قدم فريق من الباحثين نموذجا جديدا لأصل حلقات زحل بناء على نتائج المحاكاة الحاسوبية. وتغطي نتائج عمليات المحاكاة أيضًا حلقات الكواكب العملاقة الأخرى وتشرح الاختلافات بين شكل حلقات زحل وأورانوس-أورانوس.
قدم فريق من الباحثين نموذجا جديدا لأصل حلقات زحل بناء على نتائج المحاكاة الحاسوبية. وتغطي نتائج عمليات المحاكاة أيضًا حلقات الكواكب العملاقة الأخرى وتشرح الاختلافات بين شكل حلقات زحل وأورانوس-أورانوس. ونشرت النتائج في 6 أكتوبر في النسخة الإلكترونية من "إيكاروس".
المؤلف الرئيسي للورقة هو يودو ريوكي من جامعة كوبي في اليابان، وزملاؤه ستيبون شارنوز من جامعة باريس ديدرو، والبروفيسور أوتسوكي كيجي من جامعة كوبي والبروفيسور غاندا هيدينوري من معهد طوكيو للتكنولوجيا.
تمتلك الكواكب العملاقة في نظامنا الشمسي أنظمة حلقات متنوعة للغاية. وتشير الملاحظات إلى أن حلقات زحل تتكون من أكثر من 95% من الجسيمات الجليدية، في حين أن حلقات أورانوس ونبتون مظلمة، وربما تتكون من صخور أثقل. منذ أن تم رصد حلقات زحل لأول مرة في القرن السابع عشر، تم توسيع دراسة الحلقات باستخدام التلسكوبات الأرضية، والمركبات الفضائية التي تدور حول زحل، وآخرها كاسيني حتى الآن. ومع ذلك، فإن أصل الحلقات لا يزال غير واضح، ولا تزال الآليات التي أدت إلى إنشاء أنظمة الحلقات المتنوعة غير معروفة.
وركزت الدراسة الحالية على فترة تعرف باسم القصف الثقيل المتأخر، والتي تشير التقديرات إلى أنها حدثت قبل حوالي 4 مليارات سنة في نظامنا الشمسي، عندما خضعت الكواكب العملاقة لهجرة مدارية. وتقدر الدراسة أن عدة آلاف من الأجسام بحجم بلوتو (خمس حجم الأرض) تدور حول حزام كويبر في النظام الشمسي الخارجي وراء نبتون. أولاً، قام الباحثون بحساب احتمالات مرور هذه الأجسام الكبيرة بالقرب من الكواكب العملاقة بدرجة كافية وتدميرها بواسطة قوى المد والجزر أثناء القصف العنيف المتأخر. وأظهرت نتائج الدراسة أن زحل وأورانوس ونبتون شهدوا لقاءات قريبة مع هذه الأجرام السماوية الكبيرة عدة مرات.
استخدم أعضاء فريق البحث المحاكاة الحاسوبية لدراسة الاضطراب الذي تسببه قوى المد والجزر لهذه الأجسام في حزام كويبر أثناء مرورها بالقرب من الكوكب العملاق. وتختلف نتائج عمليات المحاكاة وفقًا للظروف الأولية، مثل مسار هذه الأجسام والحد الأدنى لمسافة اقترابها من الكوكب. ومع ذلك، فقد وجدوا أن العديد من الأجزاء التي تشكل 0.1-10% من الكتلة الأولية لهذه الأجسام تم التقاطها في مدارات حول الكواكب. وُجد أن الكتلة المجمعة لهذه الشظايا الملتقطة كافية لحساب كتلة الحلقات الحالية المحيطة بكوكب زحل وأورانوس. بمعنى آخر، تشكلت هذه الحلقات الكوكبية عندما مرت أجسام كبيرة بدرجة كافية بالقرب من الكواكب العملاقة وتحطمت.
