10 دقیقه
هسته عظیم عطارد: معمایی دیرپا
عطارد یکی از پارادوکس‌ها و معماهای پایدار منظومهٔ خورشیدی را پیش روی دانشمندان می‌گذارد: هسته‌ای به‌طور نامتناسب بزرگ در برابر پوشش سیلیکاتی و پوستهٔ سیاره. مشاهدات رادیویی زمینی در دههٔ 1960 و 1970 برای نخستین‌بار نشان دادند که عطارد چگالی کلی بالایی دارد، و مأموریت‌های گذر و مداری بعدی — به‌ویژه مارینر 10 در 1975 و مدارگرد MESSENGER ناسا (2011–2015) — تأیید کردند که هستهٔ غنی از آهن عطارد بخش غیرمعمولی بزرگی از جرم سیاره را تشکیل میدهد. در حالی که هستهٔ زمین حدود 30٪ جرم سیاره را شامل می‌شود و مریخ حدود 25٪، هستهٔ عطارد تقریباً 70٪ از جرم کل را تشکیل میدهد، و نسبت فلز به سیلیکات در آن به‌گونه‌ای است که با مدل‌های استاندارد رشد سیارات دشوار است قابل توضیح باشد.
ناحیه‌های برجستهٔ تنوع شیمیایی در عطارد، نگاشت‌شده توسط ابزار XRS روی مدارگرد MESSENGER
برای دهه‌ها پژوهشگران پیشنهاد داده‌اند که یک برخورد عظیم فاجعه‌بار بخش زیادی از مانتـل اولیهٔ عطارد را جدا کرده و تنها یک پوشش سیلیکاتی نازک را بر فراز یک بُنـیاد فلزی برجای گذاشته است. اما مدل‌های کلاسیک برخورد عظیم معمولاً نیازمند برخورد بین اجسامی با جرم بسیار متفاوت‌اند — یعنی پروتو-عطاردی که توسط یک جسم بسیار کوچکتر ضربه می‌خورد — و شبیهسازیهای دقیق N-بادی نشان میدهند که چنین تصادم‌های به‌شدت نامتقارن در اوایل منظومهٔ خورشیدی از نظر آماری نادر بوده‌اند. به عبارت دیگر، تبیین هستهٔ بزرگ عطارد صرفاً با یک رویداد فوق‌العاده نادر ناسازگاری‌هایی به همراه داشت.
یک فرضیهٔ جدید: برخوردهای ساینده بین اجرام هم‌جرم
در مطالعه‌ای که در 2025 در Nature Astronomy منتشر شد (Franco و همکاران)، یک جایگزین مطرح شده است که هم جنبهٔ فیزیکی و هم احتمال آماری رویداد را در نظر می‌گیرد. با بهره‌گیری از شبیهسازیهای با وضوح بالا مبتنی بر هیدرودینامیک ذرات نرمشده (SPH)، تیم تحقیقاتی نشان میدهد که برخوردی کمسرعت و ساینده بین دو پروتو-سیاره با جرمهای مشابه میتواند با دقت قابل‌توجهی جرم کنونی عطارد و نسبت بالای فلز به سیلیکات آن را بازتولید کند — مدل‌های آنها خواص عطارد را تا حدود 5٪ بازتولید میکنند.
مدل برخورد ساینده از سناریوهای کلاسیک "ضربه و جداشدن" در یک جنبهٔ کلیدی متفاوت است: نیازی نیست که ضربه‌زننده بسیار کوچکتر از پروتو-عطارد باشد. در عوض، دو جنین سیاره‌ای با جرمهای نزدیک به هم — که هر کدام در دوران شکل‌گیری شلوغ و آشفتهٔ داخلی منظومهٔ خورشیدی تکامل می‌یافتند — میتوانند در برخوردی با زاویهٔ کم و سطح تماس جزئی، مادهٔ مانتـل سیلیکاتی را برانند و هستهٔ فلزی متراکم را تا حدّ زیادی حفظ کنند. از آنجا که برخوردها بین اجسام هم‌جرم در مرحلهٔ تجمع اولیهٔ سیارات داخلی بسیار متداول‌تر بودند، این مکانیزم از نظر دینامیکی و آماری معقول‌تر به نظر می‌رسد.
چگونه شبیه‌سازی‌ها کار میکنند و چه چیزی نشان میدهند
هیدرودینامیک ذرات نرمشده (Smoothed Particle Hydrodynamics یا SPH) یک روش عددی تثبیت‌شده برای مدل‌سازی رفتار سیالات و مواد جامد هنگام تعاملات پُرانرژی مانند برخوردهای سیاره‌ای است. در SPH هر جسم به هزاران تا میلیون‌ها "ذره" جداگانه تقسیم می‌شود که ویژگی‌های ترمودینامیکی و ماده‌ای به آنها اختصاص داده شده؛ سپس مسیرها و تعاملات این ذرات عددی انتگرال‌گیری می‌شود تا انتشار موج شوک، ذوب شدن، تبخیر و بازجمع جاذبه‌ای دنبال شود. این روش توانایی دنبال کردن ترکیب مواد، دما، فشار و توزیع سرعت در مقیاس‌های زمانی و مکانی پیچیده را داراست.
