لقد وجدنا أنظمة كواكب خارجية تحتوي على كواكب صغيرة وقريبة، مثل الكواكب الأرضية الفائقة، ووجدنا أيضًا أنظمة كواكب خارجية تحتوي على عمالقة غازية بعيدة مثل المشتري. ومع ذلك، ليس من الواضح مدى تكرار وجود هذين النوعين من الكواكب في نفس النظام الكوكبي. إذا كان النظام يحتوي على كوكب صغير وقريب وكوكب عملاق بعيد، فسيشبه نظامنا الشمسي، حيث لدينا عدة كواكب صخرية داخلية وعدة كواكب غازية عملاقة خارجية. لقد وجدنا بعض هذه الأنظمة، وعندما يجد الفلكيون بعض الأشياء، فإنهم بطبيعة الحال يرغبون في حساب معدل حدوثها.
تناقش مقالة اليوم معدلات حدوث الكواكب الصغيرة والكبيرة في نفس النظام. تحاول معدلات الحدوث تحديد مدى تكرار حدوث نتيجة معينة. في علم الكواكب الخارجية، يمثل هذا مدى تكرار العثور على نوع معين من الكواكب إذا ما تم مسح النجوم عشوائيًا للبحث عن الكواكب. على وجه الخصوص، تهدف مقالة اليوم إلى حل جدل. في الماضي، حاولت فرق متعددة قياس معدل حدوث الأنظمة التي تحتوي على كوكب عملاق غازي بعيد، بشرط أن يحتوي النظام على كوكب صغير داخلي. نسمي هذا معدل الحدوث الشرطي، لأننا نريد معرفة مدى تكرار العثور على نوع الكوكب (أ) في نظام معين إذا كنا نعرف بالفعل (أي بشرط) أن نوع الكوكب (ب) موجود في ذلك النظام.
وجدت ثلاث دراسات سابقة ارتباطًا إيجابيًا بين حدوث هذه الأنواع من الكواكب بشكل شرطي. بمعنى آخر، إذا وجدت كوكبًا صغيرًا داخليًا، فإنك تكون أكثر عرضة للعثور على عملاق بعيد مقارنة بما لو نظرت عشوائيًا إلى نظام لا يحتوي على كوكب داخلي صغير. ومع ذلك، وجدت دراسات أخرى عدم وجود ارتباط أو ارتباط عكسي – أي أنك أقل عرضة للعثور على عملاق غازي بعيد في نظام يحتوي على كوكب صغير داخلي مقارنة بنظام لا يحتوي على كوكب صغير داخلي. وجد مؤخرًا أن احتساب معدل المعدنية للنجوم المضيفة يؤدي إلى وجود ارتباط إيجابي بدلاً من عدم وجود ارتباط أو ارتباط سلبي. المعدنية هي مقياس لمقدار النجم المكون من عناصر أثقل من الهيليوم. تعني المعدنية الأعلى أن نسبة أعلى من النجم تتكون من عناصر ثقيلة أو “معادن”.
تستند مقالة اليوم إلى الاكتشاف أن معدل المعدنية للنجوم المضيفة هو مقياس مهم لفهم معدل الحدوث الشرطي للكواكب الصغيرة القريبة والعمالقة الغازية البعيدة بشكل صحيح. يأخذ المؤلفون جميع النجوم التي لديها مجموعات بيانات كبيرة متاحة علنًا للسرعات الشعاعية ولديها على الأقل كوكب صغير وقريب مؤكد. كما يستبعدون عمدًا أي نجوم مضيفة تكون من نوع القزم (M) ، حيث ثبت أن نجوم القزم (M) تحتوي على عدد قليل جدًا من العمالقة الغازية البعيدة. في النهاية، يجمعون عينة من 184 نظامًا.
