جونو چه چیزهایی فاش کرد؟
زهرا وجدانی: مشتری بزرگترین سیاره منظومهٔ شمسی همواره معمایی جدی در دل خود دارد: هستهای که مرز روشنی با محیط اطراف ندارد. دادههای فضاپیمای جونو نشان دادهاند که درونیات مشتری به آن صورتی نیست که تا پیشازاین تصور میشد نه هستهای کاملا سنگی یا یخی و نه هستهای با جدایی واقعی از گازها بلکه ساختاری فشرده مخلوط، تدریجی، یعنی چیزی به نام هستهی رقیق (dilute core) وجود دارد؛ منطقهای که در آن مواد سنگی و یخی به تدریج به لایههای غلیظتر هیدروژن و هلیوم میپیوندند و مرز مشخصی دیده نمیشود.
یکی از فرضیاتی که تا کنون مطرح بوده این است که یک برخورد عظیم در مراحل اولیه شکلگیری سیاره باعث اختلاط شدید مواد درون مشتری شده باشد و بدینگونه هستهی آن بشود رقیق اما اخیرا پژوهشی منتشر شده است که این فرضیه را به چالش میکشد و نشان میدهد که چنین برخوردی به تنهایی نمیتواند ساختار رقیق پایدار را تولید کند.
فرضیهای که دشوار است
پژوهشگران از دانشگاه دورهام در بریتانیا با همکاری دانشمندان ناسا، SETI و دانشگاه اسلو و موسسه CENSSS، به کمک رایانههای بسیار قدرتمند به مدلسازی برخوردهای عظیم بر روی مشتری پرداختند تا ببینند آیا چنین برخوردی میتواند ساختار رقیق هسته را ایجاد کند یا نه.
در این شبیهسازیها با استفاده از نرمافزار منبع باز SWIFT و با بهکارگیری روش جدیدی به نام REMIX SPH برای بهبود دقیقتر مدلسازی اختلاط مواد مختلف (سنگ، یخ، هیدروژن، هلیوم) تلاش شد تا نتایج بسیار واقعگرایانهتر بدست آید.
هسته رقیق در اثر ضربه ثابت نمیماند
نتیجه این مطالعات این بود که در هیچیک از شبیهسازیهای انجامشده حتی در برخوردهایی با شرایط بسیار شدید هستهای رقیق و پایدار به شکلی که دادههای جونو نشان میدهند ایجاد نشد.
به طور مشخص مواد سنگی و یخی که بر اثر برخورد به داخل مشتری جابهجا شدهاند، پس از مدت کوتاهی دوباره تهنشین میشوند و مرز نسبتاً واضحی بین هسته سنگی/یخی و لایههای غلیظ هیدروژن و هلیوم به وجود میآید. یعنی برخلاف تصور اولیه برخورد عظیم نمیتواند کیفیت و ساختار رقیق و مخلوط طولانیمدت را حفظ کند.
فرضیهای که قوت میگیرد
با کنار رفتن فرضیه برخورد عظیم به عنوان عامل کلیدی ایجاد هسته رقیق، توجه دانشمندان به مکانیسمهای تدریجی جمعآوری مواد برای مشتری افزایش یافته است. این فرضیه میگوید که در زمان شکلگیری، مشتری به تدریج سنگ و یخ را همراه با گازهای سبکتر جذب کرده و ساختار درونی آن با گذشت زمان بر اثر فرآیندهای انتقال حرارت، همرفت، و اختلاط جزئی، به شکلی نرمتر و تدریجیتر ایجاد شده است.
همچنین مشاهدههایی وجود دارد که سیارهٔ زحل هم دارای ساختار مشابهی است؛ به عبارت دیگر هستهٔ رقیق احتمالا مختص مشتری نیست. این موضوع نشان میدهد که این ویژگی ممکن است یک حالت طبیعی در روند شکلگیری سیارات بزرگ باشد، نه حادثهای نادر.
شبیهسازیهای دقیقتر از همیشه
یکی دیگر از نکات مهم این مطالعه بهبود روشهای محاسباتی است. استفاده از SWIFT/REMIX SPH با وضوح زیاد و ظرفیت فوقالعاده ابرترد DiRAC COSMA در دانشگاه دورهام امکان بررسی دقیق اجزای مختلف برخورد مانند زاویه، سرعت، ساختار پیش از برخورد مشتری و معادلات حالت مواد مختلف را فراهم کرده است.
