علت تاخیر در رشد مشتری، مشخص شد!!

مشتری بزرگترین سیاره منظومه شمسی ماست اما رشد زودهنگام خود را به تاخیر انداخته است. دانشمندان مطمئن نبودند که چرا این اتفاق افتاده است، اما اکنون ممکن است پاسخی برای آن داشته باشند.
مشتری از نگاه فضاپیمای جونو، 1 آوریل 2018. تصویر از NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS. دانشمند شهروندی جرالد ایشستدت و سین این تصویر را با استفاده از دادههای تصویرگر فضاپیمای جونو ساختهاند.
به دلیل اندازه بزرگ آن، مشتری بعنوان پادشاه سیارهها در منظومه شمسی ما نامیده میشود. این سیاره 300 برابر جرم زمین را دارد. فکر میکنم که مشتری بزرگترین سیاره در تاریخ منظومه شمسی ماست. با این حال، سوالات در مورد اینکه مشتری به سرعت (یا به کندی) در حال رشد است، با شواهد قبلی نشان میدهد که رشد مشتری به مدت دو میلیون سال به تأخیر افتاده است. دلیل این تاخیر ناشناخته بود. در حال حاضر، اخترفیزیکدانان در سوئیس معتقدند که پاسخ این تاخیر را دارند. نتایج مطالعه آنها در 27 اوت 2018 ، در مجله Nature Astronomy منتشر شد.
محققان به دو سازمان NCCR PlanetS و ETHzürich وابستهاند. جولیا ونتورینی، همکار نویسنده، در بیانیهای توضیح داد:
ما … نشان دادیم که مشتری در دورههای مختلف به طور متمایز رشد کرده است.
Yann Alibert، نویسنده ارشد، نیز افزود:
به خصوص جالب است که این ماده یکپارچهای نیست که جرم و انرژی را به مشتری تبدیل کرده است.
به عبارت دیگر، دانشمندان با استفاده از مدلسازی کامپیوتری نشان دادند که – میلیاردها سال پیش، در اوایل تاریخ منظومه خورشیدی ما – یكپارچگی فاز رشد تاخیری به عنوان مادهای با اندازهها و انواع مختلف به وجود آمد.
تصویر هنری از مشتری بسیار جوان. دانشمندان بر این باورند که مشتری، زمین و دیگر سیارات منظومه شمسی ما از یک دیسک گاز و گرد و غبار اطراف خورشید جوان تشکیل شده است. تصویر از آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور.
سیارهها مانند زمین یا مشتری، از طریق انبساط ابرها و یا گرد و غبار اطراف ستارگان جوان، رشد میکنند. به این ترتیب، آنها به عنوان کوچکترین واحد از مواد در برخورد با ابر رشد میکنند، به هم میچسبند، و به طور فزایندهای بزرگتر میشوند. هنگامی که سیارات خود به اندازه کافی بزرگ میشوند، آنها شروع به کشیدن مواد بیشتری از سحابی خورشیدی، از طریق قدرت کشش گرانشی خود میکنند.
ستارهشناسان باور دارند که منظومه خورشیدی ما حدود 6/ 4 میلیارد سال پیش از یک ابر در حال چرخش متشکل از گاز و گرد و غبار، به نام سحابی خورشیدی به وجود آمد. نیروی گرانش، یک قسمت از گاز و گرد وغبار را به مرکز سحابی که متراکمتر از بقیه جاها بود کشاند. مواد روی هم انباشته شدند، به سرعت چرخیدند و در نتیجه در مرکز سحابی، خورشید ما شکل گرفت.
سپس گاز و گرد و غبار باقیمانده به صورت یک صفحه تخت گرد (دیسک) به نام دیسک میان سیارهای در میآید که به دور خورشید میگردد. ذرات سنگی داخل دیسک به هم خوردند و به هم چسبیدند و اجسامی به نام خردهسیاره را تشکیل دادند. این اجسام هم با هم ترکیب شدند و سیارات را تشکیل دادند
پس چه چیزی در طول این مراحل مختلف رشد مشتری رخ داده است؟
تصور میشود که در طول اولین میلیون سال یا بیشتر، هسته سیاره مشتری، به سرعت از سنگهای کوچک سنگی با اندازه سنگی ساخته شده است. در طول دو میلیون سال بعد، سنگهای بزرگتر، که به خاطر اندازه بزرگشان به نام خرده سیاره شناخته میشوند.
در طول این دوره، به خاطر خرده سیاره جوان در حال رشد گرمای زیادی آزاد شد. همانطور که توسط Alibert توضیح داده شد:
در مرحله اول سنگریزه جرم پیدا کرد. در مرحله دوم، خردهسیاره نیز کمی جرم اضافه کرد، اما مهمتر از همه، انرژی بدست آورد.
