ابَرزمین‌هایی که احتمالاً وجود ندارند
نظریهٔ شکل‌گیری سیاره‌ها برای جهان‌های سنگی سقفی تعیین می‌کند. هسته‌ای در حال رشد که از حدود ۱۰ برابر جرم زمین بگذرد، دیگر نمی‌تواند از برافزایش گریزان گاز (runaway gas accretion) بگریزد: گاز را از قرص پیرامون ستارهٔ جوانش به درون می‌کشد و به سیاره‌ای سرشار از گاز بدل می‌شود. شبیه‌سازی‌های برخورد و فرسایش هم همین حد را به دست می‌دهند. اندازه‌گیری‌های سیاره‌های واقعی، گذار از سنگ برهنه به جهان‌های گازپوش را حتی پایین‌تر، در حدود ۴ تا ۵ برابر جرم زمین، قرار می‌دهند.
با این همه، در سال‌های اخیر چند سیاره با چگالی سنگ و جرمی بسیار بیش از ده برابر زمین پیدا شده‌اند. برخی اخترشناسان آن‌ها را «ابرزمین‌ها» (Mega-Earths) می‌نامند. توضیح آن‌ها به سرگذشت‌هایی غریب نیاز دارد: برخوردهای دیرهنگام پس از ناپدید شدن قرص گازی، یا هسته‌های پوست‌کندهٔ غول‌های پیشین.
کیسی برینکمن و نیکلاس کوئن از مؤسسهٔ فضایی تروتیه در دانشگاه مک‌گیل در مونترال، پرسشی ساده‌تر پرسیدند: آیا این سیاره‌ها واقعاً این‌قدر سنگین‌اند؟
وزن کردن سیاره با لرزش ستاره‌اش
بیشتر این جرم‌ها از سرعت‌های شعاعی (radial velocities) به دست می‌آیند: سیاره در گردش مداری‌اش ستاره را پس و پیش می‌کشد و رنگ نور ستاره اندکی جابه‌جا می‌شود. اندازهٔ این لرزش جرم سیاره را به دست می‌دهد.
دردسر این است که ستاره‌ها آرام نیستند. ستاره‌های فعال مغناطیسی لکه‌های تیره و نواحی روشنی دارند که همراه ستاره می‌چرخند. این‌ها به اندازه‌گیری‌ها نویز می‌افزایند، و لکه‌ای که با چرخش به دید می‌آید می‌تواند سیگنال یک سیاره را تقلید کند — یا آن را بزرگ‌تر نشان دهد.
هشت مظنون، یک ویژگی مشترک
این دو از بایگانی سیاره‌های فراخورشیدی ناسا آغاز کردند و ۳۳۳ سیاره کوچک‌تر از چهار برابر شعاع زمین را نگه داشتند که شعاعی قابل‌اعتماد و جرمی از روش سرعت شعاعی داشتند. یافته‌هایشان:
- ۴ سیاره با چگالی سنگی و بیش از ۱۰ برابر جرم زمین: WASP-84 c، TOI-1347 b، TOI-2322 c و HD 63433 b.
- ۴ سیارهٔ دیگر بالاتر از حد، تقریباً بدون پوشش هیدروژن-هلیوم: GJ 523 b، TOI-815 c، HD 18599 b و GJ 143 b.
برای سنجش فعالیت هر ستارهٔ میزبان، از شاخصی بر پایهٔ نور کلسیمی که لایهٔ بیرونی و داغ ستاره گسیل می‌کند استفاده کردند؛ این لایه با گرمایش مغناطیسی روشن‌تر می‌شود. بالاتر از مقدار −۴٫۷۵، ستاره فعال به شمار می‌آید. اندازه‌گیری‌های درخشندگی مأموریت TESS هم نشان می‌دهند که هر ستاره با چرخش لکه‌هایش کم‌نور و پرنور می‌شود.
نتیجه: هر هشت تا به دور ستاره‌های فعال می‌گردند. از ۳۷ ستاره‌ای که هم جرم سیاره و هم اندازه‌گیری فعالیت دارند، فقط ۱۳ تا فعال‌اند.
احتمال یک تصادف
اگر ابرزمین‌ها به‌طور یکنواخت پخش شده بودند، احتمال این‌که هر چهار سیارهٔ سنگی به دور ستاره‌های فعال افتاده باشند چنین بود:
p = 13/37 × 12/36 × 11/35 × 10/34 = 0.01
حدود ۱٪. با افزودن چهار سیارهٔ دیگر، به ۰٫۰۰۰۳ می‌رسد.
آیا ستاره‌های جوان و فعال صرفاً در ساختن ابرزمین‌ها بهترند؟ نویسندگان دلیلی برای این نمی‌بینند. ساختن یکی به برخوردهای بیشتر، کوچی به سوی درون تا مدارهای ۰٫۸ تا ۲۰ روزه، و شاید کنده شدن یک جوّ ضخیم نیاز دارد — که همه زمان می‌برند. اگر هم چیزی باشد، این جهان‌ها باید ستاره‌های پیرتر را ترجیح دهند.
جرم‌ها کجا خطا می‌روند
هر یک از اندازه‌گیری‌های اصلی از فرایندهای گاوسی (Gaussian processes) بهره گرفته‌اند، ابزاری آماری که نویز ستاره را مدل می‌کند تا سیگنال سیاره جدا شود. اما مدلی بیش از حد انعطاف‌پذیر می‌تواند سیگنال نادرست را جذب کند و جرم‌هایی بیش از اندازه بدهد. موارد شکننده به نظر می‌رسند:
- پیرامون WASP-84، لرزش ستاره (حدود ۱۳ متر بر ثانیه) از سیگنال سیاره بزرگ‌تر است (۷٫۷ متر بر ثانیه).
- TOI-2322 در ۲۱٫۲۸ روز می‌چرخد؛ سیاره‌اش در ۲۰٫۲۳ روز مدارش را می‌پیماید.
- HD 63433 b، سنگین‌ترینشان با ۳۷ برابر جرم زمین، را گروه دومی اصلاً آشکار نکرد و برایش حد بالای ۲۱ برابر جرم زمین گذاشت.
- سه تا از سیاره‌ها زیر یک آستانهٔ منتشرشدهٔ نسبت سیگنال به نویز قرار می‌گیرند که زیر آن، چنین مدل‌هایی به نااعتمادی شناخته شده‌اند.
نویسندگان پیشینه‌ای را یادآوری می‌کنند: سیارهٔ دیگری که معلوم شد جرمش به خاطر یک سیگنال دوره‌ای بی‌درمان سه برابر بزرگ‌تر برآورد شده بود.
غول سنگی در کار نیست — فعلاً
نتیجه‌گیری آن‌ها: شاهد قانع‌کننده‌ای برای سیاره‌های سنگیِ بالاتر از ده برابر جرم زمین وجود ندارد. جرم‌های سرعت شعاعی سیاره‌های پیرامون ستاره‌های فعال سزاوار تردیدند، «به‌ویژه وقتی وجود چنین سیاره‌هایی برداشت‌های ما از شکل‌گیری سیاره را به چالش بکشد.» آن‌ها پیشنهاد می‌کنند زمان‌بندی رصدها طوری باشد که هم فعالیت ستاره و هم سیاره به‌خوبی نمونه‌برداری شوند.
استدلال آماری است و بر نمونه‌ای کوچک تکیه دارد: هشت سیاره و ۳۷ ستاره. نویسندگان برازش‌های جرم اصلی را از نو انجام ندادند.