آیا منظومه شمسی دو سیارهاش را گم کرده است؟ ردپای جهانهای گمشده در مدار قمرهای اورانوس
شاید زمانی منظومه شمسی بسیار شلوغ تر از امروز بوده است. میلیاردها سال پیش، در سوی دیگر مدار زحل، احتمالاً یک یا دو غول یخی دیگر در مدارهای ناپایدار و ناپایدار علاوه بر اورانوس و نپتون به دور خورشید می چرخیدند. این سیارات عظیم بارها از نزدیک یکدیگر عبور کرده اند، مدار قمرها را به هم ریخته اند و حتی ممکن است در کج شدن محور اورانوس نقش داشته باشند. در نهایت، فعل و انفعالات گرانشی به حدی قوی شد که یکی دو تا از این جهان ها از منظومه شمسی به بیرون پرتاب شدند و تبدیل به سیاره هایی شدند که در تاریکی فضای بین ستاره ای سرگردان بودند.
در نگاه اول، این سناریو شبیه داستان های علمی تخیلی به نظر می رسد، اما بر اساس شبیه سازی های دقیق از دینامیک سیاره ها است. پژوهشی جدید در مجله علمی «ایکاروس» نشان می دهد که برای توضیح آرایش فعلی سیارات و قمرهای منظومه شمسی، احتمال وجود حداقل یک غول یخی گم شده باید جدی گرفته شود. با این حال، هنوز شواهد کافی برای اثبات قطعی وجود دو سیاره از دست رفته وجود ندارد.
منظومه شمسی از ابتدا به این ترتیب منظم نبود
تصویر آشنایی که در کتاب های درسی می بینیم، منظومه شمسی را به عنوان یک ساعت دقیق نشان می دهد: خورشید در مرکز قرار دارد و هشت سیاره در مدارهای منظم و تقریباً همسطح به دور آن می چرخند. اما این نظم مدرن نتیجه میلیاردها سال دگرگونی و هرج و مرج است. حدود 4.6 میلیارد سال پیش، بخشی از یک ابر عظیم و سرد از گاز و غبار به دلیل گرانش خود فروریخت. با کوچکتر و متراکم شدن این ابر، سرعت چرخش آن افزایش یافت و بیشتر مواد آن به شکل یک دیسک صاف در اطراف مرکز جمع شد.
در قسمت مرکزی فشار و دما به حدی افزایش یافت که همجوشی هسته ای آغاز شد و خورشید متولد شد. در دیسک اطراف آن، ذرات غبار بارها با یکدیگر برخورد کرده و به هم چسبیده اند. ابتدا دانه ها و سنگریزه ها به وجود آمدند، سپس سیارات فرعی و در نهایت پیش سیاره ها به وجود آمدند که بعدها به سیارات امروزی تبدیل شدند.
با این حال دمای این تبلت در همه جا یکسان نبود. در مناطق نزدیک به خورشید، گرمای شدید اجازه نمی داد آب و بسیاری از مواد فرار به شکل یخ باقی بمانند. به همین دلیل، سیارات درونی عمدتاً از سنگ و فلز ساخته شده بودند. اما در فواصل دورتر، فراتر از محدوده ای به نام خط برف، دما به اندازه ای پایین بود که آب و ترکیبات فرار یخ بزنند. در نتیجه، مواد جامد بیشتری برای رشد هستههای سیارهای در دسترس قرار گرفت. مشتری و زحل که بیشتر از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده اند، غول های گازی نامیده می شوند. اما اورانوس و نپتون به دلیل سهم بیشتر مواد و ترکیبات سنگین مانند آب، آمونیاک و متان در گروه غول های یخی قرار می گیرند. بنابراین از نظر علمی درست نیست که هر چهار سیاره بیرونی را غول گازی بدانیم.