لحساب معدل الحدوث الشرطي، يتعين على المؤلفين أخذ في الاعتبار اكتمال مجموعات بيانات السرعة الشعاعية للعثور على العمالقة البعيدة. يقيس الاكتمال مدى حساسية البيانات للعثور على نوع معين من الكواكب. على سبيل المثال، قد تكون السرعات الشعاعية قد أخذت في أوقات غير مناسبة للعثور على كوكب ذو كتلة وفترة معينة. لقياس الاكتمال لكل من أنظمتهم الـ 184، يجري المؤلفون اختبار حقن/استرداد. يقومون بتوليد كوكب بمجموعة معينة من المعلمات المدارية (الفترة، الانحراف، الميلان) والكتلة، ثم يولدون (يحقنون) منحنى السرعة الشعاعية المتوقع لذلك الكوكب المحاكي في نفس الأوقات الزمنية للملاحظات الحقيقية. ثم يحاولون اكتشاف الكوكب المحاكي في البيانات المحاكية (الاسترداد).
يكررون هذا آلاف المرات لكواكب محاكاة مختلفة ويكررون ذلك لكل من مجموعات البيانات الـ 184. من هذا الاختبار، يمكنهم تحديد عدد العمالقة البعيدة التي قد تكون فاتتهم هذه البيانات وعدد العمالقة التي لم تفوتها بالتأكيد. باستخدام هذه الخرائط الاكتمالية، يولدون خريطة اكتمال متوسطة، والتي يستخدمونها لحساب معدل الحدوث الشرطي.
عندما يقسمون الأنظمة الـ 184 إلى أنظمة غنية بالمعادن وأنظمة فقيرة بالمعادن، يحصلون على قيم مختلفة لمعدل الحدوث الشرطي. بالنسبة للنجوم الغنية بالمعادن (المحددة بأنها أكثر معدنية من الشمس)، يجدون أن معدل الحدوث الشرطي هو 28 (+4.9 / −4.6)%. بالنسبة للنجوم الفقيرة بالمعادن، فإن المعدل هو فقط 4.5 (+2.6 / −1.9)%. هذا فرق كبير وله دلالة إحصائية كبيرة! يعيد هذا الفرق تأكيد الفرضية السابقة بشكل دقيق بأن معدل الحدوث الشرطي يعتمد على معدل المعدنية للنجوم المضيفة.
ولكن هذا ليس كافيًا فقط – نحتاج أيضًا إلى مقارنة معدل الحدوث الشرطي مع معدل حدوث العمالقة الغازية البعيدة، بغض النظر عن وجود كوكب داخلي أم لا. إذا كانت المعدلات مختلفة، فإن هذا يخبرنا بوجود علاقة بين الكواكب الداخلية والخارجية في النظام. بالفعل يجد المؤلفون معدلات مختلفة! بالنسبة للنجوم الغنية بالمعادن، يجدون أن العمالقة الغازية البعيدة تحدث بنسبة 12-13% من النجوم، بغض النظر عن النظام الداخلي. (استخدم المؤلفون مجموعتين من البيانات لهذا التحليل.) تحدث العمالقة الغازية البعيدة بنسبة 4-6% من النجوم الفقيرة بالمعادن. لذلك، لأن معدل الحدوث الشرطي مرتفع (28% مقابل 12-13%)، فهذا يشير إلى وجود ارتباط إيجابي: إذا وجدت كوكبًا صغيرًا داخليًا، فإنك تكون أكثر عرضة للعثور على عملاق غازي بعيد مقارنة بما لو بحثت عشوائيًا فقط عن العمالقة الغازية البعيدة!
هذا الارتباط له تأثيرات كبيرة على فهمنا لأنظمة الكواكب الخارجية. يشير إلى أن الأنظمة المشابهة لنظامنا الشمسي، التي تحتوي على كواكب صغيرة داخلية وكواكب كبيرة خارجية، قد تكون أكثر شيوعًا من غيرها. تعتبر هذه الدراسة أيضًا الأولى التي استخدمت عددًا كبيرًا من الأنظمة للبحث عن الارتباط مع معدل المعدنية. استخدمت الدراسات السابقة عينات صغيرة جدًا، ببساطة لأن الحصول على البيانات للقيام بهذا النوع من العمل صعب ويستغرق وقتًا طويلاً. من خلال جمع عدد أكبر بكثير من الأنظمة والبناء على العمل السابق، تمكنت هذه المقالة من تقديم ادعاء أكثر دقة بوجود ارتباط إيجابي بين الكواكب الداخلية الصغيرة والعمالقة الخارجية.
المصدر : AAS-NOVA
