چرا حلقه‌های مشتری اینقدر نازک هستند؟

چرا بزرگترین سیاره در منظومه شمسی چنین حلقه‌های نازکی دارد؟ تحقیقات جدید نشان می‌دهد که قمرهای مشتری ممکن است مقصر باشند.

مشتری در مادون قرمز تصویر مادون قرمز تلسکوپ فضایی جیمز وب به وضوح حلقه نازک مشتری را نشان می دهد. (قمرهای Thebe، Europa، Metis و Adrastea از چپ به راست نیز قابل مشاهده هستند.) NASA / ESA / CSA / Judy Schmidt

طبیعت به بزرگترین سیاره منظومه شمسی مجموعه‌ای از حلقه‌های نازک داده است. حلقه‌های زحل از زمان اختراع تلسکوپ به‌عنوان شکوه منظومه شمسی مشخص شده‌اند، اما هیچ‌کس حتی متوجه نشد که مشتری مجموعه بسیار کوچک‌تری دارد تا اینکه فضاپیمای وویجر 1 در 5 مارس 1979 باعث شد به این موضوع پی ببریم.

چرا باید حلقه‌های زحل، که یک سوم جرم مشتری را دارد، از حلقه‌های ضعیف اطراف سیاره بزرگ‌تر و پرجرم‌تر بدرخشند؟

موقعیت حلقه‌ها در مقابل قمرها این نمودار به ترتیب اندازه و فاصله قمرها از مشتری و زحل را نشان می‌دهد. خطوط نقطه‌چین قرمز حد روش سیارات را مشخص می‌کند که در داخل آن نیروهای گرانشی جزر و مدی از تشکیل قمرها یا شکستن قمرهایی که خیلی نزدیک می شوند جلوگیری می‌کند. کین و لی 2022

حداقل بخشی از پاسخ ممکن است این باشد که سه قمر درونی مشتری سد راه شدند. یک مدل کامپیوتری از قمر‌های گالیله نشان می‌دهد که همان تشدید گرانشی که آیو، اروپا و گانیمد را در یک پله مداری 4:2:1 نگه می‌دارد، گرد و غبار مدارهای استوایی را نیز تخلیه می‌کند که می‌توانند حلقه‌ها را تشکیل دهند.

استفن کین (دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید) می‌گوید: «من همیشه فکر می‌کردم که چرا زحل این حلقه‌های باشکوه را دارد. او و شاگردش Zhexing Li (همچنین در UCR)، یک مدل کامپیوتری ایجاد کردند تا ببینند چهار قمر گالیله مشتری چه تأثیری روی حلقه غباری در اطراف سیاره خواهند داشت.

حلقه‌ها پویا هستند و شکل و اندازه آنها در یک زمان خاص به جرم سیاره‌ای که به دور آن می‌چرخند و تاریخچه قمرهایی بستگی دارد که به دور آن می‌چرخند. در داخل نقطه ای به نام حد روش، گرانش سیاره غالب است و از تشکیل قمرها و نابود شدن قمرهایی جلوگیری می‌کند که خیلی نزدیک می‌شوند. حلقه‌ها در آنجا تشکیل می‌شوند. درخشان‌ترین حلقه‌های زحل، مانند حلقه‌های مشتری، در محدوده روش قرار دارند.

حد روش به کمترین فاصله بین یک قمر که فاقد استحکام کششی است — یعنی تنها به واسطه نیروی گرانش خودش منسجم مانده — و یک جسم سماوی دیگر گفته می‌شود که موجب فروپاشی قمر نگردد. فروپاشی قمر به علت نیروی کشندی حاصل از جسم سماوی دوم و بیشتر شدن آن از جاذبه خودی قمر رخ می‌دهد.

اما حلقه‌ها می‌توانند خارج از محدوده روش نیز تشکیل شوند، همانطور که در اطراف زحل و مشتری انجام می‌شود. تیم کین می‌گوید اینجا جایی است که کشش‌های گرانشی قمرها نقش دارند.

مدارهای سه قمر بزرگ مشتری – آیو، اروپا و گانیمید – در یک رزونانس تناوبی قوی قفل شده‌اند: آیو چهار بار به دور مشتری می‌چرخد و هر بار که گانیمید یک بار دور سیاره می‌چرخد، دو بار به دور مشتری می‌چرخد. (خارجی‌ترین قمر گالیله، کالیستو، در سرنوشت متفاوتی گرفتار شد: به طور جزر و مدی قفل شده است به طوری که هنگام گردش به دور مشتری، همیشه رو به همان سمت مشتری است، درست مانند همان سمت ماه زمین که همیشه رو به سیاره ما است.)

مدل کامپیوتری کین نشان داد که تشدید بین قمرهای درونی، گرد و غبار را از محدودیت روش مشتری تا شعاع 28 مشتری از بالای ابر سیاره در طی یک میلیون سال پاک می‌کند. فقط چند حلقه در آن منطقه باقی می‌ماند: برخی بین مدارهای گانیمید و کالیستو و برخی در نزدیکی مدار کالیستو. زمانی که کین و لی مدل خود را تا 10 میلیون سال گسترش دادند، حلقه‌های درونی نیز ناپدید شدند.

این تیم در مجله علوم سیاره‌ای گزارش می‌دهد که رزونانس های مداری با گانیمید و کالیستو می‌تواند موادی را که از 29 شعاع مشتری – بسیار گذشته از مدار کالیستو – در طی دهها میلیون سال پاکسازی کند.

تصویر هنری نشان می‌دهد که اگر حلقه‌های مشتری به وسعت حلقه‌های زحل باشد، چه شکلی خواهد بود. اگر مشتری چنین حلقه‌هایی داشت، دوام زیادی نداشتند. استفن کین / UCR

در حالی که کین خاطرنشان می‌کند که قمرها تأثیر کمی در محدوده روش دارند، ممکن است میدان مغناطیسی مشتری که در مدل در نظر گرفته نشده است، مانع از تجمع مواد در آنجا شود.

برای مقایسه دیگری، کین می‌خواهد اورانوس را مطالعه کند. در حالی که هیچ جایی به اندازه زحل درخشان نیست، حلقه‌های آن دومین حلقه‌ای بودند که در میان سیارات غول‌پیکر مشاهده شدند و به اندازه‌ای ضخیم هستند که ستارگان دوردست را پنهان کنند. رصدگران می‌توانند از این اختفاها برای اندازه‌گیری حلقه‌ها استفاده کنند.

کین خاطرنشان می‌کند: «ما تاریخ پویای [اورانوس] را درک نمی‌کنیم. این به این دلیل است که شاید به دلیل یک برخورد عظیم مدت‌ها پیش به سمت خود با استوای آن عمود بر مدارش منحرف شده است. با این وجود، مطالعه قمرها و حلقه‌های اورانوس می‌تواند به آزمایش نظریه آنها کمک کند. جستجوی حلقه‌ها در سیارات فراخورشیدی می‌تواند آزمایش قطعیتری ارائه دهد، اما فقط با تصویربرداری مستقیم که فراتر از فناوری فعلی برای همه به جز نزدیک‌ترین اهداف بالقوه است.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

WHY ARE JUPITER’S RINGS SO THIN?

BY: JEFF HECHT AUGUST 1, 2022

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/why-are-jupiters-rings-so-thin/