اكتشاف غيوم الماء في أبرد قزم بني خارج نظامنا الشمسي

بعد عقدٍ من الجدل بين الفلكيين، تقترب الإجابة عن سؤال بسيط في ظاهره: هل في أجواء أبرد الأجرام المعروفة خارج نظامنا الشمسي غيومٌ مائية؟ فريق بحثي بقيادة بريتاني مايلز (Brittany Miles) من جامعة أريزونا يقدّم أدلة على أنّ القزم البنّي WISE 0855 تغطّي أجواءَه غيومٌ متفرقة من جليد الماء. اعتمد الفريق على رصدٍ بتلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) وعلى نماذج حاسوبية للغلاف الجوي. والغيوم هنا ليست بخار ماء دافئاً، بل جليدٌ في جوّ شديد البرودة.

ما هو WISE 0855، ولماذا يهمّ فلكياً؟

WISE 0855 هو الاسم المختصر للجرم WISE J085510.83-071442.5. يبعد 7.2 سنة ضوئية في كوكبة الشجاع (Hydra)، ويُعدّ ثالث أقرب «منظومة» إلى نظامنا الشمسي. اكتشفه كيفن لومان (Kevin Luhman) عام 2014 بمستكشف المسح بالأشعة تحت الحمراء «وايز» (Wide-field Infrared Survey Explorer) التابع لوكالة ناسا.

الأقزام البنّية أجرامٌ تتكوّن كما تتكوّن النجوم، لكنها لا تبلغ الكتلة اللازمة لاشتعال الاندماج النشط في قلبها. وهي في الوقت نفسه أثقل من أن تُصنَّف كواكبَ عادية. ولا يوجد في نظامنا الشمسي ما يشبهها، فالكواكب عندنا إما عوالم صخرية كالأرض أو عمالقة غازية كالمشتري.

وWISE 0855 هو أبرد قزم بنّي معروف. متوسط حرارة غلافه الجوي العلوي نحو 265 كلفن (-8 درجات مئوية). ينتمي إلى فئة الأقزام «Y»، وهي الأبرد بين فئات الأقزام البنّية. حجمه الفيزيائي قريب من حجم المشتري، وكتلته بين ثلاثة أضعاف وعشرة أضعاف كتلته.

ورغم برودته، يصدر هذا الجرم أشعةً تحت حمراء، وهذا ما يتيح دراسته. تراه المستشعرات نقطةَ ضوءٍ واحدة، لكنّ التحليل الطيفي (Spectroscopy) يفصل ضوءه إلى أطوال موجية، فتُعرَف المواد الكيميائية التي تمتصّ جزءاً منه.

ماذا قال الجدل القديم، وكيف حُسم جانبٌ منه؟

ظلّ الفلكيون عشر سنوات يتساءلون إن كانت في WISE 0855 غيومٌ مائية. وانقسم النقاش بين تفسيرين لطيفه. الأول أنّ غيوم الماء تحجب جزءاً من الضوء. والثاني أنّ السبب «كيمياء خارج الاتزان» (Disequilibrium chemistry)، أي تيارات صاعدة من الأعماق تحمل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والفوسفين إلى الطبقات العليا.

وتنسجم هذه الصورة مع ما يوصف في فيزياء الأجواء بـ«النطاق الذهبي» (Goldilocks zone). فهو في علم الكواكب الخارجية المدارُ الذي يسمح بوجود ماء سائل على السطح. أما في فيزياء الغلاف الجوي فهو نطاق حرارة يسمح بغيوم جليد بخار الماء وبالأمونيا الغازية. وحرارة WISE 0855 أبرد من أن تسمح بغيوم الحديد المنصهر.

كيف رصده ويب؟

استخدم الفريق مطياف NIRSpec في تلسكوب ويب بنمط «السلسلة الزمنية للأجسام الساطعة» (BOTS). حصل على 11 ساعة من وقت الرصد، سجّل خلالها المطياف طيفاً كل 15 دقيقة، فتجمّعت 44 لقطة متتالية. غطّت الأطياف أطوالاً موجية بين 2.87 و5.27 ميكرون.

كان أكبر تغيّر في السطوع بين 4.5 و4.8 ميكرون، وهي المنطقة التي يمتصّ فيها أول أكسيد الكربون الضوء. وتفاوت نطاق هذا الغاز بنحو 10% أثناء دوران الجرم. وفي المناطق الطيفية التي لا يحجبها الميثان أو الأمونيا، ظهرت تغيّرات مصدرها ثاني أكسيد الكربون والفوسفين. أما البصمة الطيفية للماء فلم تُظهر تغيّراً يُذكر في السطوع.

بعد ذلك فكّك الباحثون التقلبات إلى أنماط:

• النمط الأول: يفسّر نحو 60.5% من تقلّب السطوع. وهو يوافق تفاوتاً في حرارة السطح بين 0.6 و1.3 درجة، وقد يعود أيضاً إلى تغيّرات في غيوم جليد الماء.
• النمط الثاني: يفسّر نحو 4.7% من التقلّب، ويظهر في نطاقَي امتصاص أول أكسيد الكربون والفوسفين.

ماذا أضافت النماذج الحاسوبية؟

اختبر الفريق نموذجين للغلاف الجوي هما PICASO وcoolTLUSTY. وفي الحالتين انطبق النموذج على البيانات انطباقاً أفضل بكثير عند إدخال غيوم الماء. وتشير النماذج إلى غيوم مائية متفرقة قرب قمة الغلاف الجوي، عند ضغط يقدَّر بنحو 1 إلى 4 بار. وفي الأعماق تحمل تياراتٌ صاعدة أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والفوسفين إلى الأعلى. ومعنى ذلك أنّ التفسيرين المتنافسين لا يستبعد أحدهما الآخر في هذه الصورة.

وللاطلاع على التفاصيل، يمكن العودة إلى إعلان جامعة أريزونا عن اكتشاف الغيوم وإلى الورقة البحثية حول الغيوم والكيمياء.

ما الذي ما زال مجهولاً؟

لا تزال سرعة دوران WISE 0855 مجهولة، لأنّ حركة الغاز حجبت دورانه الفعلي عن القياس. ويرى الباحثون أنّ نحو 20 ساعة إضافية من وقت أجهزة ويب قد تساعد على تحديدها. لكنّ وقت الرصد في التلسكوب مطلوب بشدة، ولا يُمنح بسهولة.

أما لو اقتربنا من هذا العالم البعيد، فتصف المادة الأصلية مشهداً محتملاً: خطوطاً وتيارات نفاثة استوائية سريعة الحركة بين غيوم من جليد الماء. هذه صورة محتملة وليست مشاهدة مباشرة. ويبقى السؤال المفتوح هو سرعة الدوران، فمعرفتها قد تحدد ما إذا كانت هذه الصورة قريبة من الواقع.