تحقیق درباره سیاره‌های فراخورشیدی، که اصطلاح علمی-تخیلی است برای توصیف تمام سیاراتی که در خارج از منظومه شمسی قرار دارند، به عنوان یک حوزه پژوهشی نوین و نوآورانه شناخته می‌شود.
طبق گزارش ساینس دیلی، گروهی از محققان فعال در عرصه سیاره‌های فراخورشیدی، از جمله اعضای آزمایشگاه «اگزولب» (ExoLab) در «دانشگاه کانزاس» (University of Kansas)، با بهره‌گیری از اطلاعات جمع‌آوری‌شده توسط تلسکوپ‌های فضایی همچون «تلسکوپ فضایی هابل» و «تلسکوپ فضایی جیمز وب»، به جستجوی نتایج علمی جدید در زمینه سیاره‌های «زمین‌مانند» و همچنین سیاراتی که قابلیت پشتیبانی از حیات را دارند، پرداخته‌اند. زمانی که در رسانه‌ها صحبت از سیاره‌های فراخورشیدی در کهکشان راه شیری به میان می‌آید، به این گونه سیارات اشاره می‌شود.
«جاناتان براند» (Jonathan Brande)، دانشجوی دکترای حاضر در آزمایشگاه اگزولب، به‌تازگی نتایج تحقیقاتی را منتشر کرده که جزئیات جوی مربوط به گروهی از ۱۵ سیاره فراخورشیدی مشابه نپتون را به تصویر کشیده است. هرچند این سیارات قادر به حمایت از حیات انسانی نیستند، ولی شناخت دقیق‌تر از رفتار آن‌ها می‌تواند به دانشمندان در پاسخ به این پرسش کمک کند که چرا سیاره‌ای با ابعاد کوچکتر از نپتون وجود ندارد، در حالی که بسیاری از منظومه‌های خورشیدی صاحب سیاره‌ای به این اندازه هستند.
براند تصریح کرد: در چند سال گذشته در دانشگاه کانزاس، تحقیقات من بر بررسی اتمسفر سیاره‌های فراخورشیدی از طریق روش موسوم به «طیف‌سنجی عبوری» (Transmission Spectroscopy) متمرکز شده است. در طی این فرایند، هنگامی که یک سیاره در حرکت به سمت جلو است، در خط دید ما قرار دارد و در حال عبور از مقابل ستاره‌ای است که در مدار آن می‌چرخد. نور ستاره از لابه‌لای جو سیاره عبور می‌کند و تحت تأثیر گازهای مختلف قرار می‌گیرد. با بررسی طیف ستاره، یک طیف رنگی را مشاهده می‌کنیم و روشنایی رنگ‌های آن را اندازه‌گیری می‌نماییم. محدوده‌های متفاوت در روشنایی یا تاریکی طیف، به ما نشان‌دهنده گازهای جذب‌کننده نور در جو سیاره می‌باشد.
او چند سال پیش مقاله‌ای منتشر کرد که در آن به بررسی سیاره فراخورشیدی «TOI-۶۷۴ b» پرداخته بود. در این مقاله، مشاهداتی که وجود بخار آب در جو سیاره را تأیید می‌کرد، ارائه شد. این تحقیق یکی از اجزای گسترده‌تر پروژه‌ای است که تحت سرپرستی براند و «ایان کراسفیلد» (Ian Crossfield)، دانشیار فیزیک و ستاره‌شناسی دانشگاه کانزاس به منظور بررسی جو سیاره‌های مشابه نپتون انجام شده است.
براند تصریح کرد: با توجه به اینکه برخی سیارات فراخورشیدی بزرگ‌تر از زمین و کوچکتر از نپتون، از متداول‌ترین انواع سیارات در کهکشان به شمار می‌روند، ما بر آنیم تا رفتار این سیارات را بشناسیم.
تحقیقات جدید براند، مشاهدات قبلی را در بر می‌گیرد و اطلاعات بیشتری را برای پاسخ به پرسش‌هایی ارائه می‌دهد که چرا جو برخی سیارات به شکل ابری به نظر می‌رسد در حالی که جو دیگر سیارات کاملاً صاف است. براند بیان کرد: هدف ما کشف توجیهات فیزیکی برای ویژگی‌های متمایز این سیارات است.
براند و همکارانش بر مناطق خاصی از سیاره‌های فراخورشیدی تمرکز کردند که گرایش به تشکیل ابرها یا مه‌ها در بالای جو خود دارند. براند تأکید کرد: وجود ذرات معلق در جو می‌تواند باعث شود که نور در آن فیلتر نشود.
وی افزود: اگر بالای سطح یک سیاره ابرهایی وجود داشته باشد که صدها کیلومتر هوای صاف در بالای آن قرار داشته باشد، نور ستاره‌ها به سادگی از این هوای صاف عبور می‌کند و تنها تحت تأثیر گازهای خاص موجود در آن بخش از جو قرار می‌گیرد. اما اگر ابر در ارتفاعی بسیار بالا قرار گیرد، این ابرها به‌طور کلی در تمامی طیف‌های الکترومغناطیسی متراکم می‌شوند. اگرچه مه‌ها ویژگی‌های طیفی دارند، اما وقتی که ما با تلسکوپ فضایی هابل روی یک دامنه نسبتاً باریک متمرکز می‌شویم، طیف‌های جوی عمدتاً صاف هم تولید می‌شوند.