چرا چهار غول امروزی برای بازسازی گذشته کافی نیستند؟
برای درک گذشته منظومه شمسی، دانشمندان یک نسخه مجازی از دوران جوانی آن ایجاد می کنند. آنها جرم سیارات، فواصل مداری اولیه و توزیع سیارکهای یخی را در شبیهسازی وارد کردند و سپس اجازه دادند که منظومه تحت تأثیر گرانش در طول میلیونها سال تکامل یابد. یک مدل موفق باید خیلی بیشتر از حضور مشتری، زحل، اورانوس و نپتون را بازسازی کند. فاصله کنونی سیارات، میزان کشیدگی و انحراف مدار آنها، ساختار کمربند کویپر و توزیع اجسام کوچک نیز باید با آنچه امروز مشاهده می کنیم مطابقت داشته باشد. مشکل این است که بسیاری از شبیهسازیهایی که فقط با این چهار غول شروع میشوند به خوبی انجام نمیشوند: برخی از آنها برای توضیح پیکربندی کنونی سیستم بیش از حد ساکت میمانند، در حالی که برخی دیگر چنان آشفته میشوند که یکی از چهار سیاره اصلی از منظومه خارج میشود.
یکی از مهم ترین چارچوب ها برای توضیح این دوران آشفته، مدل نیس است. بر اساس این مدل، سیارات غول پیکر در ابتدا بسیار نزدیکتر از امروز به یکدیگر بودند و مدار آنها در زنجیره ای از رزونانس های مداری قفل شده بود. یعنی دوره گردش آنها نسبت های منظم و مشخصی با یکدیگر داشتند. برهم کنش گرانشی این سیارات با انبوه سیارک های یخی در نواحی بیرونی باعث شد که مدار غول ها به تدریج تغییر کند و آنها در منظومه حرکت کنند.
با شکسته شدن این نظم مداری، دوره ای از بی ثباتی شدید آغاز شد: مدارهای سیاره ای به طور ناگهانی تغییر کردند، برخوردها و گذرگاه های نزدیک افزایش یافت و بسیاری از اجسام کوچک به بیرون پرتاب شدند. تحقیقات قبلی نشان داده است که شروع یک شبیهسازی با پنج غول، یعنی چهار سیاره کنونی به اضافه یک غول یخی دیگر، در بسیاری موارد نتیجه طبیعیتر و شبیهتر به سیستم کنونی ایجاد میکند. سناریوهای شش غول پیکر با دو غول یخی اضافی نیز در تعدادی از شبیه سازی ها موفق بوده اند.
با این حال، نتایج این مطالعات را نباید خیلی قطعی کرد. مطالعه جدید ثابت نمی کند که منظومه شمسی در ابتدا لزوماً شش سیاره غول پیکر داشت، اما دقیقاً دو سیاره از آنها را از دست داد. محققان در واقع سناریوهای مختلف پنج غول و شش غول را با هم مقایسه کرده اند. برخی از نشانه ها با وجود دو غول یخی اضافی بهتر توضیح داده می شوند، اما برخی شواهد دیگر سناریوی ساده تر فقط یک سیاره گم شده را محتمل تر می کند. جالب اینجاست که چند شبیه سازی که در آن قمرهای مشتری و اورانوس از هرج و مرج اولیه جان سالم به در بردند، با پنج غول آغاز شد.
ماه ها؛ خاطرات کوچک یک فاجعه بزرگ است
نکته مهم تحقیق جدید این است که نه تنها مدار سیارات را بررسی می کند، بلکه قمرهای مشتری و اورانوس را نیز در شبیه سازی ها گنجانده است. قمرهای منظم در نزدیکی سیاره مادر شکل گرفته اند و مدار آنها می تواند آثاری از آشفتگی های گرانشی گذشته را حفظ کند. سیاره غول پیکری که از نزدیکی مشتری یا اورانوس می گذرد می تواند مدار قمرهای آنها را بکشد و منحرف کند و باعث شود آنها با هم برخورد کنند یا حتی برخی از آنها را برای همیشه از مدار خارج کنند.
