منظومه شمسی از ابتدا همین تعداد سیاره داشته است؟

به گزارش مجله خبری نگار/دیجیاتو، شاید منظومه شمسی روزگاری بسیار شلوغ‌تر از امروز بوده است. میلیارد‌ها سال پیش، در آن سوی مدار زحل، احتمالاً علاوه‌بر اورانوس و نپتون، یک یا دو غول یخی دیگر نیز در مدار‌هایی فشرده و ناپایدار به دور خورشید می‌چرخیدند. این سیاره‌های عظیم بار‌ها از نزدیکی یکدیگر عبور کردند، مدار قمر‌ها را به هم ریختند و حتی ممکن است در کج‌شدن محور اورانوس نقش داشته باشند. سرانجام، برهم‌کنش‌های گرانشی آن‌قدر شدید شد که یک یا دو مورد از این جهان‌ها از منظومه شمسی بیرون رانده شدند و به سیاره‌هایی سرگردان در تاریکی فضای میان‌ستاره‌ای تبدیل شدند.

این سناریو در نگاه اول به داستان‌های علمی‌تخیلی شباهت دارد، اما بر پایه شبیه‌سازی‌های دقیق دینامیک سیاره‌ای شکل گرفته است. پژوهشی تازه در مجله علمی «ایکاروس» (Icarus) نشان می‌دهد که برای توضیح آرایش کنونی سیاره‌ها و قمر‌های منظومهٔ شمسی، باید احتمال وجود دست‌کم یک غول یخی گمشده را جدی گرفت؛ هرچند هنوز شواهد کافی برای اثبات قطعی وجود دو سیاره گمشده در دست نیست.

تصویر آشنایی که در کتاب‌های درسی می‌بینیم، منظومه شمسی را مانند ساعتی دقیق نشان می‌دهد: خورشید در مرکز قرار دارد و هشت سیاره در مدار‌هایی منظم و تقریباً هم‌صفحه به دور آن می‌چرخند. اما این نظم امروزی، نتیجه میلیارد‌ها سال تحول و آشوب است. حدود ۴٫۶ میلیارد سال پیش، بخشی از یک ابر عظیم و سرد گاز و غبار بر اثر گرانش خود فرو ریخت. هرچه این ابر کوچک‌تر و متراکم‌تر می‌شد، سرعت چرخشش افزایش می‌یافت و بیشتر ماده آن به شکل قرصی تخت پیرامون مرکز جمع می‌شد.

در بخش مرکزی، فشار و دما آن‌قدر بالا رفت که همجوشی هسته‌ای آغاز و خورشید متولد شد. در قرص اطراف آن نیز ذرات غبار بار‌ها با یکدیگر برخورد کردند و به‌هم چسبیدند. ابتدا دانه‌ها و سنگ‌ریزه‌ها شکل گرفتند، سپس خرده‌سیاره‌ها به‌وجود آمدند و درنهایت، پیش‌سیاره‌هایی ساخته شدند که بعد‌ها به سیاره‌های امروزی تبدیل شدند.

بااین‌حال، دمای این قرص در همه‌جا یکسان نبود. در نواحی نزدیک به خورشید، گرمای شدید اجازه نمی‌داد آب و بسیاری از مواد فرّار به شکل یخ باقی بمانند. به‌همین‌دلیل، سیاره‌های درونی عمدتاً از سنگ و فلز ساخته شدند. اما در فاصله‌های بیشتر و آن‌سوی محدوده‌ای به‌نام خط برف، دما به اندازه‌ای پایین بود که آب و ترکیبات فرّار یخ بزنند. درنتیجه، مواد جامد بیشتری برای رشد هسته‌های سیاره‌ای در دسترس قرار گرفت. مشتری و زحل که بیشتر از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند، غول‌های گازی نامیده می‌شوند. اما اورانوس و نپتون، به‌دلیل سهم بیشتر مواد سنگین و ترکیباتی مانند آب، آمونیاک و متان، در گروه غول‌های یخی قرار می‌گیرند؛ بنابراین از نظر علمی، درست نیست هر چهار سیاره بیرونی را غول گازی بنامیم.

