8 دقیقه
مدل‌های جدید رایانه‌ای از دانشگاه Rice نشان میدهد رشد سریع و اولیهٔ سیارهٔ مشتری ساختار منظومهٔ شمسی جوان را بازآرایی کرده و با کنده‌کاری حلقهها و شکافها در دیسک گاز و غبار، موج دوم از سنگ‌های سازندهٔ سیارات را به وجود آورده است. این نسل دیرتر ممکن است توضیح دهد که چرا بسیاری از شهاب‌سنگ‌های ابتدایی (متوریت‌های اولیه) میلیونها سال پس از شکلگیری اولین مواد جامد تشکیل شده‌اند؛ موضوعی که یافته‌های شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیک و دینامیک غبار به آن سرنخ می‌دهند.
چگونه یک غول در حال رشد دیسک را می‌تراشد و رانش به سمت درون را متوقف میکند
دانشمندان سیاره‌ای در دانشگاه Rice، به سرپرستی آندره‌ای ایزیدورو و دانشجوی تحصیلات تکمیلی بایبهَو سریواستاوا، مدل‌های هیدرودینامیک با وضوح بالا از یک مشتری در حال شکلگیری را با شبیه‌سازی‌های رفتار ذرات غبار و فرایندهای تشکیل سیاره ترکیب کردند تا تأثیر این سیاره بر دیسک پیش‌سیاره‌ای را پیگیری کنند. نتایج که در Science Advances منتشر شده نشان میدهد هرگاه مشتری در مراحل اولیه به جرم قابل‌توجهی رسیده، نیروی گرانش آن موجهایی را در میان گاز دیسک منتشر میکند. این موج‌ها در گاز شکاف‌هایی ایجاد کرده و نقاطی با فشار ماکسیمم پدید میآورند که همانند ترافیک کیهانی عمل کرده و جلوی حرکت ذرات جامد را می‌گیرند.
در نتیجه، ذرات میلیمتری تا سانتیمتری که در حالت عادی به سمت داخل دیسک و خورشید جوان رانش میکنند، در کندگی‌های فشار متراکم شده و به‌جای افتادن در ستاره، در برجستگی‌های فشاری تجمع یافتند. این ذرات روی هم انباشته شده و حلقه‌هایی متراکم و پایدار ساختند. درون این حلقهها، شرایط برای چسبیدن ذرات به هم و فروپاشی گرانشی محلی فراهم شد که به تولید پلانتیسمالها منجر میشود — اجسام کیلومتری که مواد خام تشکیل سیارات و شهاب‌سنگ‌ها را تشکیل می‌دهند. این فرایندِ به دام افتادن ذرات و تجمع در "پشت‌بندهای فشاری" (pressure bumps) یکی از مکانیزم‌های کلیدی در نظریه‌های تشکیل سیاره و تشکیل سیارک‌ها و متوریت‌ها است.
شبیه‌سازی‌ها و روش‌ها: پیوند دینامیک گاز با رفتار غبار
تیم پژوهشی از کدهای جفت‌شدهٔ هیدرودینامیک و تکامل ذرات استفاده کرد تا جریان‌های گازی، انتشار تلاطمی، و فرایند تله‌شدن ذرات را با جزئیات مدل کند. این نوع شبیه‌سازی‌ها، که شامل پارامترهای دیسک مانند چگالی سطحی، گرانش سیاره‌ای، و اندازهٔ توزیع ذرات میشود، امکان پیگیری تکامل طیفی از ذرات را فراهم می‌آورد. با تغییر نرخ رشد و زمانبندی افزایش جرم مشتری، سناریوهای مختلفی بررسی شد که در آنها سیارهٔ عظیم زودتر تشکیل شده و می‌تواند ذرات در حال رانش به سمت داخل را رهگیری کند و مخازن پایداری بسازد.
این مخازنِ پرفشار محلهایی هستند که یک جمعیت دوم از پلانتیسمالها می‌تواند دیرتر از نسل نخستین پدیدار شود؛ یعنی پس از اینکه بخش اولیهٔ موجودی جامد دیسک به شکل اولیه شکل گرفته بود. در واقع، شبیه‌سازی‌ها نشان میدهد بسته به جرم دیسک، میزان تلاطم (توربولانس) و زمانبندی رشد مشتری، حلقهها میتوانند از میلیونها سال تا دوره‌های طولانی‌تری پایدار بمانند و به عنوان کارخانجات تأخیری تولید سیاره‌ای عمل کنند. این روشِ ترکیبی غاز-غبار کمک میکند تا پیوند میان مشاهدات رصدی دیسکهای پیش‌سیاره‌ای، شیمی متوریت‌ها و تاریخچهٔ زمانی تشکیل اجسام سنگی برقرار شود.
