سیارات فراخورشیدی چگونه کشف می‌شوند؟
سیاره‌ای به نام «۵۱ پگاسوس-بی» (۵۱ Pegasi b) که نه در مدار خورشید ما، بلکه در مدار ستاره‌ای نزدیک گردش می‌کند. این سیاره نصف مشتری جرم دارد و هر دور گردش آن در مدار ستاره‌ی مادر فقط چهار روز طول می‌کشد. این درحالیست که نزدیک‌ترین سیاره‌ی منظومه‌ی شمسی به خورشید، یعنی عطارد، دوره‌ی گردش ۸۸ روزه دارد. ۵۱ پگاسوس-بی در عین داشتن جثه‌ی بزرگ، به طرز خیلی عجیبی به ستاره‌اش نزدیک است. ستاره‌شناسان نمی‌توانستند به درستی درک کنند که چطور سیاره‌ای به این بزرگی، این‌قدر به یک ستاره نزدیک شده است. ولی خیلی زود سیارات مشابهی پیدا شد و نام آن‌ها را «مشتری‌های داغ» (Hot Jupiters) گذاشتند. منظور دانشمندان از مشتری‌های داغ، سیارات گازی بزرگ و پرجرمی مثل مشتری است که در فاصله‌ی خیلی نزدیک به ستاره‌ی مادر گردش می‌کنند و بنابراین خیلی داغ هستند. به مرور زمان که سیارات فراخورشیدی بیشتری کشف شدند، دانشمندان به موارد عجیب‌تری هم برخورد کردند؛ از جمله سیاراتی که مدارهای به شدت کشیده و بیضوی دارند. همچنین سیاراتی که انحراف مداری آن‌ها نسبت به صفحه‌ی منظومه‌ی خود زیاد است و آن‌هایی که برخلاف جهت حرکت چرخشی ستاره‌ی مادر گردش می‌کنند.
منظومه‌های عجیب و غریب
ناسا در سال ۲۰۰۹ تلسکوپ فضایی کپلر را پرتاب کرد. هدف این تلسکوپ، جستجوی سیارات فراخورشیدی بود. کپلر چیزی در حدود ۲۵۰۰ سیاره‌ی فراخورشیدی جدید کشف کرد که دستاورد بزرگی به حساب می‌آید. هرچند این تلسکوپ اطلاعات زیادی برای دانشمندان به ارمغان آورد، ولی باعث بوجود آمدن سوالات بیشتری هم شد. کشفیات کپلر نشان داد که بیشتر سیارات فراخورشیدی، اندازه‌ای بین زمین و سیاره‌ی نپتون دارند. به آن‌ها «ابر زمین» (Super Earth) می‌گویند. ما در منظومه‌ی شمسی ابر زمین نداریم و تا به حال فکر می‌کردیم امکان پیدایش آن‌ها وجود ندارد.
هرچند تلسکوپ کپلر سیارات فراخورشیدی را به صورت غیر مستقیم رصد می‌کرد، اکنون بعضی از تلسکوپ‌های بزرگ زمینی در تلاش برای رصد مستقیم آن‌ها هستند. کشفیات این تلسکوپ‌ها بر گیجی و سردرگمی دانشمندان افزوده است. این تلسکوپ‌ها سیاراتی یافته‌‌اند که چند برابر مشتری جرم دارند و در فاصله‌ای به اندازه‌ی دو برابر فاصله‌ی نپتون تا خورشید گردش می‌کنند. تا پیش از این، سیاره‌شناسان فکر می‌کردند امکان تشکیل سیارات بزرگ در این فاصله از یک ستاره وجود ندارد. به طور کلی تا به حال منظومه‌های فراخورشیدی زیادی کشف شده‌اند که شباهتی به منظومه‌ی شمسی ما ندارند. در نتیجه نظریه‌هایی که تاکنون درباره‌ی نحوه‌ی پیدایش منظومه‌های خورشیدی داده‌ایم حسابی به چالش کشیده می‌شوند.
تلسکوپ فضایی کپلر تا به حال هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی کشف کرده است.
فیزیک‌دانی از دانشگاه استنفورد در پالو آلتو کالیفرنیا به نام «بروس مکینتاش» می‌گوید: «از همان روز اول کاملا مشخص بود که مشاهدات با هم جور در نمی‌آیند. هیچ‌وقت نظریه‌ها با رصدها همخوانی نداشتند.» دانشمندان سعی می‌کنند برای سیاراتی که قبلا بوجود آمدن آن‌ها را در چنین مکان‌هایی غیر ممکن می‌دانستیم، نظریه‌پردازی کنند. اکنون آن‌ها به این می‌اندیشند که چطور ممکن است سیاره‌ها در مکان‌های پر هرج و مرجی بوجود آیند که قبلا فکرش را هم نمی‌کردند. مکان‌هایی که سیاره‌های تازه متولد شده در مدارهای بزرگ و کوچک قرار می‌گیرند و توسط کشندهای گرانشی سیاره‌ها و ستاره‌های نزدیک، از مدار خود منحرف می‌شوند. با افزایش تعداد سیارات فراخورشیدی کشف شده، نظریه‌های مختلفی شکل می‌گیرد. اخترفیزیک‌دانی از انستیتوی ستاره‌شناسی مکس‌پلانک در آلمان به نام «توماس هنینگ» می‌گوید: «هر روز می‌توانید یک چیز جدید کشف کنید. شبیه عصر جستجوی طلا شده است.»
