مشتری، پادشاه متورم منظومه شمسی: چگونه دو قمر کوچک راز بزرگی دو برابر این غول را فاش کردند

به گزارش بخش اخبار علمی زوم تک ,سیاره مشتری، پادشاه بی‌ چون‌ و چرای منظومه شمسی، همیشه به عنوان بزرگ‌ ترین سیاره این مجموعه شناخته شده است. اما یافته‌ های جدید علمی نشان می‌دهد که این غول گازی در دوران جوانی خود حتی عظیم‌ تر از امروز بوده است. پژوهشگران با بررسی داده‌ های نجومی و شبیه‌ سازی‌ های رایانه‌ای به این نتیجه رسیده‌اند که مشتری در آغاز شکل‌گیری‌ اش، جرمی بسیار بزرگ‌ تر داشته و به مرور زمان بخشی از آن را از دست داده است. این کشف می‌تواند زوایای تازه‌ای از تاریخ تحول منظومه شمسی را روشن کند.

رازهای جوانی مشتری؛ غول گازی منظومه شمسی زمانی بسیار بزرگ‌ تر بود

سیاره مشتری، این غول گازی باشکوه که امروزه به عنوان پادشاه بی چون و چرای منظومه شمسی شناخته می شود، با اتمسفر متلاطم و لکه سرخ بزرگش، همواره منبع شگفتی و الهام برای دانشمندان و علاقه مندان به فضا بوده است. اما آیا تصویری که امروز از مشتری داریم، تمام داستان پرفراز و نشیب این سیاره را بازگو می کند؟ پژوهشی نوین و هیجان انگیز که به تازگی منتشر شده، نشان می دهد که این غول دوست داشتنی، در سپیده دم تاریخ منظومه شمسی، قامتی به مراتب برافراشته تر و جثه ای عظیم تر از امروز داشته است، به طوری که شاید بتوان آن را یک “ابر مشتری” یا “مشتری متورم” نامید. این یافته ها نه تنها درک ما از چگونگی شکل گیری و تکامل خود مشتری را دگرگون می کند، بلکه پنجره ای نو به سوی فهم عمیق تر مراحل اولیه تکامل کل منظومه خورشیدی ما می گشاید.

کشف شگفت انگیز: مشتری در دوران نوزادی دو برابر بزرگتر بود!

محاسبات جدید که توسط تیمی از دانشمندان به رهبری کنستانتین باتیگین، استاد برجسته علوم سیاره ای در موسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک)، انجام شده، تصویری خیره کننده از گذشته دور مشتری ارائه می دهد. بر اساس این مدل سازی، تنها حدود ۳.۸ میلیون سال پس از شکل گیری نخستین اجرام جامد در منظومه شمسی – یعنی در دورانی که منظومه ما هنوز در مراحل ابتدایی طفولیت خود به سر می برد – مشتری جوان ابعادی تقریبا دو برابر اندازه کنونی خود داشته است. این به آن معناست که حجم این غول نوزاد به قدری بوده که می توانست بیش از ۲۰۰۰ کره زمین را به راحتی در خود جای دهد، در حالی که مشتری امروزی گنجایش حدود ۱۳۲۱ زمین را دارد!

علاوه بر این جثه عظیم و پف کرده، میدان مغناطیسی این غول نوزاد نیز به طور قابل توجهی قدرتمندتر بوده و برآورد می شود که دست کم ۵۰ برابر قوی تر از میدان مغناطیسی فعلی آن بوده باشد. پروفسور باتیگین، نویسنده اصلی این پژوهش، در بیانیه ای اهمیت این یافته ها را اینگونه تشریح می کند: “یافته های ما شرایط دقیقی را برای مدل های آینده [شکل گیری سیارات] تعیین می کند و محدودیت های زمانی و مکانی مشخصی بر چگونگی و زمان شکل گیری مشتری اعمال می نماید. این یک گام مهم به سوی درک چگونگی پیدایش نه تنها مشتری، بلکه کل منظومه شمسی است.” در واقع، این پژوهش قطعه ای کلیدی به پازل پیچیده شکل گیری سیارات اضافه می کند.

رازگشایی از گذشته با کمک قمرهای کوچک و فراموش شده

نکته بسیار جالب توجه و نوآورانه در این پژوهش، رویکرد تیم تحقیقاتی برای بازسازی گذشته مشتری است. آنها به جای تکیه صرف بر فرضیه های رایج در مدل های کلاسیک شکل گیری سیارات، مانند تخمین سرعت جذب گازهای اولیه توسط سیارات نوپا که اغلب با عدم قطعیت های زیادی همراه است، نگاه خود را به دو قمر کوچک و کمتر شناخته شده مشتری، یعنی آمالتیا و تبه، معطوف کردند.