دانشمندان برای پی‌بردن به گذشته منظومه شمسی، نسخه‌ای مجازی از دوران جوانی آن می‌سازند. آنها جرم سیاره‌ها، فاصله اولیه مدار‌ها و توزیع خرده‌سیاره‌های یخی را وارد شبیه‌سازی می‌کنند و سپس اجازه می‌دهند این سامانه در طول میلیون‌ها سال تحت‌تأثیر گرانش تکامل پیدا کند. یک مدل موفق باید چیزی بسیار فراتر از حضور مشتری، زحل، اورانوس و نپتون را بازسازی کند؛ فاصله کنونی سیاره‌ها، میزان کشیدگی و انحراف مدارهایشان، ساختار کمربند کویپر و پراکندگی اجرام کوچک نیز باید با آنچه امروز مشاهده می‌کنیم هماهنگ باشد. مشکل اینجاست که بسیاری از شبیه‌سازی‌هایی که تنها با همین چهار غول آغاز می‌شوند، به نتیجه مناسبی نمی‌رسند: بعضی از آنها بیش از حد آرام باقی می‌مانند و نمی‌توانند آرایش کنونی منظومه را توضیح دهند، درحالی‌که برخی دیگر چنان آشوبناک می‌شوند که یکی از چهار سیاره اصلی نیز از منظومه بیرون رانده می‌شود.

یکی از مهم‌ترین چارچوب‌ها برای توضیح این دوران پرآشوب، مدل نیس است. براساس این مدل، سیاره‌های غول‌پیکر در آغاز بسیار نزدیک‌تر از امروز به یکدیگر قرار داشتند و مدارهایشان در زنجیره‌ای از تشدید‌های مداری به‌هم قفل شده بود؛ یعنی دوره گردش آنها نسبت‌های منظم و مشخصی با یکدیگر داشت. برهم‌کنش گرانشی این سیاره‌ها با انبوه خرده‌سیاره‌های یخی در نواحی بیرونی، باعث شد مدار غول‌ها به‌تدریج تغییر کند و آنها در منظومه جابه‌جا شوند.

با شکسته‌شدن این نظم مداری، دوره‌ای از بی‌ثباتی شدید آغاز شد: مدار سیاره‌ها ناگهان تغییر کرد، برخورد‌ها و گذر‌های نزدیک افزایش یافت و بسیاری از اجرام کوچک به بیرون پرتاب شدند. پژوهش‌های پیشین نشان داده‌اند که آغاز شبیه‌سازی با پنج غول، یعنی چهار سیاره امروزی به‌اضافه یک غول یخی دیگر، در بسیاری از موارد نتیجه‌ای طبیعی‌تر و شبیه‌تر به منظومه فعلی ایجاد می‌کند. سناریو‌های شش‌غولی، با دو غول یخی اضافی، نیز در شماری از شبیه‌سازی‌ها موفق بوده‌اند.

بااین‌حال، نباید نتیجه این پژوهش‌ها را بیش از اندازه قطعی جلوه داد. مطالعه تازه ثابت نمی‌کند که منظومه شمسی حتماً در آغاز شش سیاره غول‌پیکر داشته و دقیقاً دو مورد از آنها را از دست داده است. پژوهشگران در واقع سناریو‌های مختلف پنج‌غولی و شش‌غولی را با یکدیگر مقایسه کرده‌اند. برخی نشانه‌ها با حضور دو غول یخی اضافی بهتر توضیح داده می‌شوند، اما بعضی شواهد دیگر سناریوی ساده‌تر، یعنی وجود تنها یک سیاره گمشده، را محتمل‌تر می‌دانند. جالب اینکه شمار اندکی از شبیه‌سازی‌هایی که در آنها هم قمر‌های مشتری و هم قمر‌های اورانوس توانستند از آشوب آغازین جان سالم به در ببرند، با پنج غول شروع شده بودند.