چرا کندریتها دیر آمدند — نسل دوم اجزای سازنده
کندریتها (chondrites) نوعی متوریت سنگی هستند که گرد و غبار دست‌نخورده و دانه‌های کروی کوچکی به نام کندروژول (chondrules) را حفظ کرده‌اند. برخلاف پلانتیسمال‌های اولیه که ذوب شده و تمایز یافته‌اند، کندریتها حامل رکوردهای شیمیایی و ایزوتوپی دست‌نخورده و ارزشمندی هستند. یک معمای دیرین این بوده که چرا بسیاری از کندریتها حدود 2 تا 3 میلیون سال پس از قدیمی‌ترین مواد جامد منظومهٔ شمسی شکل گرفته‌اند — بازهٔ زمانی که مدل‌های سنتیِ فروپاشی غبار و اجتماع سریع مواد نتوانسته بودند به‌خوبی توضیح دهند.
مدل‌های ایزیدورو و سِریواستاوا پاسخی طبیعی ارائه می‌دهند: شکاف ایجادشده توسط مشتری، ناحیهٔ درونی و بیرونی دیسک را از هم جدا کرد، باعث محافظت از نشان‌ها و امضای ایزوتوپی منحصربه‌فرد هر بخش شد و در عین حال محل‌های جدیدی ایجاد کرد که در آنها ذرات می‌توانستند بعدها تجمع یابند. پلانتیسمال‌هایی که در این تله‌های فشاری تشکیل میشوند نمایندهٔ یک «نسل دوم» از بلوک‌های ساختمانی هستند که زمان شکل‌گیری‌شان با سن‌های استنتاج‌شده برای متوریت‌های کندریتیک سازگار است.
سِریواستاوا خاطرنشان میکند که این مکانیزم شاهدها و توسعهٔ دینامیکی را به هم پیوند میدهد: حضور زودهنگام مشتری، دوگانگی ایزوتوپی بین مادهٔ درونی و بیرونی منظومهٔ شمسی را حفظ کرد و در عین حال تشکیل پلانتیسمال‌های تأخیری را که در رکورد متوریت‌ها مشاهده میشود تولید نمود. این تبیین همچنین با شواهد آزمایشگاهی از ترکیب شیمیایی و ایزوتوپی کندریتها مطابقت دارد و نشان میدهد تاریخچهٔ زمانی تشکیل مواد جامد می‌تواند تحت تأثیر قابل‌توجهی از حضور و رشد غول‌های گازی اولیه قرار گیرد.
نمودار رشد مشتری. اعتبار: دانشگاه Rice
پیامدها برای زمین، سیارات داخلی و سامانه‌های فراخورشیدی
شبیه‌سازی‌ها همچنین کمک میکنند توضیح دهیم چرا سیارات سنگی منظومهٔ شمسی — عطارد، زهره، زمین و مریخ — در حوالی حدود 1 واحد نجومی باقی ماندند و به جای سرنگونی به درون ستاره، از جابجایی شدید جلوگیری کردند. با ایجاد یک شکاف، مشتری عملاً جریان گاز به سمت داخل را که می‌تواند مهاجرت سریع سیارات در حال رشد را به دنبال داشته باشد، خفه کرد. بدون چنین مانعی، بسیاری از سیارات جوان در سامانه‌های دیگر به سمت ستاره‌های خود حرکت کرده و نزدیک ستاره‌ها تلنبار میشوند؛ همان پدیداری که در بسیاری از داده‌های اگزوزنجیره‌ای (exoplanetary) مشاهده شده است. اثر اولیهٔ مشتری احتمالاً سامانهٔ داخلی منظومهٔ شمسی را لنگر انداخته و از سرنوشت مشابهی برای زمین جلوگیری کرده است.
این نتایج با مشاهدات با وضوح بالا از دیسکهای پیش‌سیاره‌ای توسط آرایهٔ میلیمتری/زیرمیلی‌متری آتاکاما (ALMA) هم‌راستا است. تصاویر ALMA اغلب حلقهها و شکاف‌هایی را در دیسکهای اطراف ستارگان جوان نشان میدهد — ویژگی‌هایی که دانشمندان سیاره‌ای آنها را به عنوان نشانههایی از سیارههای غول در حال شکلگیری تعبیر میکنند که محیط تولد خود را تراشیده‌اند. مطالعهٔ دانشگاه Rice این تفسیر را تقویت کرده و منظومهٔ شمسی ما را در چارچوب گسترده‌تری از تکامل دیسک‌ها و تشکیل سیاره قرار میدهد.