این ابزارها نشان میدهند که اگرچه برخورد عظیم تأثیری دارد مثلا ممکن است هسته را تا حدی به هم بریزد و اختلاط موقتی ایجاد کند اما آن اختلاط موقت نمیتواند ساختار رقیق مورد مشاهده را برای بازهٔ زمانی طولانی حفظ کند.
پژوهشهای جدید نشان میدهد که فرضیهای که مدتها محبوب بوده برخورد عظیم یک سیاره یا شبهسیاره به مشتری در آغاز تاریخ آن برای توضیح کامل ساختار هسته رقیق مشتری کافی نیست. دادهها و شبیهسازیها نمیتوانند یک هسته رقیق پایدار را پس از چنین برخوردی ایجاد کنند؛ مواد سنگی و یخی پس از شوک اولیه دوباره تهنشین میشوند و مرز واضحی بین بخش سنگی/یخی و گازی برقرار میگردد.
به جای آن به نظر میرسد که هسته رقیق مشتری محصول روندی تدریجی است: جذب تدریجی مواد سنگی و یخی به همراه گازها در طول شکلگیری سیاره، همرفت، اختلاط جزئی، انتقال حرارت و احتمالاً فرآیندهای دیگر درونی که ساختار داخلی را به آرامی نسبت به آنچه قبلا تصور میشد نرمتر و با مرزهای محوتر شکل دادهاند.
این دیدگاه جدید تاثیرات مهمی دارد:
• در مدلهای شکلگیری سیارهها و اخترفیزیک سیارات غولپیکر لازم است فرضیات درباره برخوردهای عظیم تجدید شود.
• برای سیارات بزرگی از نوع مشتری و زحل در منظومههای دیگر (exoplanets) که در سالهای اخیر زیاد کشف شدهاند ممکن است ساختار داخلی پیچیدهتری داشته باشند نه صرفا هستهٔ سنگی محصور در هیدروژن و هلیوم.
• دادههای ماموریتهایی مانند جونو ابزاری بسیار مهماند؛ اما برای درک کامل، ترکیب دادههای مشاهداتی با مدلهای تکامل سیارهای و شبیهسازیهای پیشرفته ضروری است.
دههها این فرضیه غالب بود که یک برخورد کیهانی عظیم در آغاز تاریخ این غول گازی، هسته آن را شکسته و به شکل رقیق درآورده است. اما مدلهای عددی جدید نشان میدهند که چنین برخوردی نه تنها نمیتواند ساختاری به پایداری و گستردگی هسته رقیق کنونی ایجاد کند بلکه مواد سنگی و یخیِ جابهجا شده در اثر ضربه خیلی سریع دوباره تهنشین شده و مرز مشخصی میان هسته و لایههای بیرونی شکل میگیرد.
از این رو اکنون فرضیه دیگری قوت گرفته است: هسته رقیق مشتری محصول یک روند طبیعی و طولانیمدت در طول رشد سیاره است. مشتری در طی میلیونها سال نخست شکلگیری همزمان با بلعیدن مقادیر عظیم گاز هیدروژن و هلیوم، مقادیر قابلتوجهی مواد سنگی و یخی را نیز به درون خود کشیده است. این ترکیب همزمان همراه با فرایندهای گرمایی و همرفتی داخلی، باعث شده مرز میان هسته و پوشش گازی محو شود و یک ساختار تدریجی و پیچیده پدید آید؛ چیزی که جونو امروز آن را آشکار کرده است.
پیامدهای این دیدگاه بسیار گسترده است. نخست این که مدلهای سنتی شکلگیری سیارات غولپیکر باید بازنگری شوند و سهم برخوردهای عظیم در ایجاد ساختار درونی این سیارات کاهش یابد. دوم این که مشاهده هستههای رقیق در زحل و احتمالا در بسیاری از سیارات فراخورشیدی نشان میدهد این پدیده نه یک استثنا بلکه یک قاعده طبیعی در تحول غولهای گازی است؛ و سوم پیشرفتهای نرمافزاری و سختافزاری در شبیهسازیهای کیهانی (همچون SWIFT و ابررایانه COSMA) امکان میدهد تا نظریههای قدیمی با دقت بیسابقه آزموده شوند.
به بیان دیگر مشتری نه حاصل یک تصادف کیهانی منفرد بلکه محصول فرآیندی آهسته، پیچیده و تدریجی است؛ فرآیندی که شناخت آن ما را به فهم بهتر منشا و تنوع سیارات در سراسر کیهان نزدیکتر میکند.
انتهای پیام/
