سیارات درونی چطور در منظومه شمسی شکل گرفتند؟

«سیارات درونی» کوچک و صخره‌ای هستند و به طور کامل فاقد حلقه هستند اما «سیارات بیرونی» بسیار بزرگ، یخی و گازی هستند و حلقه‌ها و قمرهای زیادی دارند. حال سوال اینجاست که چه چیزی می‌تواند باعث چنین ناسازگاری‌های عجیب و غریبی شود؟ چرا سیارات درونی و بیرونی منظومه شمسی ما تا این اندازه متفاوت هستند؟

دانشمندان به خاطر وجود مدل‌ها و شبیه‌سازی‌ها مطمئن هستند که ما اکنون حداقل به اصل چگونگی شکل‌گیری سیارات خود پی خواهیم برد. ما حتی ممکن است بتوانیم آنچه را که در مورد منظومه شمسی خود می‌آموزیم، در مطالعه شکل‌گیری سیارات فراخورشیدی به کار ببریم. این امر می‌تواند ما را به درک بیشتر در مورد سیاراتی که احتمال حیات در آنها وجود دارد، هدایت کند. هنگامی که نحوه شکل‌گیری سیارات منظومه شمسی خود را درک کنیم، می‌توانیم یک گام به کشف حیات در سیارات دیگر نزدیک شویم.

ما برخی از عواملی را که در شکل‌گیری سیاره‌ها نقش دارند، درک می‌کنیم و به نظر می‌رسد که آنها یک تصویر کامل را ایجاد می‌کنند. منظومه شمسی ما به صورت ابری بزرگ از گاز و غبار به نام «ابر مولکولی»(Molecular cloud) آغاز شد. این ابر احتمالا در نتیجه انفجار یک ابرنواختر نزدیک در کهکشان شکل گرفت، دچار فروپاشی گرانشی شد و یک حرکت چرخشی کلی را پدید آورد. در نتیجه این حرکت، ابر شروع به چرخش کرد. بیشتر مواد در اثر گرانش، در مرکز ابر متمرکز شدند که چرخش را سرعت بخشید و تشکیل دادن خورشید اولیه ما را آغاز کرد. در همین حال، بقیه مواد به چرخش پیرامون آن در قرصی به نام «سحابی خورشیدی»(solar nebula) ادامه دادند.

شکل‌گیری منظومه‌های سیاره‌ای

درون سحابی خورشیدی، روند آهسته برافزایش آغاز شد. این روند برای نخستین بار توسط نیروهای الکترواستاتیکی هدایت می‌شد که قطعات ریز ماده را به یکدیگر متصل می‌کرد. در نهایت، آنها به اجرامی تبدیل شدند که جرم کافی را برای جذب گرانشی یکدیگر داشتند و این زمانی بود که ماجرا آغاز شد.

هنگامی که نیروهای الکترواستاتیک به حرکت درآمدند، ذرات در یک جهت و با سرعت تقریبا یکسان حرکت می‌کردند. مدار آنها حتی زمانی که به آرامی به سمت یکدیگر کشیده می‌شدند، بسیار پایدار بود. همان طور که آنها ساخته می‌شدند و گرانش به یک شرکت‌کننده قوی‌تر تبدیل می‌شد، همه چیز شکل آشفته‌تری پیدا کرد. اجرام به یکدیگر کوبیده شدند و مدار آنها تغییر یافت و آنها را در معرض برخوردهای بیشتر قرار داد.

این اجرام برای ساختن قطعات بزرگتر، با یکدیگر برخورد می‌کردند و در تمام مدت جرم بزرگتری را به وجود می‌آوردند؛ البته گاهی اوقات برخوردها به جای برافزایش، منجر به تکه‌تکه شدن آنها می‌شد. این مواد به انباشته شدن ادامه دادند تا سیاره‌های کوچک یا اجرام پیش‌سیاره‌ای را تشکیل دهند. آنها در نهایت جرم کافی را به دست آوردند تا مدار خود را از بیشتر بقایای به‌جامانده پاک کنند.