فراتر از حل مسئلهٔ زمانی متوریت‌ها، این کار چارچوبی فراهم می‌آورد برای پیوند شیمی متوریت‌ها، ژئوشیمی ایزوتوپی و دینامیک بزرگ‌مقیاس دیسک. نشان میدهد که منظومهٔ شمسی در حال فعالانه بازسازی بوده در حالی که موجودی جامد آن همچنان در حال تغییر بود — بنابراین سنگ‌هایی که نهایتاً بر زمین باریدند نه یک، بلکه چندین نسل از مونتاژ سیاره‌ای را ثبت کرده‌اند. این دیدگاه تأکید میکند که رکوردهای متوریتی حامل تاریخچهٔ پیچیده‌ای از تعامل میان فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و دینامیکی در دیسک پیش‌سیاره‌ای هستند.
دیدگاه متخصص
دکتر لِنا مورالس، دینامیک‌دان سیاره‌ای در موسسهٔ مطالعات فضایی (که در مطالعهٔ Rice دخالت نداشت)، دیدگاهی ارائه میدهد: «این پژوهش به شکلی زیبا آنچه در آزمایشگاه‌های متوریت‌شناسی می‌بینیم را با آنچه تلسکوپ‌ها در دیسکهای ستاره‌زایی مشاهده میکنند پیوند میدهد. ایدهٔ اینکه مشتری هم می‌تواند مخازن ایزوتوپی متمایز را محافظت کند و هم موج بعدی تشکیل پلانتیسمالها را رقم بزند، به آشتی چندین مشاهدۀ پیشتر از هم جدا شده کمک میکند. همچنین نشان میدهد که تشکیل سیاره چقدر نسبت به زمانبندی اولیهٔ رشد سیارات غول‌پیکر حساس است.»
به آینده که نگاه می‌کنیم، مدل‌های Rice پیش‌بینی‌های آزمایش‌پذیری ارائه می‌دهند: جمعیت‌های متوریتی باید نشانه‌های شکلگیری در تله‌های فشاری را حفظ کنند، و پیمایش‌های ALMA از دیسکهای بسیار جوان می‌تواند آشفتگی‌های جرمی شبیه سیاره را در زمانبندی مورد نیاز برای مطابقت با رکورد متوریتی آشکار سازد. کارهای آینده جزئیات دقیق‌تر جدول زمانی رشد مشتری و چگونگی تغییر این زمانبندی با جرم دیسک و میزان تلاطم را پالایش خواهند کرد. علاوه بر این، ترکیب داده‌های ایزوتوپی، شبیه‌سازی‌های دینامیکی و مشاهدات ALMA می‌تواند چارچوبی قوی برای درک تنوع سامانه‌های سیاره‌ای و منشأ متوریت‌های مختلف فراهم کند.
در مجموع، یافتهها بر اهمیت نقش «مهاجرت و مانع‌گذاری» غول‌های گازی در شکل‌دهی به تاریخچهٔ شیمیایی و ساختاری بخش‌های داخلی و خارجی منظومهٔ خورشیدی تأکید میکنند. این نتایج نه تنها برای درک منشأ زمین و سنگ‌های اولیهٔ آن حیاتی است، بلکه برای تبیین تفاوت‌های آشکار میان سامانه‌های فراخورشیدی که امروز با ابزارهای پیشرفته مشاهده می‌کنیم نیز پرسش‌های جدیدی مطرح میسازد.
منبع: scitechdaily
نظرات
حسین
خوبه، ایده قوی ولی یه کم خوش‌بینانه بنظر میاد، نیاز به مشاهدات و آزمایشای بیشتر داره. منتظر نتایج ALMA هستم
شهرلاین
نظریهٔ قشنگیه، با شواهد تلسکوپی و داده‌های متوریت جور درمیاد و دید کلی دربارهٔ پیدایش سیارات رو بهتر میکنه.
ستاره‌یار
تو پروژه دانشگاهی یه بار دیدم حلقهها همین اثر رو داشتن، ولی مدل Rice دقیق‌تره، خوشم اومد از پیوند ایزوتوپ و دینامیک، واقعاً جالب
توربوام
آیا این مدل همهٔ متغیرها رو در نظر گرفته؟ مثلا تلاطم و جرم دیسک چقدر حساسن؟ سوالام زیاد ش...
کوینپایل
منطقیه، اینکه غول گازی جلوی رانش رو بگیره و نسل دوم بسازه با مشاهدات ALMA هم میخونه. خیلی خوبه که مدل به رصد وصل شده
ردیکس
وای یعنی مشتری اینقدر تاثیر داشته؟ چشمام باز شد، عجیب و زیبا… هم گیج شدم هم خوشحال، دمش گرم
ارسال نظر