يميل ميل أورانوس بشكل أساسي إلى كوكب يدور حول الشمس على جانبها ، محور دورانها تقريبًا يشير إلى الشمس.
(الصورة: © NASA and Erich Karkoschka، U. of Arizona)
على الرغم من أن الكواكب تحيط بالنجوم في المجرة ، إلا أن كيفية تشكلها تظل موضوعًا للنقاش. على الرغم من ثروة العوالم في نظامنا الشمسي ، لا يزال العلماء غير متأكدين من كيفية بناء الكواكب. حاليا ، هناك نظريتان تبرزان دور البطل.
يعمل التراكم الأساسي الأول والأكثر قبولًا على نطاق واسع بشكل جيد مع تكوين الكواكب الأرضية ولكنه يعاني من مشاكل مع الكواكب العملاقة مثل أورانوس. والثاني ، طريقة عدم استقرار القرص ، قد يفسر إنشاء كواكب عملاقة.
كتب الباحثان Renata Frelikh و Ruth Murray-Clay في ورقة بحثية "ما يفصل عمالقة الجليد عن عمالقة الغاز هو تاريخ تكوينهم: خلال النمو الأساسي ، لم يتجاوز الأول [الكتلة الحرجة] في قرص غاز ممتلئ".
نموذج التراكم الأساسي
قبل حوالي 4.6 مليار سنة ، كان النظام الشمسي عبارة عن سحابة من الغبار والغاز تُعرف باسم السديم الشمسي. انهارت الجاذبية المادة على نفسها عندما بدأت تدور ، لتشكل الشمس في وسط السديم.
مع شروق الشمس ، بدأت المواد المتبقية في التكتل معًا. اجتمعت الجسيمات الصغيرة معًا ، مقيدًا بقوة الجاذبية ، في جسيمات أكبر. جرفت الرياح الشمسية عناصر أخف ، مثل الهيدروجين والهيليوم ، من المناطق القريبة ، تاركة فقط المواد الصخرية الثقيلة لخلق عوالم أرضية. لكن بعيدًا ، كان للرياح الشمسية تأثير أقل على العناصر الأخف ، مما سمح لها بالتجمع في عمالقة الغاز مثل أورانوس. بهذه الطريقة ، تم إنشاء الكويكبات والمذنبات والكواكب والأقمار.
على عكس معظم عمالقة الغاز ، فإن أورانوس لديه نواة صخرية بدلاً من غازية. من المحتمل أن يكون اللب قد تشكل أولاً ، ثم جمع الهيدروجين والهيليوم والميثان اللذين يشكلان الغلاف الجوي للكوكب. تدفع الحرارة من القلب درجة حرارة أورانوس وطقسها ، متغلبين على الحرارة القادمة من الشمس البعيدة ، والتي تبعد حوالي 2 مليار ميل.
يبدو أن بعض ملاحظات الكواكب الخارجية تؤكد على التراكم الأساسي كعملية تكوين سائدة. النجوم التي تحتوي على "معادن" أكثر - مصطلح يستخدمه علماء الفلك لعناصر أخرى غير الهيدروجين والهيليوم - في قلوبهم تحتوي على كواكب أكثر عمقًا من أبناء عمومتهم المعدمين. وفقًا لوكالة ناسا ، يشير التراكم الأساسي إلى أن العوالم الصخرية الصغيرة يجب أن تكون أكثر شيوعًا من عمالقة الغاز الأكثر ضخامة.
إن اكتشاف 2005 لكوكب عملاق بقلب ضخم يدور حول النجم الشبيه بالشمس HD 149026 هو مثال على كوكب خارجي ساعد على تقوية قضية التراكم الأساسي.
وقال جريج هنري في بيان صحفي "هذا تأكيد لنظرية التراكم الأساسية لتكوين الكوكب ودليل على أن الكواكب من هذا النوع يجب أن تكون موجودة بكثرة". اكتشف هنري ، عالم الفلك في جامعة ولاية تينيسي ، ناشفيل ، تعتيم النجم.
في عام 2017 ، تخطط وكالة الفضاء الأوروبية لإطلاق القمر الصناعي المميز للكواكب الخارجية (CHEOPS) ، والذي سيدرس الكواكب الخارجية التي تتراوح أحجامها من الأرض الفائقة إلى نبتون. قد تساعد دراسة هذه العوالم البعيدة في تحديد كيفية تشكل الكواكب في النظام الشمسي.
قال فريق CHEOPS "في سيناريو التراكم الأساسي ، يجب أن يصل لب الكوكب إلى كتلة حرجة قبل أن يتمكن من تراكم الغاز بطريقة هاربة". "تعتمد هذه الكتلة الحرجة على العديد من المتغيرات الفيزيائية ، ومن أهمها معدل تراكم الكواكب".