نکته مهم پژوهش تازه این است که فقط مدار سیاره‌ها را بررسی نمی‌کند، بلکه قمر‌های مشتری و اورانوس را نیز وارد شبیه‌سازی‌ها می‌کند. قمر‌های منظم در نزدیکی سیاره مادر شکل گرفته‌اند و مدارهایشان می‌تواند ردپای آشوب‌های گرانشی گذشته را در خود حفظ کند. گذر یک سیاره غول‌پیکر از نزدیکی مشتری یا اورانوس می‌توانست مدار قمر‌های آنها را کشیده و منحرف کند، قمر‌ها را به برخورد با یکدیگر بکشاند یا حتی برخی از آنها را برای همیشه از مدارشان بیرون بیندازد.

سامانه قمری مشتری در برابر چنین آشوبی بسیار حساس است. آیو، اروپا و گانیمد در آرایشی دقیق به‌نام تشدید لاپلاس قرار دارند: تقریباً در مدتی که گانیمد یک بار به دور مشتری می‌چرخد، اروپا دو دور و آیو چهار دور کامل می‌زند. این هماهنگی طی فرایندی طولانی از برهم‌کنش‌های گرانشی و کشندی شکل گرفته یا حفظ شده است. اگر این قمر‌ها در آشوب آغازین با یکدیگر برخورد کرده و دوباره ساخته شده بودند، شکل‌گیری مجدد چنین نظمی بسیار دشوار بود. به‌همین‌دلیل، بقای قمر‌های مشتری آزمونی جدی برای سناریو‌های مختلف تاریخ منظومه شمسی است.

پژوهشگران ۱۲۲ سناریوی مختلف را شبیه‌سازی کردند. نتیجه نشان داد قمر‌های مشتری و اورانوس شانس کمی برای سالم‌ماندن داشتند و بقای هم‌زمان هر دو سامانه فقط حدود یک درصد بود. عبور یک غول یخی از فاصله‌ای نزدیک به سه میلیون کیلومتر از اورانوس نیز می‌توانست قمر‌های آن را تقریباً به‌طور کامل نابود کند.

محور چرخش اورانوس حدود ۹۸ درجه انحراف دارد؛ یعنی این سیاره درحالی به دور خورشید می‌چرخد که به پهلو افتاده است. علت این وضعیت هنوز با قطعیت مشخص نیست. یکی از شناخته‌شده‌ترین فرضیه‌ها می‌گوید در دوران جوانی منظومه شمسی، جرمی بزرگ، شاید پیش‌سیاره‌ای چند برابر زمین، با اورانوس برخورد کرده است. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند برخورد جرمی با دست‌کم دو برابر جرم زمین می‌تواند محور اورانوس را به‌شدت منحرف کند، بی‌آنکه لزوماً تمام جو آن از بین برود. البته توضیحات دیگری نیز مانند تشدید‌های چرخشی یا اثر قمر بزرگی که بعد‌ها از دست رفته است، مطرح شده‌اند.

بااین‌حال، این پژوهش ادعا نمی‌کند که یکی از سیاره‌های گمشده مستقیماً با اورانوس برخورد کرده است. کج‌شدن محور اورانوس و دوره بی‌ثباتی غول‌های منظومه، دو رویداد جداگانه هستند، هرچند هر دو احتمالاً در سال‌های نخست شکل‌گیری منظومه شمسی رخ داده‌اند. اگر این سناریو درست باشد، سامانه قمری اورانوس دست‌کم دو بار تا مرز فروپاشی پیش رفته است: یک‌بار در جریان رویدادی که سیاره را به پهلو خواباند و بار دیگر هنگامی که غول‌های سرگردان از نزدیکی آن عبور کردند.

در میان قمر‌های اورانوس، میراندا شاید مهم‌ترین شاهد این آشوب باستانی باشد. این قمر کوچک تنها حدود ۴۷۰ کیلومتر قطر دارد، اما سطحش مجموعه‌ای درهم‌ریخته از دره‌ها، شیارها، پرتگاه‌ها، دهانه‌های برخوردی و نواحی وصله‌مانندی است که کرونا نامیده می‌شوند. تصاویر وویجر ۲ نشان می‌دهند بعضی پرتگاه‌های میراندا چند برابر «گرند کنیون» (Grand Canyon) عمق دارند. دانشمندان سال‌هاست می‌کوشند منشأ این چهره عجیب و تکه‌تکه را توضیح دهند: آیا میراندا در برخوردی بزرگ، متلاشی و سپس دوباره سرهم شده است؟ آیا گرمایش کشندی، یخ و سنگ درون آن را جابه‌جا کرده است؟ یا چند رویداد متفاوت در دوره‌های مختلف، این چشم‌انداز پیچیده را ساخته‌اند؟