این تصاویر صفحهٔ شبیه‌سازی‌ها نشان میدهد رویداد برخورد چگونه پیش رفته است. نویسندگان توضیح میدهند: "پروتو-عطارد (0.13 M⊕) با مانتلی صورتی و هسته‌ای فیروزه‌ای نمایش داده شده است. هدف با مانتلی قرمز و هسته‌ای زرد نشان داده شده است." سرعت برخورد نسبتاً پایین و زاویهٔ برخورد 32.5 درجه انتخاب شده است. پانل‌های (b) و (c) فرآیند برخورد و پرتاب مواد را نشان میدهند. پانل (d) نامزد عطارد را با جرم 0.056 جرمهای زمینی نشان میدهد که بسیار نزدیک به مقدار مشاهده‌شدهٔ 0.055 است. (Franco و همکاران، NatAstr., 2025)
فرانکو و همکاران ده‌ها آزمایش SPH را با تغییر زاویهٔ برخورد، سرعت نسبی و ترکیب اولیه اجرا کردند. پیکربندی مورد علاقهٔ آنها شامل برخوردی ساینده با زاویهٔ حدود 30–35 درجه و سرعت نسبی نسبتاً پایین بود. چنین برخوردی میتواند تا حدود ~60٪ از مانتـل یک پروتو-سیاره را از آن جدا کند و در نتیجه کسری فلزی باقیمانده را افزایش دهد بدون اینکه هستهٔ آهنی بطور کامل تخریب شود. نکتهٔ حیاتی این است که شبیه‌سازی‌ها سناریوهایی را نشان میدهند که در آنها بخش قابل‌توجهی از آوار مانتـل سرعتی می‌گیرد که باعث فرار از گرانش بازمانده می‌شود و بنابراین مجدداً روی نجات‌یافته ته‌نشین نمی‌شود، موضوعی که اجازه میدهد عدم تعادل فلز به سیلیکات پایدار بماند.
آثار مانتـل از دست‌رفته کجا رفت؟
یکی از چالش‌های اساسی برای هر مدل کم‌کردن جرم این است که توضیح دهد چرا مادهٔ جداشدهٔ مانتـل دوباره روی سیارهٔ بازمانده برنگشته است. مطالعهٔ جدید استدلال میکند که چند مکانیزم در منظومهٔ خورشیدی اولیه می‌توانسته مانع بازیابی مؤثر این آوار شود. این مکانیزم‌ها شامل پراکندگی گرانشی توسط سیارک‌ها و جنین‌های نزدیک، تعاملات دینامیکی با سیارات در حال شکل‌گیری مجاور، و انتقال آوار به مدارهای همسایه هستند. در برخی نتایج مدل‌شده، بخشی از مواد سیلیکاتی پرتاب‌شده به اجسام نزدیک وارد می‌شوند — ونوس تحت شرایط مداری مشخص میتواند گیرندهٔ محتملی باشد، گرچه مسیر دقیق آن نیازمند شبیهسازیهای بیشتر و آزمون‌های ژئوشیمیایی است.
زمینهٔ علمی و پیامدها برای شکل‌گیری سیارات
اگر عطارد نتیجهٔ برخورد ساینده بین جنین‌های هم‌جرم باشد، این رویداد پیامدهای گسترده‌ای برای مدل‌های شکل‌گیری سیارات داخلی دارد. این فرضیه تأکید میکند بر تصویری از منظومهٔ خورشیدی داخلی اولیه به‌عنوان محیطی دینامیکی و پرخشونت که در آن پروتو-سیارات از طریق برخوردهای مکرر نزدیک، برخوردهای ناقص و ادغام‌های متنوع تکامل یافتند، نه صرفاً از طریق دنباله‌ای از برخوردهای شدید و بسیار نامتقارن. چنین دیدگاهی تغییراتی در نحوهٔ برآورد نرخ برخوردها، توزیع انرژی و انتقال مواد در مراحل اولیهٔ رشد سیاره‌ای ایجاد میکند.