تولد سیاره‌ای
اولین نظریه‌پردازی‌ها درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری ستاره‌ها و سیارات به قرن ۱۸ میلادی باز می‌گردد. زمانی که دانشمندان فکر کردند احتمالا ابرهای بزرگ گاز و غبار تحت گرانش خود رمبش می‌کنند. بیشتر ماده‌ی آن ابر بزرگ در مرکز جمع می‌شود و گوی گازی عظیم و پرجرمی را تشکیل می‌دهد که بر اثر همجوشی هسته‌ای در مرکز، تبدیل به یک ستاره می‌شود. گرانش و گشتاور زاویه‌ای باعث می‌شود که گاز و غبار باقی‌مانده به شکل یک قرص تخت در بیاید. غبار نقش اصلی را در تبدیل این قرص به سیاره‌های مختلف دارد. غبار که در حقیقت چیزی جز دانه‌های میکروسکوپی آهن و دیگر مواد جامد نیست، کسر کوچکی از جرم قرص تخت را تشکیل داده است. وقتی این دانه‌ها در قرص گردش می‌کنند گاهی اوقات اتفاقی به هم برخورد می‌کنند و بر اثر نیروهای الکترومغناطیسی به یکدیگر می‌چسبند. طی میلیون‌ها سال این هسته‌های اولیه به سنگ‌های کوچک، صخره‌های بزرگتر و در نهایت خرده‌سیاره‌هایی با کیلومترها قطر تبدیل می‌شوند.
در این مرحله، نوبت به ایفای نقش گرانش می‌رسد. گرانش، خرده‌سیارات را به یکدیگر پیوند می‌دهد. با پیوند خرده‌سیارات، جرم بزرگی بوجود می‌آید که مثل جاروبرقی گاز و غبار و سنگ‌های باقی‌مانده در قرص را جمع می‌کند تا چیزی شبیه به سیاره ساخته شود. اگر همه‌ی این اتفاقات در قسمت‌های درونی قرص که به ستاره نزدیک‌تر هستند رخ دهد، سیارات سنگی با اتمسفر نازک شکل می‌گیرد. دلیلش این است که گاز قرص اولیه یا توسط ستاره بلعیده شده یا بادهای میان‌ستاره‌ای آن را پراکنده کرده است. بنابراین گاز زیادی برای جذب شدن توسط سیاره باقی نمی‌ماند.
همیشه سحابی اولیه‌ای وجود دارد که در مرکز آن ستاره‌ای تشکیل می‌شود. در مدار ستاره، قرص پیش‌سیاره‌ای بوجود می‌آید و سر و کله‌ی سیارات همان‌جا پیدا می‌شود.
این فرایند با نام «برافزایش هسته» (Core Accretion) شناخته می‌شود و در قسمت‌های بیرونی قرص که میزان سرما برای یخ‌زدن آب کافیست سریع‌تر صورت می‌گیرد. یخ موجود در پس این «مرز یخ» (Snowline) به کمک غبار می‌آید و باعث می‌شود اجرام پیش‌سیاره‌ای خیلی سریع‌تر قوام پیدا کنند و سفت شوند. مرز یخ یا مرز برفی به فاصله‌ای از ستاره در یک منظومه‌ی درحال تشکیل گفته می‌شود که پس از آن، ترکیب‌های فرار مثل آب، آمونیا، متان، کربن دی‌اکسید و کربن مونوکسید می‌توانند متراکم و به دانه‌های جامد یخی تبدیل شوند. آن‌ها خیلی زود هسته‌ای به جرم ۵ تا ۱۰ برابر زمین می‌سازند و بنابراین قرص گاز خود را از دست نمی‌دهد. این هسته می‌تواند گاز زیادی را به خود جذب کند تا اتمسفری بسیار ضخیم بسازد و در نتیجه غول‌های گازی مثل مشتری بوجود می‌آیند. در حقیقت یکی از اهداف فضاپیمای «جونو» ناسا که چند هفته‌ی پیش به مشتری رسید این بود که بفهمد آیا مشتری هسته‌ی سنگی پرجرم دارد یا خیر.
این سناریو به طور طبیعی منظومه‌ای سیاره‌ای درست شبیه به منظومه‌ی ما می‌سازد. سیارات سنگی کوچک با اتمسفر نازک نزدیک به ستاره قرار می‌گیرند. یک غول‌گازی بزرگ شبیه به مشتری دقیقا پشت مرز یخ و دیگر غول‌های گازی پشت سر آن تشکیل می‌شوند. با افزایش فاصله از خورشید، اندازه‌ی غول‌های گازی هم کوچکتر می‌شود چرا که این سیارات در مدار خود آهسته حرکت می‌کنند و زمان بیشتری طول می‌کشد که مواد موجود در فضا را جذب کنند. در ضمن در این سناریو، همه‌ی سیاره‌ها همان‌جایی که شکل گرفته بودند، در مدارهایی تقریبا دایره‌ای و حدود یک صفحه باقی می‌مانند.