طبق گفته براند، در مواقعی که این ذرات معلق در بالای جو وجود داشته باشند، هیچ راه روشنی برای عبور نور وجود ندارد. او ادامه داد: با تلسکوپ فضایی هابل تنها گازی که ما به آن دقیقا حساس هستیم، بخار آب است. اگر بخار آب در جو یک سیاره دیده شود، نشانه خوبی به شمار می‌رود که هیچ ابری نمی‌تواند مانع جذب آن شود. در نقطه مقابل، اگر بخار آب مشاهده نشود و صرفاً یک طیف جوی صاف نمایان باشد، با توجه به اینکه سیاره باید دارای جو وسیعی باشد، احتمال وجود ابر یا مه در ارتفاعات بالاتر باقی می‌ماند.
براند هدایت یک تیم بین‌المللی از ستاره‌شناسان را در این تحقیق بر عهده دارد، که شامل کراسفیلد از دانشگاه کانزاس، گروهی از پژوهشگران «موسسه ماکس پلانک» (Max Planck Institute) آلمان به سرپرستی «لورا کریدبرگ» (Laura Kreidberg) و همچنین گروهی از پژوهشگران «دانشگاه تگزاس، آستین» (UT Austin) به رهبری «کارولین مورلی» (Caroline Morley) می‌شود.
براند و همکارانش با تمرکز بر تحلیل پارامترهای فیزیکی جو سیاره‌های کوچکتر شبیه نپتون، به یک تحلیل متفاوت و نوین نسبت به تلاش‌های پیشین پرداختند. در حالی که تحلیل‌های قبلی عمدتاً به استفاده از یک مدل جوی برای مشاهدات وابسته بودند، براند اظهار داشت: محققان معمولاً یک مدل جوی با محتوای بخار آب محاسبه شده قبلی را لحاظ کرده و سپس برای همخوانی با سیارات مشاهده‌شده تغییرات انجام می‌دهند. این رویکرد امکان نشان دادن اینکه آیا طیف جوی صاف یا ابری است را فراهم می‌آورد، اما اطلاعاتی درباره مقدار بخار آب یا موقعیت ابرها در جو عرضه نمی‌کند.
به جای آن، براند از طریق روشی به نام «بازیابی جوی» (Atmospheric Retrieval) اقدام کرد.
او اضافه کرد: این روش شامل مدل‌سازی جو بر اساس پارامترهای مختلف سیاره شامل مقدار بخار آب و موقعیت ابرها و تکرار فرایند از طریق صدها و هزاران شبیه‌سازی برای تعیین بهترین پیکربندی است. بازیابی‌های ما بهترین طیف مدل را برای هر سیاره مشخص می‌کنند که بر اساس آن می‌توانیم تعیین کنیم که سیاره چقدر ابری یا صاف است.
یافته‌های براند اطلاعاتی عمیق در مورد رفتار این جوهای سیاره‌ای فراهم آورده و باعث تحریک علاقه فراوانی در این حوزه شده است. افزون بر این، براند جزئی از یک برنامه رصدی بین‌المللی به رهبری کراسفیلد است که به تازگی نتایجی را درباره وجود بخار آب در سیاره «GJ ۹۸۲۷d» منتشر کرده‌اند. این سیاره که گرمایی مشابه با سیاره زهره دارد، در فاصله ۹۷ سال نوری از زمین و در صورت فلکی «ماهی» (Pisces) واقع است.
مشاهدات انجام‌شده با تلسکوپ فضایی هابل نشان‌دهنده‌ی این است که ممکن است این سیاره تنها نمونه‌ای از سیارات آب‌دار در کهکشان راه شیری باشد. این مشاهدات توسط گروهی به رهبری «پیر الکسیس روی» (Pierre-Alexis Roy) از «موسسه پژوهش سیاره‌های فراخورشی تروتیر» (Trottier Institute for Research on Exoplanets) در «دانشگاه مونترال» (UdeM) به اطلاع عموم رسید.
براند بیان کرد: ما در جستجوی بخار آب در جو سیارات زیرنپتونی بودیم. مقاله پیر الکسیس، آخرین مقاله از این تلاش‌ها است، چرا که شناسایی بخار آب تقریباً به اندازه ۱۰ یا ۱۱ گذر از سیاره زمان برد. ما در طول فرآیند به فعالیت‌های دو مقاله نزدیک بودیم تا از استفاده به‌روز شده از نتایج اطمینان حاصل کرده و یافته‌های آن‌ها را به‌دقت منعکس سازیم.
این پژوهش در نشریه «The Astrophysical Journal Letters» منتشر گردید.