مشتری بعد از این رشد کرد و بعد از حدود 3 میلیون سال به 50 برابر جرم زمین رسید. این امر به آغاز فاز سوم منجر شد، جایی که فرآیند ناپیوسته گاز باعث رشد پایدار مشتری شد، تا زمانی که سیاره به 300 برابر جرم زمین رسید. این مشتری است که امروز میشناسیم و دوست داریم.
اما دقیقا چرا دوره رشد آرام بوده است؟
اولا محققان دریافتند که مشتری در دوره زمانی بین 15 تا 50 برابر جرم زمین طولانیتر از آنچه پیشتر تصور میشد، ادامه داشت. در برخورد با خردهسیارهها مشتری بزرگتر شد و این امر به اندازه کافی شدید بود که جو گرم شد، برای جلوگیری از انقباض و افزایش گاز بیشتر. سریع خنک شد، بنابراین روند رشد به تاخیر افتاد. همانطور که در مقاله جدید ذکر شده است:
چون غولهای گازی منظومه شمسی، توپهایی از گاز با هستههایی مایعند، امکان تصور اینکه جسمی خردهسیاره مانند آنها را ایجاد کرده باشد وجود ندارد. خرده سیارات، هسته سیارات گازی را تشکیل دادند که بعدها و زمانیکه لایههای گازی این سیارات تشکیل شد، به دلیل فشار و دمای زیاد این هستهها به حالت مذاب درآمدند.
اکنون دانشمندان میدانند که چرا رشد مشتری طی 3 مرحله مجزا انجام شده است. این نمودار 3 مرحله رشد مشتری را در میلیونها سال نشان میدهد.
در زیر سه مرحله رشد مشتری به طور خلاصه نشان داده شده است. توجه داشته باشید که آنها مربوط به تصویر بالا هستند:
مرحله 1: تا 1 میلیون سال: مشتری با افزایش سنگ ریزه (نقاط آبی) رشد میکند. خردهسیارههای بزرگ (نقطههای قرمز بزرگ) با سرعتهای برخورد بالا (فلش های قرمز) را نشان میدهد که منجر به برخوردهای مخرب (زرد) و تولید خردهسیاره های کوچک (نقطههای قرمز کوچک) میشود.
مرحله 2: 1 تا 3 میلیون سال: انرژی حاصل از رشد خردهسیارههای کوچک از تجمع سریع گاز جلوگیری کرده و در نتیجه باعث رشد سریع (فلش خاکستری) میشود.
مرحله 3: فراتر از 3 میلیون سال: مشتری به اندازه کافی پرجرم است تا مقادیر زیاد گاز را تحمل کند.
سناریوی جدید شکلگیری که توسط Alibert و تیمش تدوین شده است نیز با اطلاعات قبلی گرفته شده از شهابسنگها متناسب است. براساس تحلیل شهابسنگها، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که سحابی خورشیدی در منظومه شمسی خورشید اولیه به دو منطقه مختلف بالای دو میلیون سال تقسیم شده است. هنگامی که مشتری به اندازه 20-50 برابر جرم زمین رشد کرد، به عنوان یک مانع عمل کرد، و دیسک گرد و غبار اطراف خورشید جوان را تحت تاثیر قرار داد. این امر باعث ایجاد غلظت بیش از حد چگالی در داخل دیسک گرد و غبار میشود که خرده سیارهها را از مدار خارج میکند.
در نتیجه، ماده دورتر میتواند با سایر مواد نزدیک به خورشید مخلوط شود، حداقل تا زمانی که مشتری به اندازه کافی رشد نکند، این خردهسیارهها به داخل آن با گرانش پراکنده کند.
تصویر نزدیک از سیستمهای ابر در مشتری، 14 ژوئن توسط جونو در ماه ژوئیه 2018. تصویر از NASA/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt/Seán Doran.
محققان همچنین میگویند که علاوه بر مشتری، میتوان نتایج جدید خود را نیز برای کمک به حل برخی از پازلها در مورد تشکیل اورانوس و نپتون، و همچنین برخی از اجسام مشابه آن استفاده کرد. این امر میتواند به خصوص در مورد مشتریهای داغ، که سیارات غول پیکر گازی بزرگتر از مشتری هستند که مدار بسیار نزدیک به ستارههای خود دارند- و دیگر غولهای گازی در سایر سیستمهای خورشیدی استفاده شود.
چگونه این سیارات حتی بزرگتر از مشتری بزرگ میشوند و چرا بسیاری از آنها به ستارههایشان نزدیکتر میشوند (به عنوان مثال مشتریهای داغ)؟ شاید این تحقیق جدید جهت روشنسازی حقایق این سوالات کمک کند.
برای اطلاعات بیشتر میتوانید به سایت https://www.nature.com/articles/s41550-018-0557-2 مراجعه کنید.
منبع:
Jupiter’s growing pains, explained
By Paul Scott Anderson in SPACE | September 3, 2018
http://earthsky.org/space/mystery-of-jupiters-early-delayed-growth-explained