این مطالعه همچنین بر هم‌نفوذ تکامل دینامیکی و امضای ژئوشیمیایی تأکید میکند: ترکیب کلی یک سیاره میتواند به‌شدت تحت تأثیر یک رویداد تصادفی قرار گیرد، اما آن رویداد باید با توزیع آماری برخوردها که توسط مدل‌های N-بادی پیش‌بینی می‌شود نیز سازگار باشد. فرانکو و همکاران هر دو شرط را مورد توجه قرار داده‌اند و نشان داده‌اند که سناریوی برخورد ساینده نه‌تنها از نظر زمین‌فیزیکی قابل‌قبول است، بلکه از نظر دینامیکی نیز احتمال وقوع بیشتری نسبت به برخوردهای بسیار نامتقارن دارد. این نتیجه تأثیرات عمیقی بر نحوهٔ تفسیر ترکیب‌های سیاره‌ای دارد و نشان میدهد که برخی از ویژگی‌های غیرمعمول سیارات ممکن است محصول تعاملات شانس‌آمیز اما قابل‌پیش‌بینی در مراحل اولیۀ تجمع باشند.
دادههای مأموریت و آزمایش‌های آینده
مأموریتهایی مانند MESSENGER محدودیت‌های ژئوفیزیکی و ترکیبی فراهم کردند که عطارد را به یک مورد‌مطالعهٔ جذاب تبدیل ساخت. در چشم‌انداز پیش رو، مأموریت مشترک ESA/JAXA به نام بپیکولومبو — که در 2026 به عطارد خواهد رسید — بیش از 20 ابزار علمی را با خود حمل میکند که برای بهبود اندازه‌گیری‌های ساختار درونی سیاره، میدان مغناطیسی و ترکیب سطح طراحی شده‌اند. دادههای گرانشی و مغناطیسی با دقت بالا ممکن است اندازه و حالت هسته (هستهٔ داخلی جامد در برابر هستهٔ بیرونی مایع) را بهتر محدود کنند و برآوردهای دقیق‌تری از چگالی کلی و ممان اینرسی ارائه دهند؛ مقادیری که نقش مستقیم در برآورد نسبت فلز به سیلیکات دارند.
آزمایش‌های ژئوشیمیایی میتوانند بیش از پیش مدل‌های برخورد ساینده را تأیید یا رد کنند. الگوهای دقیق فراوانی عناصر مقاوم در برابر تبخیر و فرّار، نسبتهای ایزوتوپی درِ سنگ‌های شبیه عطارد (در صورت شناسایی شهابسنگهای مرتبط)، و در بهترین سناریو در آینده، نمونه‌های بازگردانده‌شده از عطارد، میتوانند اثر انگشت‌های ترکیبی مستقیم هر گونه جداشدن گستردهٔ مانتـل را ارائه دهند. به طور مشخص، ناهماهنگی در فراوانی عناصر فرّار نسبت به عناصر مقاوم و نسبتهای ایزوتوپی عناصر سنگین میتواند شاهدی بر منشا و مسیرهای تبادل آوار در منظومهٔ اولیه باشد.
دیدگاه یک کارشناس
دکتر لنا اورتیز، دانشمند سیاره‌ای در مؤسسهٔ فیزیک سیاره‌ای، چنین اظهار نظر میکند: "مدل برخورد دوقلوی ساینده بهصورت زیبا دو محدودیت سخت را کنار هم قرار میدهد: ترکیب فلز-غنی بسیار افراطی عطارد و نادر بودن آماری برخوردهای بسیار نامتقارن. این رویکرد روایت را از یک رویداد فوق‌العاده استثنایی به پیامدی نسبتاً طبیعی از دینامیک شکل‌گیری سیارات نزدیک می‌برد. گام بعدی ترکیب دادههای ژئوشیمیای دقیق با مدل‌های دینامیکی پیشرفته است تا ببینیم آیا مسیرهای آوار پیش‌بینی‌شده با مخازن منطقی مانند ونوس یا جمعیت‌های درونی سیارک‌ها همخوانی دارد یا خیر."
نتیجه‌گیری
هستهٔ بزرگ عطارد دیگر نیازی به ارجاع دادن به نوع بسیار نادری از برخورد ندارد. شبیهسازیهای SPH با وضوح بالا نشان میدهند که برخوردی ساینده بین پروتو-سیارات با اندازه‌های مشابه میتواند مادهٔ مانتـل را به‌طور کارآمد جدا کند و در عین حال یک هستهٔ آهنی متراکم را تا حد زیادی سالم نگه دارد. این سناریو هم از نظر دینامیکی در منظومهٔ خورشیدی داخلی شلوغ اوایل قابل‌پذیرش است و هم قادر به بازتولید نسبت فلز به سیلیکات عطارد با دقت چند درصد است. مشاهدات در جریان و آینده — به‌ویژه از سوی بپیکولومبو — همراه با تحلیل‌های ژئوشیمیایی دقیق، برای آزمون این فرضیه و تصحیح فهم ما از چگونگی به‌دست‌آوردن ساختار درونی سیارات سنگی ضروری خواهند بود. در نهایت، ترکیب دادههای مشاهداتی، مدل‌های عددی با دقت بالا و شواهد ژئوشیمیایی میتواند تصویری یکپارچه‌تر از تاریخچهٔ ناپایدار و آشفتهٔ تولد سیارات ارائه دهد.
منبع: sciencealert
نظرات