من خلال دراسة كيفية تراكم الكواكب المتنامية في المواد ، سيوفر CHEOPS نظرة ثاقبة حول كيفية نمو العوالم.
نموذج عدم استقرار القرص
لكن الحاجة إلى تكوين سريع لكواكب الغاز العملاقة هي إحدى مشاكل التراكم الأساسي. وفقًا للنماذج ، تستغرق العملية عدة ملايين من السنين ، أطول من الغازات الخفيفة المتوفرة في النظام الشمسي المبكر. في الوقت نفسه ، يواجه نموذج التراكم الأساسي مشكلة هجرة ، حيث من المرجح أن تدور الكواكب الصغيرة في الشمس في فترة زمنية قصيرة.
وقال كيفن والش ، الباحث في معهد ساوث ويست للأبحاث في بولدر بولاية كولورادو لموقع Space.com: "تتشكل الكواكب العملاقة بسرعة كبيرة ، خلال بضعة ملايين من السنين". "هذا يخلق حدًا زمنيًا لأن قرص الغاز حول الشمس يدوم فقط من 4 إلى 5 ملايين سنة."
وفقًا لنظرية جديدة نسبيًا ، فإن عدم استقرار القرص وكتل الغبار والغاز مرتبطة ببعضها البعض في وقت مبكر من عمر النظام الشمسي. بمرور الوقت ، تتراكم هذه التكتلات ببطء في كوكب عملاق. يمكن أن تتشكل هذه الكواكب بشكل أسرع من منافسات تراكمها الأساسية ، وأحيانًا في أقل من ألف عام ، مما يسمح لها باحتجاز الغازات الأخف وزناً بسرعة. كما أنها تصل بسرعة إلى كتلة استقرار المدار التي تمنعهم من السير في الموت إلى الشمس.
بينما يواصل العلماء دراسة الكواكب داخل النظام الشمسي ، وكذلك حول النجوم الأخرى ، سيفهمون بشكل أفضل كيف تشكل أورانوس وإخوته.
تراكم الحصى
إن التحدي الأكبر للتراكم الأساسي هو الوقت - بناء عمالقة الغاز الضخمة بسرعة كافية لانتزاع المكونات الأخف من الغلاف الجوي. بحث حديث عن كيفية اندماج الأجسام الأصغر حجمًا والحصى معًا لبناء كواكب عملاقة أسرع 1000 مرة من الدراسات السابقة.
"هذا هو النموذج الأول الذي نعرفه عن أنك تبدأ ببنية بسيطة جدًا للسديم الشمسي الذي تتشكل منه الكواكب ، وينتهي الأمر بنظام الكواكب العملاقة الذي نراه ،" المؤلف الرئيسي للدراسة هارولد ليفيسون ، عالم الفلك في معهد الجنوب الغربي للأبحاث (SwRI) في كولورادو ، أخبر Space.com في عام 2015.
في عام 2012 ، اقترح الباحثان ميشيل لامبرشتس وأندرس جوهانسن من جامعة لوند في السويد أن الحصى الصغيرة ، بمجرد شطبها ، تمسك بمفتاح بناء الكواكب العملاقة بسرعة.
وقال ليفيسون "لقد أظهروا أن الحصى المتبقية من عملية التكوين هذه ، التي كان يعتقد في السابق أنها غير مهمة ، يمكن أن تكون في الواقع حلاً ضخمًا لمشكلة تكوين الكوكب".
بنى ليفيسون وفريقه على هذا البحث لوضع نموذج أكثر دقة للكيفية التي يمكن أن تشكل بها الحصى الصغيرة كواكب شوهدت في المجرة اليوم. في حين أن المحاكاة السابقة ، استهلكت كل من الأجسام الكبيرة والمتوسطة الحجم أبناء عمومتها بحجم الحصاة بمعدل ثابت نسبيًا ، تقترح محاكاة ليفيسون أن الأجسام الأكبر تصرفت مثل المتنمرين ، وانتزاع الحصى من الكتل المتوسطة الحجم لتنمو بسرعة أكبر بكثير معدل.
وقالت كاثرين كريتك ، المؤلفة المشاركة في الدراسة لـ SwRI لموقع Space.com: "تميل الكائنات الأكبر حجمًا الآن إلى تشتيت الأصغر منها أكثر من الأشياء الأصغر التي تبعثرها مرة أخرى ، وبالتالي ينتهي الأمر بالأصغر إلى التخلص من القرص الحصوي". . "الرجل الأكبر يتنمر بشكل أساسي على الأصغر حتى يتمكنوا من أكل كل الحصى بأنفسهم ، ويمكنهم الاستمرار في النمو لتشكيل نوى الكواكب العملاقة."
من المرجح أن يعمل تراكم الحصى على الكواكب العملاقة أكثر من العوالم الأرضية. ووفقًا لشون ريمون ، من جامعة بوردو الفرنسية ، يرجع ذلك إلى أن "الحصى" أكبر قليلاً وأسهل بكثير في التمسك بخط الثلج ، الخط الخيالي حيث يكون الغاز باردًا بما يكفي ليصبح جليدًا.