پژوهش تازه سناریوی دیگری پیشنهاد می‌کند. در شبیه‌سازی‌ها، عبور نزدیک سیاره‌های غول‌پیکر مدار قمر‌های اورانوس را بیضوی و ناپایدار می‌کرد و گاهی آنها را با سرعت زیاد به برخورد با یکدیگر می‌کشاند. این برخورد‌ها می‌توانستند بخشی از پوسته قمر‌ها را جدا کنند و بقایایی بر جای بگذارند که بعداً دوباره روی سطح آنها فرود می‌آمد.

چنین فرایندی شاید اندازه کوچک و ترکیب یخی میراندا را توضیح دهد. تنها حدود ۲۳ درصد از ساختار این قمر سنگی است، درحالی‌که این نسبت در برخی قمر‌های بزرگ‌تر اورانوس به حدود ۵۰ درصد می‌رسد. البته این توضیح هنوز فرضیه‌ای است که به شواهد بیشتری نیاز دارد.

شبیه‌سازی‌ها یک نتیجه جالب را نشان می‌دهند. اگر منظومه شمسی دو غول یخی اضافی داشته باشد، قمر‌های مشتری شانس بیشتری برای بقا دارند؛ چون این سیاره‌ها معمولاً کم‌جرم‌تر هستند و گذرشان آسیب کمتری وارد می‌کند. اما قمر‌های اورانوس در سناریویی با یک سیاره اضافی بهتر دوام می‌آورند، زیرا دوره آشوب کوتاه‌تر است و برخورد‌های گرانشی کمتری رخ می‌دهد. در مدل شش‌غولی، دو سیاره اضافی می‌توانستند بار‌ها از نزدیکی اورانوس عبور کنند و مدار قمرهایش را به هم بریزند.

در پایان این آشوب، یک یا دو سیاره اضافی بر اثر برهم‌کنش‌های گرانشی از منظومه بیرون رانده می‌شدند. مشتری، به‌دلیل جرم بسیار زیادش، احتمالاً نقش اصلی را در این پرتاب‌ها داشته است. یک گذر نزدیک می‌توانست سرعت سیاره کوچک‌تر را آن‌قدر افزایش دهد که از گرانش خورشید رها شود. چنین سیاره‌ای امروز احتمالاً به جهانی سرد و تاریک تبدیل شده که در فضای میان‌ستاره‌ای سرگردان است. پیدا کردن آن بسیار دشوار خواهد بود، زیرا از خود نوری تولید نمی‌کند و هیچ نشانی از مسیر یا موقعیت کنونی‌اش نداریم.

بنابراین، این مطالعه مدرک قطعی برای وجود دو سیاره گمشده نیست، بلکه نشان می‌دهد برخی سناریو‌ها از بقیه محتمل‌ترند. نکته مهم این است که قمر‌ها می‌توانند بخشی از تاریخ پنهان سیاره‌ها را حفظ کرده باشند؛ تاریخی که شاید خود سیاره‌ها دیگر نشانی از آن نشان ندهند. یک مأموریت دقیق به اورانوس می‌تواند بسیاری از این فرضیه‌ها را آزمایش کند.

منظومه شمسی امروز آرام به نظر می‌رسد، اما این آرامش احتمالاً پس از دوره‌ای طولانی از آشوب شکل گرفته است. شاید زمانی یک یا دو غول یخی دیگر نیز وجود داشته‌اند و بعد در نبردی گرانشی از منظومه بیرون رانده شده‌اند. پاسخ قطعی هنوز روشن نیست، اما ردپای آن آشوب شاید همچنان بر سطح میراندا و در مدار دقیق قمر‌های مشتری باقی مانده باشد.