راز سیاره غول‌پیکر پنجم؛ آیا منظومه شمسی زمانی بیش از ۸ سیاره داشت؟

خلاصه مقاله:

• پژوهشگران با استفاده از هزاران ساعت شبیه‌سازی ابررایانه‌ای احتمال داده‌اند که در گذشته منظومه شمسی یک سیاره غول‌پیکر اضافی داشته که بعدها از منظومه بیرون رانده شده است. این مطالعه بر پایه مدل نیس انجام شده است که می‌گوید سیارات غول‌پیکر در آغاز در مکان‌های کنونی خود قرار نداشتند و بعدها به مدارهای فعلی‌شان مهاجرت کردند.
• دانشمندان برای بررسی منشأ و بقای قمرهای مشتری و اورانوس، ۱۲۲ سناریوی مختلف از تاریخ اولیه منظومه شمسی را شبیه‌سازی کردند. نتایج نشان داد احتمال اینکه قمرهای هر دو سیاره از دوره‌های ناپایداری شدید جان سالم به در برده باشند، کمتر از ۱۵ درصد است.
• برخی از موفق‌ترین شبیه‌سازی‌ها شامل حضور یک یا چند غول یخی اضافی بود که در نهایت یکی از آن‌ها از منظومه شمسی بیرون افتاد.

امروزه منظومه شمسی هشت سیاره دارد، اما برخی مدل‌های رایج شکل‌گیری و تحول آن از سال‌ها پیش این احتمال را مطرح کرده‌اند که در گذشته دور، سیاره غول‌پیکر دیگری نیز در منظومه ما وجود داشته و بعدها به فضای میان‌ستاره‌ای پرتاب شده است. اکنون پژوهشی جدید نشان می‌دهد این سناریو شاید بتواند برخی از ویژگی‌های عجیب منظومه شمسی، از جمله بقای قمرهای اورانوس و مشتری را بهتر توضیح دهد.

دانشمندان با استفاده از هزاران ساعت شبیه‌سازی ابررایانه‌ای، یکی از پرآشوب‌ترین دوره‌های تاریخ منظومه شمسی را بررسی کرده‌اند؛ دورانی که احتمالاً درجریان آن سیارات غول‌پیکر از جایگاه‌های اولیه خود جابه‌جا شدند و به مدارهای کنونی رسیدند. نتایج این بررسی نشان می‌دهد که شاید در جریان این آشفتگی‌ها، سیاره غول‌پیکر پنجم به طور کامل از منظومه شمسی بیرون رانده شده باشد.

مدت‌ها تصور می‌شد سیارات از ابتدا در مکان‌های فعلی خود قرار داشته‌اند. اما با پیشرفت دانش اخترشناسی مشخص شد منظومه شمسی حدود ۴٫۶ میلیارد سال پیش از قرص عظیم گاز و غباری موسوم به «قرص پیش‌سیاره‌ای» شکل گرفته است. در چنین قرصی، ذرات کوچک به تدریج به یکدیگر چسبیده و اجرام بزرگ‌تری را ساخته‌اند که سرانجام به سیارات امروزی تبدیل شده‌اند.

بااین‌حال، توضیح اینکه چگونه سیارات به موقعیت‌های کنونی خود رسیده‌اند کار ساده‌ای نیست. برای پاسخ به این پرسش، پژوهشگران در دو دهه گذشته مدل‌های مختلفی را توسعه داده‌اند. یکی از موفق‌ترین آن‌ها، مدل نیس است که سال ۲۰۰۵ توسط گروهی از دانشمندان در شهر نیس فرانسه ارائه شد.

براساس مدل نیس، سیارات غول‌پیکر منظومه شمسی در آغاز در جایگاه‌های امروزی خود قرار نداشتند. در این سناریو، اورانوس و نپتون در فاصله‌ای نزدیک‌تر به خورشید شکل گرفته بودند و بعدها در نتیجه برهم‌کنش‌های گرانشی میان سیارات، به مدارهای فعلی خود رانده شدند.

در مدل نیس، رویداد کلیدی زمانی رخ داد که مشتری و زحل وارد «تشدید مداری» یا «رزونانس» ۲ به ۱ شدند. به زبان ساده، مشتری در مدت زمانی که زحل یک بار به دور خورشید می‌چرخد، دو بار گردش خود را کامل می‌کرد. این وضعیت باعث بی‌ثباتی گرانشی در سراسر منظومه شد و مدار بسیاری از اجرام را تغییر داد.

با وجود این موفقیت‌ها، هنوز پرسش‌های مهمی باقی مانده است. یکی از این پرسش‌ها به قمرهای نامنظم سیارات غول‌پیکر مربوط می‌شود.

اقمار نامنظم اجرامی هستند که برخلاف اقمار بزرگ و اصلی، مدارهایی بسیار کشیده، مایل یا حتی گاهی معکوس دارند. اخترشناسان معتقدند این قمرها احتمالاً در محل فعلی خود شکل نگرفته‌اند، بلکه در گذشته به دام گرانش سیارات افتاده‌اند. مشتری، نپتون و اورانوس هر کدام تعداد زیادی از این قمرها را در اختیار دارند.

