10 دقیقه
چرا دانشمندان هنوز دربارهٔ اینکه کدام سیارات ابتدا در منظومهٔ شمسی پدید آمدند اختلاف نظر دارند؟ بیش از چهار دهه تحلیل شهابسنگها، نمونههای بازگشتی از ماه و مأموریتهای رباتیک دید ما را شفاف‌تر کردهاند — اما ترتیب زمانی شکلگیری سیارات از قرص پیشسیارهای هنوز یک پرسش فعال در پژوهش است. در این مقاله یک بررسی روشن از نظریه‌های رقیب، ابزارهای مورد استفاده محققان برای تعیین سن اجرام و مأموریتهای آینده‌ای که ممکن است سرانجام جدول زمانی را مشخص کنند ارائه شده است.
چگونه سیارات متولد می‌شوند: دانه‌دانه یا فروپاشی ناگهانی؟
تصویر غالب از تشکیل سیارات مدل کلاسیک تجمع (accretion) است. دانه‌های ریز گرد و غبار و یخ با هم برخورد میکنند و به یکدیگر می‌چسبند، تبدیل به گره‌ها و سپس به سنگ‌ریزها (pebbles)، بعد به کره‌ریزها (planetesimals) و طی میلیون‌ها سال به سیارات کامل می‌شوند. این فرایند آهسته و از پایین به بالا به‌طور طبیعی ساختار لایه‌ای منظومهٔ شمسی را توضیح میدهد: سیارات صخره‌ای کوچک و نزدیک به خورشید و غول‌های گازی سنگین‌تر در فواصل دورتر.
در این سناریو، غول‌های گازی مانند مشتری و زحل باید در زمانی نسبتاً کوتاه تشکیل شوند، در حالی که قرص گازی پیشسیارهای هنوز هیدروژن و هلیوم فراوان دارد. اگر رشد هسته متوقف شود یا قرص به‌زودی ناپدید شود، یک سیارهٔ غول‌پیکر قادر به گرفتن جو سنگین نخواهد بود — به همین دلیل بسیاری از دانشمندان نتیجه می‌گیرند که غول‌های گازی زود شکل گرفته‌اند.
اما ایدهٔ رقیب «ناپایداری قرص» (disk instability) می‌گوید بعضی بخش‌های قرص پیشسیارهای میتوانند به‌سرعت قطعه‌قطعه و فروپاشی کنند و در زمان‌محدود کوتاهی سیارات بزرگی بسازند. علاوه بر این، «تجمع سنگریزهای» (pebble accretion) که نسخه‌ای شتاب‌یافته از مدل کلاسیک است، اجازه میدهد که هسته‌ها بسیار سریع‌تر رشد کنند و بدین ترتیب ترتیب نسبی شکلگیری سیارات را تغییر دهد.
جزئیات فیزیکی این فرایندها اهمیت زیادی دارد: نرخ چسبندگی دانه‌ها، تأثیر میدان مغناطیسی و توربولانس در قرص، نقش گرما و خنک‌شدن محلی، و فرآیندهای انتقال زاویهٔ حرکت که باعث رانش (migration) سیارات جوان می‌شود. اگر هستهٔ سیاره به "جرم قطعِ سنگریزهای" (pebble isolation mass) برسد، میتواند جریان سنگ‌ریزه‌ها را متوقف و رشد گاز را آغاز کند؛ این نقطهٔ عطف میتواند تعیین‌کنندهٔ این باشد که یک کرهٔ صخره‌ای به غول گازی تبدیل شود یا باقی بماند.
همچنین باید به سناریوهای میگراسیون اشاره کرد: مدل‌هایی مانند فرضیهٔ "تیز کردن بزرگ" (Grand Tack) پیشنهاد میکنند مشتری در اوایل تاریخ منظومهٔ شمسی به سمت داخل رفته و سپس بازگشته است، کاری که میتواند توزیع مواد و در نتیجه شکلگیری سیارات صخره‌ای و کمربند سیارک‌ها را قابل تغییر کند.