این دو قمر صخره ای کوچک، در فاصله ای بسیار نزدیک به مشتری غول پیکر قرار دارند و در مدارهایی با اندکی انحراف نسبت به صفحه استوای مشتری و سایر قمرهای بزرگ گالیله ای (آیو، اروپا، گانیمد و کالیستو) حرکت می کنند. همین ویژگی به ظاهر ناچیز و انحراف جزئی در مدار، کلیدی طلایی برای دانشمندان بود. آنها با تحلیل دقیق و محاسبات پیچیده این انحرافات مداری، توانستند موقعیت گذشته قمر آیو، درونی ترین قمر بزرگ و آتشفشانی مشتری را با دقت قابل توجهی ردیابی کنند. این کار به نوبه خود به پژوهشگران امکان داد تا لبه داخلی قرص عظیم گاز و غباری را که در میلیاردها سال پیش به دور مشتری جوان می چرخیده و مواد لازم برای رشد و نمو آن را فراهم می کرده، مشخص نمایند. تعیین این لبه داخلی، برای فهمیدن سرعت چرخش مشتری در آن دوران اولیه و بحرانی، بسیار حیاتی بود. در واقع، این دو قمر کوچک، مانند شاهدانی خاموش و وفادار، اطلاعات گرانبهایی از دوران طفولیت پرآشوب مشتری را در دینامیک مداری خود حفظ کرده بودند.

فیزیک یک غول جوان: قانون پایستگی و یک مشتری پف کرده

پروفسور باتیگین توضیح می دهد که تیمش با استفاده از قانون پایستگی تکانه زاویه ای، توانسته است اندازه اولیه مشتری را به صورت معکوس محاسبه کند. تکانه زاویه ای، کمیتی در فیزیک است که به جرم، سرعت چرخش و نحوه توزیع جرم یک جسم چرخان بستگی دارد و در یک سیستم ایزوله (سیستمی که تحت تاثیر نیروهای خارجی قابل توجهی نباشد)، همواره ثابت باقی می ماند. با دانستن تکانه زاویه ای فعلی سیستم پیچیده مشتری و قمرهایش و همچنین سرعت چرخش اولیه مشتری که از روی تحلیل لبه داخلی قرص گاز و غبار تخمین زده شده بود، آنها توانستند مانند یک فیلم به عقب برگردند و ابعاد مشتری را در آن دوران دوردست بازسازی کنند.

باتیگین با هیجان می افزاید: “اینکه دو قمر نسبتا کوچک و به ظاهر بی اهمیت توانستند چنین شواهد روشن و قانع کننده ای از وضعیت اولیه مشتری ارائه دهند، احساسی شگفت انگیز و باورنکردنی بود. هیجان واقعی این بود که ما این نتیجه را به طور مستقل از مدل های پیچیده جذب ماده که به مجموعه ای از فرضیات تئوریک و پارامترهای نامشخص وابسته هستند، به دست آوردیم.”

محاسبات تیم نشان می دهد که مشتری جوان، با شعاعی تقریبا دو برابر شعاع کنونی و حجمی که می توانست بیش از ۲۰۰۰ کره زمین را در خود جای دهد، یک غول به شدت “پف کرده” و متورم بوده است. این حالت پف کردگی و حجم زیاد، احتمالا ناشی از حرارت بسیار زیاد باقی مانده از فرآیند پر انرژی شکل گیری اولیه (برخورد و ادغام خرده سیارات) و همچنین ادامه جذب گاز و غبار از قرص اطراف بوده است. میدان مغناطیسی بسیار قوی آن نیز، که ۵۰ برابر امروز تخمین زده شده، احتمالا از همین فضای داخلی بسیار داغ تر، بزرگتر و شاید با چرخش سریعتر و همرفت شدیدتر مواد رسانای الکتریکی در اعماق آن ناشی می شده است. این غول بادکرده و دارای میدان مغناطیسی مهیب، به مرور زمان و در طی میلیون ها سال، با تابش این حرارت اضافی به فضای سرد اطراف، به تدریج خنک و منقبض شد و به اندازه ای که امروز می شناسیم و آن را “پادشاه سیاره ها” می نامیم، کاهش یافت. با این حال، مشتری امروزه نیز همچنان با اقتدار این عنوان را یدک می کشد و می تواند حدود ۱۳۲۱ کره زمین را در خود ببلعد.