ماده نزدیک‌تر به خورشید اولیه که گرم‌تر بود، عمدتا از فلز و سنگ به ویژه سیلیکات‌ها تشکیل شده بود؛ در حالی که ماده دورتر از خورشید، از مقداری سنگ و فلز اما عمدتا از یخ تشکیل شده بود. فلز و سنگ توانستند هم در نزدیکی خورشید و هم دور از آن تشکیل شوند اما بدیهی است که یخ نتوانست خیلی نزدیک به خورشید وجود داشته باشد زیرا در اثر گرما تبخیر می‌شود.

فلز و سنگی که در نزدیکی خورشید در حال شکل‌گیری وجود داشتند، برای تشکیل سیارات درونی ایجاد شدند. یخ و سایر مواد یافت‌شده در فواصل دورتر، برای تشکیل سیارات بیرونی جمع شدند. این موضوع، بخشی از تفاوت‌های ترکیبی بین سیارات درونی و بیرونی را توضیح می‌دهد اما برخی از تفاوت‌ها هنوز بدون توضیح باقی می‌مانند. چرا سیارات بیرونی این قدر بزرگ و گازی هستند؟

برای درک این موضوع، باید در مورد «خط یخبندان»(Frost line) منظومه شمسی خود صحبت کنیم. خط یخبندان، یک خط خیالی است که منظومه شمسی را به دو قسمت تقسیم می‌کند. نخستین قسمت آن قدر گرم است که می‌تواند مواد فرار مایع مانند آب را در خود جای دهد و دومین قسمت آن قدر سرد است که آنها بتوانند یخ بزنند. این نقطه که دور از خورشید است و مواد فرار آن نمی‌توانند در حالت مایع خود باقی بمانند، می‌تواند به عنوان خط جداکننده بین سیارات درونی و بیرونی در نظر گرفته شود. سیارات فراتر از خط یخبندان کاملا قادر به نگهداری سنگ و فلز بودند اما می‌توانستند یخ را نیز حفظ کنند.

تاثیر خورشید

خورشید نهایتا مواد مورد نیاز را جمع کرد و به دمای کافی رسید تا فرآیند همجوشی هسته‌ای را آغاز کند و اتم‌های هیدروژن را به هلیوم تبدیل کند. آغاز این فرآیند باعث بیرون راندن تندبادهای شدید خورشیدی شد که سیارات درونی را از مواد فرار جو خالی کرد. این باد خورشیدی هنوز هم از خورشید به بیرون جریان دارد اما شدت آن کمتر است و میدان مغناطیسی زمین به عنوان یک سپر در برابر آن عمل می‌کند. سیارات دورتر از خورشید، تحت تأثیر شدید قرار نگرفتند. با وجود این، آنها در واقع قادر به جذب گرانشی برخی از مواد منتشر شده از خورشید بودند.

چرا سیارات بیرونی بزرگتر بودند؟ ماده در منظومه شمسی بیرونی از سنگ و فلز تشکیل شده است؛ درست مانند آنچه در نزدیکی خورشید بود اما مقادیر زیادی یخ را نیز در بر داشت که نمی‌توانست در منظومه شمسی داخلی متراکم شود زیرا آنجا بیش از اندازه گرم بود. سحابی خورشیدی که منظومه شمسی ما از آن تشکیل شده است، حاوی عناصر سبکتر بسیار بیشتری نسبت به سنگ و فلز است. بنابراین، وجود این مواد در منظومه شمسی بیرونی تفاوت زیادی را ایجاد کرد. این موضوع، دلیل محتوای گازی و اندازه بزرگ آنها را توضیح می‌دهد. آنها پیش از این بزرگتر از سیارات درونی بودند زیرا یخ در نزدیکی خورشید وجود نداشت. زمانی که خورشید جوان آن بادهای شدید خورشیدی را تجربه می‌کرد، سیارات بیرونی به اندازه‌ای بزرگ بودند که مقدار زیادی از آن مواد را به صورت گرانشی جذب می‌کردند. همچنین، آنها در منطقه سردتری از منظومه شمسی قرار داشتند و به همین دلیل می‌توانستند مواد را راحت‌تر حفظ کنند.

سیارات درونی

سیارات درونی که «سیارات زمینی»(Terrestrial planets) نیز نامیده می‌شوند، سیاراتی شبیه به زمین هستند که از سنگ یا فلز با سطح سخت تشکیل شده‌اند. همچنین، سیارات زمینی دارای هسته‌ای از جنس فلز سنگین مذاب، قمرهای کم و ویژگی‌های توپولوژیکی مانند دره‌ها، آتشفشان‌ها و دهانه‌ها هستند.