سن‌گذاری سیارات: سطوح، شهابسنگها و محدودیت‌های زمان‌سنجی
در اخترسیاره‌شناسی دو روش رایج برای تعیین سن وجود دارد. یک رویکرد سن مواد سازندهٔ یک سیاره را اندازه می‌گیرد — مثلاً سنیابی رادیومتریک شهاب‌سنگ‌هایی که تصور می‌شود بقایای بلوک‌های سازندهٔ اولیه‌اند. سن‌های به‌دست‌آمده از شهابسنگها تاریخ شکلگیری منظومهٔ شمسی را در حدود 4.56 میلیارد سال پیش پایه‌گذاری میکنند و نمونه‌هایی مانند CAIها (ذرات مخروطی حاوی کلسیم-آلومینیوم) به‌عنوان قدیمی‌ترین اجزای شناخته‌شده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
رویکرد دوم به سن سطح یک سیاره یا قمر نگاه میکند. شمارش دهانه‌های برخوردی و مقایسهٔ جمعیت دهانهها بین اجرام، سن نسبی سطح را نشان میدهد: سطوح سنگینِ دهانه‌دار قدیمی‌ترند و سطوح صاف یا فعال تکتونیکی جوان‌تر. زمین با فعالیت صفحه‌ای، آتشفشان‌ها و فرسایش، سطحی جوان‌تر در میان سیارات داخلی نشان میدهد؛ ونوس و مریخ مناطق قدیمی‌تر و پر از دهانه را حفظ کردهاند.
هر دو روش محدودیت‌هایی دارند. سن‌های رادیومتریک معمولاً از روی شهابسنگها یا نمونههای بازگشتی به‌دست می‌آیند — و آن نمونهها ممکن است تنها قطعاتی از تاریخچهٔ یک سیاره باشند، نه نمایندهٔ کل آن. روش شمارش دهانه به مدلهای شارِ برخوردکننده‌ها (impactor flux) وابسته است که عدم قطعیت‌هایی به‌وجود میآورد که میتواند به اندازهٔ میلیون‌ها سال باشد. همان‌طور که مایکل مایر، رئیس بخش اخترشناسی دانشگاه میشیگان، به LiveScience گفت: «زمان‌بندی رویدادها در فضا کار ساده‌ای نیست — این یکی از سخت‌ترین چالش‌ها در اخترشناسی است.»
برای دقت بیشتر، محققان از ایزوتوپ‌شناسی چندنظیره استفاده میکنند: سیستم‌هایی مانند اورانیوم-سربیوم (U-Pb)، هافنیوم-تنگستن (Hf-W)، سماریوم-نئودیمیم (Sm-Nd) و آلومینیوم-مگنزیم (26Al-26Mg) هر یک اطلاعات زمانی متفاوتی دربارهٔ مراحل اولیهٔ تکامل سیاره‌ای فراهم میکنند. ایزوتوپهای کوتاهعمر نظیر 26Al نقش گرمایشی مهمی در ذوب و جداسازی هسته در سیارات کوچک ایفا کردهاند و بنابراین حضور یا فقدان آنها در نمونهها میتواند نشان‌دهندهٔ بازهٔ زمانی شکلگیری باشد.
از سوی دیگر، کرونولوژی دهانهها نیز با استفاده از رکوردی که ماه برای ما حفظ کرده (به‌دلیل نبود فرسایش جوی و تکتونیک) تقویت می‌شود؛ تاریخ‌های دقیق نمونههای آپولو امکان ارتباط بین شمارش دهانه و سن‌های رادیومتریک را فراهم کردهاند. با این حال، تعمیم این نسبت‌ها به کل منظومهٔ شمسی نیازمند در نظر گرفتن تفاوت در تاریخچهٔ پویایی و شارهای برخوردی است.