در مدل‌های قدیمی که سیارات را از ابتدا در موقعیت فعلی‌شان قرار می‌دادند، توضیح شکل‌گیری این قمرها دشوار بود. اما مدل نیس با در نظر گرفتن آشفتگی‌های اولیه منظومه شمسی، امکان به دام افتادن چنین اجرامی را فراهم می‌کند. در این سناریو، برخوردهای نزدیک میان سیارات غول‌پیکر و همچنین پراکنده‌شدن خرده‌سیاره‌ها و اجرام کوچک باعث تغییر شدید مدارها شده و برخی اجرام سرانجام به عنوان قمر اسیر گرانش سیارات می‌شوند.

در پژوهش جدید، دانشمندان تلاش کردند بررسی کنند کدام سناریوهای منظومه شمسی اولیه می‌توانند وجود سامانه‌های قمری مشتری و اورانوس را به شکل امروزی توضیح دهند. در میان سناریوهای مورد بررسی، مدل‌هایی نیز وجود داشت که حضور یک یا چند غول یخی اضافی را در گذشته منظومه شمسی فرض می‌کردند.

غول‌های یخی به سیاراتی مانند اورانوس و نپتون گفته می‌شود که بخش عمده جرم آن‌ها از موادی سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. برخی پژوهشگران سال‌هاست احتمال می‌دهند در مراحل آغازین شکل‌گیری منظومه شمسی، تعداد این سیارات بیش از دو عدد بوده و یکی از آن‌ها در اثر آشفتگی‌های گرانشی به بیرون از منظومه پرتاب شده است.

پژوهشگران در مجموع ۱۲۲ سناریوی مختلف را که از نظر دینامیکی امکان‌پذیر به نظر می‌رسیدند شبیه‌سازی کردند. نتایج نشان داد تنها تعداد بسیار کمی از این سناریوها قادرند سامانه‌های قمری مشتری و اورانوس را به شکلی حفظ کنند که با وضعیت کنونی آن‌ها سازگار باشد.

به گفته پژوهشگران، احتمال بقای قمرهای هر دو سیاره کمتر از ۱۵ درصد است. حتی در میان تمام شبیه‌سازی‌های انجام‌شده فقط یک مورد یافت شد که در آن قمرهای بزرگ مشتری و اورانوس توانستند هم‌زمان از یک دوره ناپایداری مشترک جان سالم به در ببرند.

این یافته از یک سو نشان می‌دهد مدل نیس همچنان بسیاری از ویژگی‌های منظومه شمسی را به خوبی توضیح می‌دهد، اما از سوی دیگر آشکار می‌کند که همین ناپایداری‌های مورد نیاز برای موفقیت مدل، در اغلب موارد برای سامانه‌های قمری بسیار مخرب هستند.

یکی از نتایج جالب مطالعه آن است که شرایط مناسب برای بقای قمرهای مشتری و اورانوس الزاماً یکسان نیست. شبیه‌سازی‌ها نشان دادند قمرهای مشتری بیشتر در سناریوهایی دوام می‌آورند که دو غول یخی کوچک اضافی در منظومه حضور داشته باشند. در مقابل، بقای سامانه قمری اورانوس در سناریوهایی محتمل‌تر است که تنها یک سیاره اضافی بزرگ‌تر وجود داشته باشد.

پژوهشگران همچنین دریافتند اگر اورانوس در جریان این آشفتگی‌ها از فاصله نزدیک با غول یخی دیگری مواجه شود، سامانه قمری آن نابود خواهد شد. به همین دلیل توضیح هم‌زمان وضعیت فعلی قمرهای مشتری و اورانوس بسیار دشوار است.

به همین دلیل پژوهشگران چند توضیح جایگزین را نیز مطرح کرده‌اند. در یکی از این سناریوها، سامانه قمری اورانوس در طول تاریخ خود دو بار دچار بی‌ثباتی شده است. نخستین رویداد احتمالاً با همان برخورد عظیمی مرتبط بوده که موجب کج‌شدن شدید محور چرخش اورانوس شده است. امروزه محور چرخش این سیاره تقریباً ۹۸ درجه نسبت به صفحه مدارش انحراف دارد و عملاً به پهلو به دور خورشید می‌چرخد؛ ویژگی منحصربه‌فردی که احتمالاً نتیجه برخوردی سهمگین در گذشته دور است.

در سناریوی دوم، بی‌ثباتی دیگری در دوره آشفتگی پیش‌بینی‌شده توسط مدل نیس رخ داده است. احتمال دیگر نیز این است که اورانوس برخلاف سایر سیارات غول‌پیکر هرگز برخورد یا گذر نزدیکی با دیگر سیارات بزرگ نداشته و به شکلی نسبتاً استثنایی از آن دوره پرآشوب جان سالم به در برده باشد.

پژوهشگران در پایان تأکید می‌کنند که نتایج مطالعه نشان می‌دهد بعید است سامانه‌های قمری اولیه سیارات غول‌پیکر کاملاً از پیامدهای برخوردها و آشفتگی‌های مداری در امان مانده باشند. به اعتقاد آن‌ها، یافته‌ها می‌تواند انگیزه‌ای برای انجام پژوهش‌های بیشتر درباره تأثیر ناپایداری‌های دینامیکی بر قمرهای سیارات غول‌پیکر و همچنین بررسی دقیق‌تر نسخه‌های مختلف مدل نیس باشد.

پژوهش به صورت پیش‌چاپ در پایگاه arXiv منتشر شده است.