در منظومه شمسی ما، چهار سیاره زمینی وجود دارند که همه آنها نزدیک به خورشید قرار گرفته‌اند. این چهار سیاره، عطارد، زهره، زمین و مریخ هستند. در طول شکل‌گیری منظومه شمسی، احتمالا سیارات زمینی بیشتری وجود داشته‌اند اما یا با یکدیگر ادغام شده‌اند یا از بین رفته‌اند.

تعریف «اتحادیه بین‌المللی نجوم»(IAU) در مورد سیاره، بحث‌برانگیز است. اتحادیه بین‌المللی نجوم، سیاره را به عنوان یک جرم آسمانی تعریف می‌کند که در مداری به دور خورشید می‌چرخد، شکلی تقریبا گرد دارد و عمدتا منطقه مداری خود را از زباله‌ها پاک کرده است. دانشمندان در مورد سومین مورد اختلاف نظر دارند. برخی می‌گویند که تعیین کردن میزان پاکسازی یک سیاره دشوار است؛ در حالی که دیگران می‌گویند سیاره‌ای مانند پلوتون کمتر از سیاره‌ای مانند زمین پاک می‌شود. این بدان معناست که برخی از ستاره‌شناسان استدلال می‌کنند که سیاره کوتوله پلوتون باید همراه با سایر سیارات کوتوله که در سراسر منظومه شمسی پراکنده شده‌اند، به عنوان یک سیاره طبقه‌بندی شود.

عطارد

عطارد کوچکترین سیاره زمینی منظومه شمسی است که اندازه آن به حدود یک سوم زمین می‌رسد. این سیاره، جو نازکی دارد که باعث می‌شود دمای آن در نوسان باشد. همچنین، عطارد سیاره‌ای متراکم به شمار می‌رود که بیشتر از آهن و نیکل تشکیل شده است.

میدان مغناطیسی عطارد تنها حدود یک درصد میدان مغناطیسی زمین است و این سیاره هیچ قمر شناخته‌شده‌ای ندارد. سطح عطارد، دهانه‌های عمیق بسیاری را در خود جای داده و توسط یک لایه نازک از ذرات ریز سیلیکات پوشیده شده است.

دانشمندان در سال ۲۰۱۲، شواهد گسترده‌ای را در مورد وجود مواد آلی سازنده حیات و همچنین یخ آب در دهانه‌های زیر سایه خورشید پیدا کردند. جو نازک عطارد و نزدیکی آن به خورشید به این معناست که غیرممکن است این سیاره میزبان حیات به آن گونه‌ای باشد که ما می‌شناسیم.

پژوهش‌های بیشتری مورد نیاز است

اگرچه مطمئنا شکاف‌هایی در دانش ما وجود دارند اما ما توضیح بسیار خوبی برای بسیاری از اختلافات بین سیارات درونی و بیرونی داریم. تفاوت‌ها در درجه نخست به مکان باز می‌گردند. سیارات بیرونی، فراتر از خط یخبندان قرار دارند؛ بنابراین می‌توانند در حین شکل‌گیری، مواد فرار و همچنین سنگ و فلز را در خود جای دهند. این افزایش انبوه باعث بسیاری از نابرابری‌های دیگر می‌شود.

مشاهداتی که در مورد سیارات فراخورشیدی انجام شده‌اند، ما را به این پرسش سوق می‌دهند که آیا درک کنونی ما واقعا کافی است یا خیر. فرضیات زیادی در توضیحات کنونی ما وجود دارند که کاملا مبتنی بر شواهد نیستند. درک ما ناقص است و هیچ راهی برای سنجش میزان تأثیر کمبود دانش ما در این موضوع وجود ندارد. شاید ما باید بیشتر از چیزی که تصور می‌کنیم، یاد بگیریم. هنگامی که بفهمیم منظومه شمسی و سیاره خودمان چگونه شکل گرفته‌اند، یک گام به درک چگونگی شکل‌گیری سایر منظومه‌های خورشیدی و سیارات فراخورشیدی نزدیک‌تر خواهیم شد. شاید یک روز، بتوانیم به طور دقیق پیش‌بینی کنیم که زندگی در کدام سیارات وجود دارد.

انتهای پیام/