چرا ترتیب شکلگیری اهمیت دارد — و چه اطلاعاتی دربارهٔ سیارات فراخورشیدی میدهد
تعیین اینکه غول‌های گازی یا سیارات صخره‌ای ابتدا شکل گرفتند، فهم ما از معماری سامانه‌های سیاره‌ای را شکل میدهد. اگر غول‌های گازی زود تشکیل شده و سپس مهاجرت کرده باشند، می‌توانسته‌اند مواد را پاک یا بازتوزیع کنند و محل شکلگیری سیارات سنگی مانند زمین را تحت تأثیر قرار دهند. بالعکس، اگر سیارات سنگی نخستین رشد را داشته باشند، ممکن است توضیح دهد چرا برخی سیستم‌ها فاقد غول‌های گازی نزدیک‌به‌شان هستند.
این توالی‌های تشکیل برای مطالعات سیارات فراخورشیدی (exoplanets) نیز آموزنده‌اند. رصدها از دیسکهای پیشسیارهای دوردست با تلسکوپ‌هایی مانند ALMA نشان‌دهندهٔ حلقهها، گپها و امواج مارپیچی هستند — نشانه‌هایی از تشکیل سیاره در عمل. با مقایسهٔ آن دیسکها با جدول زمانی استنباط‌شده از منظومهٔ خودمان، دانشمندان مدل‌هایی را که پیش‌بینی میکنند چه نوع سامانه‌هایی فرایندهای مشترک تولید میکنند، پالایش میکنند.
بعلاوه، ترتیب تشکیل بر عرضهٔ مواد فرّار (volatile) و آب برای سیارات داخلی تأثیر دارد؛ این موضوع اهمیت تعیین شرایط اولیه برای امکان حیات را افزایش میدهد. اگر غول‌های گازی زود شکل بگیرند و به داخل مهاجرت کنند، ممکن است مسیرهای انتقال آب و آب‌دار شدن سیارات سنگی را کم یا قطع کنند؛ بالعکس، شکلگیری دیرهنگام غول‌ها ممکن است فرصت بیشتری برای تجمع مواد فرّار فراهم کند.
به‌عبارتی، فهم توالی تشکیل سیارات اساساً به ما کمک میکند تا تفاوت‌های مشاهده‌شده در جمعیت فراسیارات — مانند فراوانی سیاره‌های نوع «سوپر زمین» (super-Earths) یا «مشتری داغ» (hot Jupiter) — را تفسیر کنیم و ارتباط بین فرآیندهای میکروسکوپیِ ایزوتوپی و پدیده‌های ماکروسکوپیِ ساختاری را برقرار سازیم.
چه چیزهایی هنوز لازم داریم: نمونهها، مأموریت‌ها و مشاهدات جدید
برای بهبود برآوردهای سنی، سیاره‌شناسان بر ارزش بازگرداندن نمونه تأکید میکنند. سنگ‌های قمری که مأموریتهای آپولو بازگرداندند، توانایی ما برای تاریخ‌گذاری رویدادهای اولیهٔ منظومهٔ شمسی را متحول کردند؛ نمونههای مشابه از مریخ، سیارک‌ها و قمرهای یخی میتوانند جدول زمانی را تیزتر کنند. کاوی بورللینا، سیاره‌شناس در دانشگاه پردو، معتقد است که «بازگرداندن سنگ‌های بکر به زمین امکان انجام تحلیلهای ایزوتوپی با دقت بالا را فراهم میکند که برای باز کردن توالی‌های تشکیل ضروری‌اند.»