منظومه قمری مشتری به چنین آشفتگی هایی بسیار حساس است. آیو، اروپا و گانیمد در چینش دقیقی قرار دارند که به رزونانس لاپلاس معروف است: تقریباً در همان زمانی که گانیمد به دور مشتری می چرخد، اروپا دو دور و آیو چهار دور کامل می کند. این هماهنگی در طی یک فرآیند طولانی فعل و انفعالات گرانشی و کشنده شکل گرفته یا حفظ شده است. اگر این قمرها در هرج و مرج اولیه با هم برخورد می کردند و دوباره شکل می گرفتند، تشکیل مجدد چنین نظمی بسیار دشوار بود. بنابراین، بقای قمرهای مشتری آزمونی جدی برای سناریوهای مختلف تاریخ منظومه شمسی است.
محققان 122 سناریو مختلف را شبیه سازی کردند. نتیجه نشان داد که قمرهای مشتری و اورانوس شانس کمی برای زنده ماندن دارند و بقای همزمان هر دو منظومه تنها حدود یک درصد است. عبور یک غول یخی از فاصله نزدیک به سه میلیون کیلومتری اورانوس نیز می تواند قمرهای آن را تقریباً به طور کامل نابود کند.
چرا اورانوس به پهلو خوابیده است؟
محور چرخش اورانوس حدود 98 درجه است. یعنی این سیاره در حالی که به پهلو خوابیده به دور خورشید می چرخد. علت این وضعیت هنوز با قطعیت مشخص نیست. یکی از رایجترین فرضیهها میگوید که در دوران جوانی منظومه شمسی، یک جرم بزرگ، شاید یک سیاره اولیه چندین برابر زمین، با اورانوس برخورد کرد. شبیهسازیها نشان میدهند که برخوردی با جرم حداقل دو برابر زمین میتواند به شدت محور اورانوس را کج کند، بدون اینکه لزوماً کل جو آن را تخریب کند. البته توضیحات دیگری نیز ارائه شده است، مانند تشدید چرخشی یا اثر یک ماه بزرگ که بعداً از بین رفت.
با این حال، این تحقیق ادعا نمی کند که یکی از سیارات گمشده مستقیماً با اورانوس برخورد کرده است. کج شدن محور اورانوس و دوره ناپایداری غول های منظومه دو رویداد جداگانه هستند. با این حال، هر دو احتمالاً در سال های اولیه شکل گیری منظومه شمسی رخ داده اند. اگر این سناریو درست باشد، منظومه قمر اورانوس حداقل دو بار تا مرز فروپاشی رانده شده است: یک بار در جریان رویدادی که سیاره را به طرفین زد و بار دیگر زمانی که غولهای سرگردان از نزدیکی عبور کردند.
میراندا؛ صحنه برخورد یخ
در میان قمرهای اورانوس، میراندا شاید مهمترین شاهد این هرج و مرج باستانی باشد. این قمر کوچک تنها حدود 470 کیلومتر قطر دارد، اما سطح آن مجموعهای درهم از درهها، شیارها، شکافها، دهانههای برخوردی و مناطق لکهمانندی به نام تاج است. تصاویر وویجر 2 نشان می دهد که عمق برخی از شکاف های میراندا چندین برابر گرند کنیون است. سالهاست که دانشمندان تلاش میکنند منشأ این چهره عجیب و تکه تکه شده را توضیح دهند: آیا میراندا در یک ضربه بزرگ متلاشی شد، سپس دوباره سرهم شد؟ آیا گرمایش کشنده یخ و سنگ درون آن را به حرکت درآورده است؟ یا چند رویداد مختلف در دوره های مختلف این چشم انداز پیچیده را ساخته است؟
تحقیقات جدید سناریوی دیگری را نشان می دهد. در شبیهسازیها، عبور نزدیک سیارات غولپیکر، مدار قمرهای اورانوس را بیضوی و ناپایدار میکرد و گاهی اوقات آنها را با سرعت زیاد به یکدیگر برخورد میکرد. این برخوردها می تواند بخشی از پوسته قمرها را کنده و بقایایی بر جای بگذارد که بعداً روی سطح آنها فرود آید.