وقام الباحثون أيضًا بمحاكاة التطور طويل المدى للأجزاء التي تم التقاطها باستخدام أجهزة الكمبيوتر في المرصد الفلكي الوطني في اليابان. كشفت عمليات المحاكاة هذه أنه من المتوقع أن تتعرض الشظايا التي يبلغ حجمها الأولي عدة كيلومترات إلى تصادمات عالية السرعة وتنقسم إلى قطع أصغر فأصغر. ومن المتوقع أيضًا أن تؤدي الاصطدامات بين الشظايا إلى تقريب مسارها وتؤدي إلى تكوين الحلقات التي نراها اليوم.
يمكن لهذا النموذج أيضًا أن يفسر اختلاف الكثافة بين حلقات زحل وأورانوس. بالمقارنة مع زحل، يتمتع أورانوس (ونبتون) بكثافة أعلى (يبلغ متوسط كثافة أورانوس 1.27 جرام لكل متر مكعب وكثافة نبتون 1.64 جرام لكل متر مكعب، مقارنة بكثافة زحل - 0.69 جرام لكل متر مكعب). وهذا يعني أنه في حالة أورانوس ونبتون، يمكن للأجسام أن تمر بالقرب من الكوكب حيث تتعرض لقوى مد وجزر قوية جدًا. من ناحية أخرى، زحل لديه كثافة أقل، وبالتالي فإن حلقاته لها قطر كبير نسبيًا لأن الأجسام التي تمر بالقرب منه سوف تصطدم بالكوكب. ونتيجة لذلك، إذا مرت أجسام في حزام كويبر تحتوي على هياكل ذات طبقات مثل النواة الصخرية والقشرة الجليدية بالقرب من أورانوس أو نبتون، بالإضافة إلى القشرة الجليدية، فسيتم أيضًا تدمير اللب الصخري، وينضم إلى الحلقات ويسبب أن تكون المركبة صخرية. ومع ذلك، إذا مروا بكوكب زحل، فسيتم تدمير الوشاح الجليدي فقط، وسيكون تكوين الحلقات عبارة عن جليد. وهذا ما يفسر الاختلافات بين الحلقات.
توضح هذه النتائج أن حلقات الكواكب العملاقة هي منتجات ثانوية طبيعية لعملية تكوين الكواكب في نظامنا الشمسي. وهذا يعني أن الكواكب العملاقة المكتشفة حول نجوم أخرى يجب أن تحتوي أيضًا على حلقات تشكلت بعملية مماثلة. تم الإبلاغ مؤخرًا عن اكتشاف نظام حلقات حول كوكب ما، ومن شأن المزيد من الاكتشافات للحلقات والأقمار حول كواكب خارج النظام الشمسي أن تعزز فهمنا لأصلها.
הערות
(1) الانفجار الكبير المتأخر: فترة من عدم الاستقرار المداري حدثت في نظامنا الشمسي منذ حوالي 4 مليارات سنة. وتشير التقديرات إلى أنه خلال هذه الفترة كان هناك العديد من الأجسام الصغيرة التي لم تتشكل إلى كواكب في مدار خارج نبتون. ونتيجة لتفاعلات الجاذبية مع الكواكب العملاقة، أصبحت مدارات هذه الأجسام الصغيرة غير مستقرة، ودخل الكثير منها إلى النظام الشمسي واصطدمت بالكواكب المتكونة بالفعل. وتشير التقديرات إلى أن معظم الحفر القمرية تشكلت خلال هذه الفترة.
(2) أجسام حزام كايبر: عدد كبير من الأجسام الصغيرة المكونة من الجليد والصخور والتي توجد خارج مدار نبتون.
تعليقات 3
السؤال الذي لم تتم مناقشته في المقال، والأكثر إثارة للاهتمام، هو،
لماذا لم تتجمع حلقات زحل لتشكل الأقمار لفترة طويلة؟
مثل هذه الفترة الطويلة من الزمن حوالي 4 مليارات سنة؟