مأموریت‌هایی که در آینده نزدیک دادههای بیشتری فراهم میکنند شامل تلاش‌های گسترده‌تر بازگرداندن نمونه (مثل نمونهٔ بازگشتی مریخ که در برنامه‌های سازمان‌های فضایی قرار دارد)، مأموریتهای بازدید از سیارک‌ها مانند OSIRIS-REx و Hayabusa2 که نمونه‌هایی به زمین بازگرداندند و مأموریت‌هایی به قمرهای یخیِ منظومهٔ بیرونی که میتوانند اطلاعاتی دربارهٔ تاریخچهٔ هیدروژن و ایزوتوپ‌ها ارائه دهند، هستند.
از دید مشاهداتی، تلسکوپهای جدید با توان تفکیک و حساسیت بالاتر مثل ALMA، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و رصدخانه‌های زمینی با قطر آینهٔ زیاد (مثل ELT و TMT در حال ساخت) امکان رصد ساختار دیسکهای پیشسیارهای در مقیاس‌های کوچکتر و تشخیص اثرات ناشی از سیارات جوان را فراهم کردهاند. رصد طول موج‌های مختلف (رادیو تا فروسرخ) برای رهگیری ذرات گرد و غبار و گاز در دیسکها حیاتی است.
نهایتاً، ترکیب روشها — همگرا کردن سنیابی رادیومتریک، آمار دهانهها، مدلهای دینامیکی و دادههای رصدی از دیسکها — میتواند عدم قطعیت‌ها را محدود کند و شاید سرانجام ترتیب تولد سیارات را به‌طور قابل‌اعتمادی روشن سازد. مطالعات مقایسه‌ای میان نمونهها (مثلاً ایزوتوپهای اکسیژن، نئون یا کرومیم) و مدلهای تجمع میتواند به تشخیص اینکه کدام اجزا از کدام منطقهٔ قرص آمده‌اند کمک کند.
دیدگاه کارشناسان
«دیگر در دوره‌ای نیستیم که صرفاً نظریه‌پردازی کنیم»، دکتر سارا وگا، اخترفیزیکدانی متخصص در تشکیل سیارات می‌گوید. «نمونههای جدید و تصویربرداری با وضوح بالا مدل‌ها را ملزم به تولید پیش‌بینی‌های قابل آزمون کردهاند. در دههٔ آینده باید بتوانیم با اطمینان بگوییم که آیا غول‌ها ابتدا در لبه‌ها بذر انداختند یا سیارات سنگی آغازگر بودند.»
در نهایت، پرسش اینکه کدام سیارات ابتدا شکل گرفتند بیش از یک کنجکاوی ساده است: این پرسش شیمی مواد، دینامیک قرص و تکامل بلندمدت سیاره‌ای را به هم پیوند می‌زند. با ساعت‌های بهتر — هم ژئوشیمیایی و هم اخترشناختی — دانشمندان به‌تدریج در حال کنار هم گذاشتن شجره‌نامهٔ منظومهٔ شمسی هستند.
برای خوانندگانی که علاقه‌مند به جزئیات فنی‌تر هستند، نکات کلیدی قابل پیگیری عبارت‌اند از:
- سیستم‌های رادیومتریک مختلف (U-Pb, Hf-W, Sm-Nd, Rb-Sr) چه بازه‌های زمانی‌ای را نشان میدهند و چگونه با یکدیگر مقایسه می‌شوند.
- نقش ایزوتوپهای کوتاهعمر مانند 26Al در حرارت‌زایی و جداسازی هسته‌ای در سیارات کوچک.
- محدودیت‌های شمارش دهانه و وابستگی آن به مدلهای شار برخوردی و تاریخچهٔ پویایی منظومهٔ شمسی.
- چگونه رصدهای ALMA و JWST ساختار داخلی دیسکهای پیشسیارهای و نقاط احتمالی شکلگیری سیاره را آشکار میکنند.
ادغام این خطوط شواهد و اجرای مأموریتهای هدفمند بازگرداندن نمونه، مسیر روشنی برای کاهش ابهامات فعلی و افزایش اعتبار علمی مدلهای شکلگیری سیارات فراهم میآورد.
منبع: smarti
ارسال نظر