چنین فرآیندی ممکن است اندازه کوچک و ترکیب یخی میراندا را توضیح دهد. تنها حدود 23 درصد از ساختار این قمر سنگی است، در حالی که این نسبت در برخی از قمرهای بزرگتر اورانوس به حدود 50 درصد می رسد. البته این توضیح همچنان یک فرضیه است که نیاز به شواهد بیشتری دارد.
یک سیاره گمشده یا دو؟
شبیه سازی ها نتیجه جالبی را نشان می دهد. اگر منظومه شمسی دو غول یخی اضافی داشته باشد، قمرهای مشتری شانس بیشتری برای بقا دارند. زیرا این سیارات معمولا جرم کمتری دارند و عبور از آنها آسیب کمتری به همراه دارد. اما قمرهای اورانوس در سناریویی با یک سیاره اضافی بهتر زنده می مانند زیرا دوره تلاطم کوتاهتر است و برخوردهای گرانشی کمتر اتفاق می افتد. در مدل شش غول پیکر، دو سیاره اضافی می توانند چندین بار از نزدیکی اورانوس عبور کنند و مدار قمرهای آن را مختل کنند.
در پایان این هرج و مرج، یک یا دو سیاره اضافی توسط فعل و انفعالات گرانشی از منظومه رانده می شدند. مشتری به دلیل جرم عظیمش احتمالاً نقش مهمی در این پرتاب ها داشته است. یک گذر نزدیک به سیاره کوچکتر آنقدر شتاب میداد که بتواند از گرانش خورشید بگریزد. چنین سیاره ای امروزه احتمالاً دنیایی سرد و تاریک است که در فضای بین ستاره ای سرگردان است. یافتن آن بسیار دشوار خواهد بود زیرا هیچ نوری از خود تولید نمی کند و ما هیچ نشانه ای از مسیر یا مکان فعلی آن نداریم.
چقدر می توان به این داستان اعتماد کرد؟
این تحقیق در مجله علمی Ikarus منتشر شده است، اما هنوز با قطعیت فاصله دارد. دانشمندان نمی توانند آشوب چهار میلیارد سال پیش را مستقیما ببینند و باید آن را از مدار سیارات، موقعیت قمرها و توزیع اجرام کوچک بازسازی کنند. شبیهسازیها نیز بسیار حساس هستند و یک تغییر کوچک در شرایط اولیه میتواند نتیجهای کاملا متفاوت ایجاد کند.
بنابراین، این مطالعه شواهد قطعی برای وجود دو سیاره از دست رفته نیست، بلکه نشان می دهد که برخی از سناریوها بیشتر از سایرین محتمل هستند. نکته مهم این است که قمرها می توانستند بخشی از تاریخ پنهان سیارات را حفظ کنند. تاریخی که خود سیارات ممکن است دیگر نشانی از آن نداشته باشند. یک ماموریت دقیق به اورانوس می تواند بسیاری از این فرضیه ها را آزمایش کند.
منظومه شمسی امروز آرام به نظر می رسد، اما این آرامش احتمالا پس از یک دوره طولانی هرج و مرج به وجود آمده است. شاید یک یا دو غول یخی دیگر در یک زمان وجود داشته باشند، و سپس آنها در یک طناب کشی گرانشی از سیستم رانده شدند. پاسخ قطعی هنوز مشخص نیست، اما ممکن است آثاری از آن هرج و مرج همچنان در سطح میراندا و در مدارهای دقیق قمرهای مشتری باقی بماند.
منبع: دیجیاتو
