی هستند. از این رو، سرعت شعاعی روشی بسیار مناسب برای مطالعه‌ی سیاراتی شبیه به زمین است که حول ستاره‌ی کوتوله‌ی سرخ می‌چرخند.

از دیگر مزایای سرعت شعاعی، روشی است که توسط آن می‌تواند معیار دقیقی بر روی جرم سیارات قرار دهد. اگر چه سرعت شعاعی یک ستاره، تنها می‌تواند بازه‌ی حداقل سیاره را تخمین بزند و می‌توان خطوط طیفی ستاره را از سیاره‌اش با اندازه‌گیری بازه‌ی سرعت شعاعی سیاره تشخیص داد.

این امر به اخترشناسان اجازه می‌دهد تا تمایل مدار سیاره را تعیین کنند و به این وسیله، قادر به اندازه‌گیری  جرم دقیق سیاره را نیز هستند. این روش همچنین اطلاعاتی را درباره‌ی ترکیبات سیاره به ما می‌دهد. مسئله‌ی اصلی این است که این اکتشافات فقط در صورتی امکان‌پذیر است که سیاره به‌دور ستاره‌ای نسبتاً درخشان بچرخد و سیاره نیز نور زیادی منعکس یا منتشر کند.

این نموداری سالانه از سیارات فراخورشیدی کشف شده سال ۲۰۱۴ است. هر رنگ نشان‌دهنده‌ی یک روش شناسایی است که رنگ آبی مربوط به روش سرعت شعاعی و رنگ سبز مربوط به روش گذر است. در دسامبر ۲۰۱۷ میلادی، ۶۶۲ مورد از همه‌ی سیارات فراخورشیدی کشف شده تنها توسط روش سرعت سعاعی یافت شده‌اند که ۳۰ درصد آن‌را شامل می‌شود.

گفته می‌شود که روش سرعت شعاعی اشکالات قابل توجهی دارد. برای شروع، در این روش نمی‌توان صد یا هزاران ستاره را به‌طور همزمان با یک تلسکوپ واحد مشاهده کرد؛ همان‌طور که در روش گذر فتومتری نیز این ایراد را دارد. علاوه بر این، گاهی طیف‌سنجی داپلر می‌تواند سیگنال خطا تولید کند، خصوصاً اگر سیستم چند‌ستاره‌ای یا چند‌سیاره‌ای باشد. این ایرادات اغلب به‌دلیل حضور میدان‌های مغناطیسی و فعالیت‌های خاص ستاره‌ای به‌وجود می‌آید؛ اما می‌تواند به‌دلیل نبود اطلاعات کافی نیز باشد؛ چرا که ستاره به‌طور مداوم رصد نمی‌شود. به‌ هر حال، این محدودیت‌ها را می‌توان با جفت کردن اندازه‌گیری‌های سرعت شعاعی با روش‌های دیگر که معروف‌ترین و موثرترین آن‌ها روش گذر فتومتری هست، تخفیف داد.

تفاوت خطوط طیفی ستاره و سیاره می‌تواند اجازه‌ی قرار گرفتن محدودیت‌های بهتری را بر روی جرم سیارات بدهد؛ اما در حالی این امر امکان‌پذیر است که سیاره به دور ستاره‌ای نسبتاً روشن بچرخد و نور زیادی را منعکس یا منتشر کند. علاوه بر این، سیاراتی که مدارشان بسیار شیب تندی دارد، موج‌های کوچکتری تولید می‌کنند و در نتیجه تشخیص‌شان سخت‌تر است.

در آخر، روش سرعت شعاعی زمانی که با روش گذر فتومتری جفت شود، خصوصاً هنگامی که برای تایید کشفیات روش دوم مورد استفاده قرار گیرد، بسیار کار آمدتر می‌شود. وقتی که هر دو روش به‌صورت ترکیبی استفاده شود، نه تنها وجود سیاره تایید می‌شود، بلکه می‌توان تخمین‌های دقیق درباره‌ی شعاع و وزن واقعی سیاره نیز انجام داد.