نقش محوری مشتری غول پیکر در معماری منظومه شمسی

هرچند مطالعه جدید باتیگین و همکارانش به طور مستقیم و با جزئیات به بررسی چگونگی تاثیر چنین مشتری عظیمی بر سایر اجزای منظومه شمسی اولیه نمی پردازد، اما به وضوح تاکید می کند که شکل گیری و تکامل اولیه این سیاره “نقش محوری و بنیادین” در شکل دهی به ساختار کلی و معماری نهایی همسایگی خورشیدی ما داشته است. یک مشتری بسیار بزرگتر و با میدان مغناطیسی به مراتب قوی تر، بدون شک تاثیرات گرانشی و الکترومغناطیسی بسیار شدیدتری بر روی خرده سیارات، سیارک ها و دنباله دارهای جوان و سرگردانی که در منظومه شمسی اولیه در حال پرسه زدن بودند، داشته است.

این غول اولیه می توانسته مسیر حرکت این اجرام را به شدت تغییر دهد، برخی را به مناطق بیرونی و سرد منظومه شمسی پرتاب کند (جایی که امروز کمربند کویپر و ابر اورت قرار دارند)، برخی دیگر را به سمت خورشید داغ هدایت کرده و نابود سازد، و شاید حتی در شکل گیری، عدم شکل گیری و یا مهاجرت سیارات دیگر در مناطق خاصی از منظومه شمسی نقش کلیدی ایفا کرده باشد. همچنین، تاثیر گرانشی عظیم آن می توانسته در انتقال مواد فرار و حیاتی مانند آب و ترکیبات آلی از مناطق بیرونی و یخی منظومه شمسی به مناطق داخلی تر، جایی که سیارات سنگی مانند زمین، مریخ و زهره شکل گرفته اند، بسیار موثر باشد و به نوعی بذر حیات را در این سیارات کاشته باشد.

مشتری در بزنگاه تاریخ: پایان دوران شکل گیری سیارات

به گفته باتیگین و تیم تحقیقاتی اش، این یافته های جدید همچنین موقعیت مشتری را در یک نقطه زمانی بسیار حیاتی و تعیین کننده در تاریخ منظومه شمسی نشان می دهد: درست زمانی که ابر عظیم گاز و غبار باقی مانده از تشکیل خورشید، که به آن سحابی خورشیدی گفته می شود، در حال تبخیر شدن و ناپدید شدن تحت تاثیر تابش شدید خورشید جوان بود. این رویداد مهم، نقطه پایانی بر فرآیند اصلی شکل گیری سیارات از این سحابی اولیه بود و به نوعی طرح اولیه و چارچوب اصلی منظومه شمسی را که امروز مشاهده می کنیم، تثبیت کرد. درک دقیق وضعیت و اندازه مشتری در این مقطع حساس تاریخی، برای فهم چگونگی رسیدن منظومه شمسی به ساختار و آرایش کنونی اش بسیار مهم و راهگشا است.

گامی دیگر به سوی شناخت کیهان

این مطالعه شگفت انگیز و روشنگرانه که نتایج آن در تاریخ ۲۰ مه در نشریه معتبر علمی “نیچر آسترونومی” (Nature Astronomy) منتشر شده است، بار دیگر نشان می دهد که حتی شناخته شده ترین و مطالعه شده ترین اجرام آسمانی نیز می توانند رازهای سر به مهر و شگفت انگیزی در گذشته دور خود داشته باشند. به لطف خلاقیت، کنجکاوی و تلاش بی وقفه دانشمندانی چون پروفسور باتیگین و تیم همکارش در موسسه فناوری کالیفرنیا، و با استفاده هوشمندانه از سرنخ های ظریف و به جا مانده در حرکت قمرهای کوچک و به ظاهر کم اهمیت، ما یک گام دیگر به درک داستان پرفراز و نشیب و جذاب شکل گیری و تکامل پادشاه سیارات، و در نهایت، کل منظومه شمسی و جایگاه خودمان در این گستره بی کران، نزدیک تر شده ایم. این پژوهش ها نه تنها عطش ذاتی ما برای دانستن و کشف را سیراب می کنند، بلکه افق های جدیدی را برای تحقیقات آینده و پرسش های عمیق تر می گشایند.