قال ريمون لموقع Space.com: "بالنسبة للحصى ، من الأفضل بالتأكيد تجاوز خط الثلج".
بينما يعمل تراكم الحصى بشكل جيد مع عمالقة الغاز ، هناك بعض التحديات أمام عمالقة الجليد. ذلك لأن الجزيئات بحجم المليمتر إلى السنتيمتر تتراكم بكفاءة عالية.
وكتب فريليخ وموراي كلاي: "يتراكمان بسرعة كبيرة بحيث يصعب على نوى الجليد العملاقة أن تكون كتلة كتلتها الأساسية الحالية تقريبًا لجزء كبير من عمر القرص أثناء تراكم غلاف غاز".
"لتجنب الهرب ، يجب عليهم بالتالي إكمال نموهم في وقت محدد ، عندما يكون قرص الغاز مستنفدًا جزئيًا ، ولكن ليس بالكامل".
اقترح الزوج أن غالبية تراكم الغاز على نوى أورانوس ونبتون تزامنت مع تحركهما بعيدًا عن الشمس. ولكن ما الذي يمكن أن يجعلهم يغيرون منازلهم في النظام الشمسي؟
نموذج جميل
في الأصل ، اعتقد العلماء أن الكواكب تشكلت في نفس الجزء من النظام الشمسي الذي تعيش فيه اليوم. هز اكتشاف الكواكب الخارجية الأشياء ، وكشف أن بعض الأجسام الضخمة على الأقل يمكن أن تهاجر.
في عام 2005 ، اقترحت مجموعة من الأوراق المنشورة في مجلة Nature أن أورانوس والكواكب العملاقة الأخرى كانت مقيدة في مدارات شبه دائرية أصغر بكثير مما هي عليه اليوم. أحاط بها قرص كبير من الصخور والجليد ، يمتد إلى حوالي 35 ضعف المسافة بين الأرض والشمس ، خارج مدار نبتون الحالي. أطلقوا على هذا النموذج الجميل ، بعد المدينة في فرنسا حيث ناقشوه لأول مرة. (هذا واضح نيز.)
عندما تتفاعل الكواكب مع الأجسام الصغيرة ، تشتت معظمها باتجاه الشمس. تسببت هذه العملية في تبادل الطاقة مع الكائنات ، مما أدى إلى إرسال زحل ونبتون وأورانوس إلى النظام الشمسي. في نهاية المطاف ، وصلت الأجسام الصغيرة إلى المشتري ، مما جعلها تحلق إلى حافة النظام الشمسي أو خارجها تمامًا.
دفعت الحركة بين المشتري وزحل أورانوس ونبتون إلى مدارات أكثر غريب الأطوار ، مما أدى إلى إرسال الزوج من خلال قرص الجليد المتبقي. تم دفع بعض المواد إلى الداخل ، حيث تحطمت في الكواكب الأرضية خلال القصف العنيف المتأخر. تم رمي مواد أخرى إلى الخارج ، مما أدى إلى إنشاء حزام كويبر.
عندما تحركوا ببطء إلى الخارج ، تم تداول نبتون وأورانوس في الأماكن. في نهاية المطاف ، تسببت التفاعلات مع الحطام المتبقي في استقرار الزوج في مسارات دائرية أكثر عندما وصلوا إلى المسافة الحالية من الشمس.
على طول الطريق ، من الممكن طرد واحد أو حتى كوكبين آخرين خارج النظام. قام الفلكي ديفيد نيسفورني من معهد ساوثويست للأبحاث في كولورادو بوضع نموذج للنظام الشمسي المبكر بحثًا عن أدلة يمكن أن تؤدي إلى فهم تاريخه المبكر.
وقال نيسفورني لموقع Space.com: "في الأيام الأولى ، كان النظام الشمسي مختلفًا جدًا ، مع وجود عدد أكبر من الكواكب ، ربما يكون حجمه كبيرًا مثل نبتون ، ويتشكل وينتشر في أماكن مختلفة".
شباب خطير
كان النظام الشمسي المبكر وقت الاصطدامات العنيفة ، ولم يكن أورانوس معفيًا. في حين أن سطح القمر وعطارد كلاهما يظهران دليلاً على القصف بواسطة الصخور الصغيرة والكويكبات ، يبدو أن أورانوس عانى من اصطدام كبير مع كوكب أولي بحجم الأرض. ونتيجة لذلك ، يميل أورانوس على جانبه ، مع وجود عمود واحد يشير إلى الشمس لمدة نصف عام.
أورانوس هو أكبر عمالقة الجليد ، ربما جزئيًا لأنه فقد بعض كتلته أثناء الارتطام.
