سيارات فراخورشيدي

پاسخ : سيارات فراخورشيدي

نخستين فرضيات در مورد چگونگي پيدايش سيارات ريشه در افسانه‌ها و داستان‌هاي قومي و قبيله‌اي در ساليان ماقبل تاريخ دارد. به‌علاوه، تقريبا تمامي اديان و آيين‌هاي مذهبي نيز اشاراتي به نحوه خلقت آسمان‌ها و زمين داشته‌اند. اما قرن‌ها بعد، رياضي‌دانان و منجماني همچون کوپرنيک، گاليله و کپلر نخستين افرادي بودند که به جستجو در مورد دلايل علمي پديده‌هاي طبيعي از جمله حرکت اجرام سماوي پرداختند.
نخستين فرضيه علمي در مورد منشا پيدايش زمين توسط فيلسوف و رياضي‌دان فرانسوي، رنه دکارت (1650-1596 م) ارائه شد. اما از آنجا که در زمان دکارت هنوز نيوتون و نظريه گرانش وي پا به عرصه وجود نگذاشته بودند، وي در ارائه فرضيه خود هيچ جايي براي نيروي گرانش به عنوان يکي از عوامل اصلي پيدايش سيارات نگذاشته بود. دکارت معتقد بود نيرو از طريق تماس اجسام با يکديگر از جسمي به جسم ديگر منتقل مي‌شود و جهان از ذراتي که مانند گردابي در حال چرخش هستند تشکيل شده است.
دکارت در فرضيه خود که در سال 1644 ميلادي ارائه کرد عنوان داشت خورشيد و سيارات در اثر انقباض و تراکم يکي از همين گرداب‌ها که به طور طبيعي در جهان وجود دارند، تشکيل شده‌اند. درست يک قرن بعد و در سال 1745، دانشمند فرانسوي، جرج لوييس د. بوفون (1788-1707) فرضيه ديگري را مطرح کرد که بر اساس آن سيارات به دنبال تصادم ستاره‌اي که از نزديکي خورشيد عبور مي‌کرد با آن به وجود آمده‌اند. وي معتقد بود اين برخورد سهمگين آسماني موجب جدا شدن تکه‌هاي گازي از هر دو ستاره و تشکيل سيارات در منظومه خورشيدي شده که سپس هر يک در مدارهايي به دور خورشيد قرار گرفتند.
طي دو قرن بعد، اين فرضيه هر چند سال يک بار توسط دانشمندان زمان طرح مي‌شد و به تناوب مورد تاييد قرار مي‌گرفت يا به کلي مردود مي‌گشت. اما فرضيه بوفون مشکلات فراواني داشت: اندازه ستارگان در مقايسه با فواصل ميان آنها بسيار ناچيز است و بنابراين تصادم آنها با يکديگر امري بسيار نادر است. بر اساس مطالعات کيهان‌شناسان، از هنگام شکل‌گيري کهکشان ما در بيش از 10 ميليارد سال پيش تا کنون، تعداد ستارگاني که با يکديگر برخورد کرده‌اند شايد از تعداد انگشتان يک دست نيز کمتر باشد. از سوي ديگر، ذرات گاز و غباري که بر اساس نظريه بوفون در اين تصادم از خورشيد و ستاره مهاجم جدا شده بودند آنقدر داغ و با حرارت بالا بودند که امکان تراکم آنها و تشکيل سيارات را به حداقل مي‌رساند. با همه اين اوصاف، اگر هم سيارات مي‌توانستند بر اساس اين فرضيه تشکيل شوند، هرگز نمي‌توانستند در مدارهاي پايداري به دور خورشيد قرار گيرند.
فرضياتي که توسط دکارت و بوفون ارائه شدند، دو تفاوت عمده با يکديگر دارند و آن ماهيت آنهاست. فرضيه دکارت، فرضيه‌اي تکاملي است که در آن خورشيد و سيارات به تدريج و در فرايندي تکاملي به وجود آمده‌اند. اگر فرضيه وي صحيح باشد، ستارگاني که در اطراف آنها سياراتي وجود دارند بايد در جهان به وفور يافت شوند. از طرف ديگر، فرضيه ارائه شده توسط بوفون اتفاقي است که بر اساس آن سيارات به طور تصادفي و در اثر يک اتفاق به وجود مي‌آيند. بنابر اين فرضيه، منظومه‌هاي خورشيدي بايد بسيار نادر باشند.
گرچه فرضيه‌هاي دکارت و بوفون امروزه مردود اعلام شده‌اند، اما زحمات اين دو دانشمند در معطوف ساختن افکار ساير دانشمندان به چگونگي پيدايش سيارات را نبايد ناديده گرفت.
نظرياتي که در حال حاضر در مورد پيدايش سيارات مورد قبول دانشمندان هستند گرچه با دو فرضيه فوق بسيار متفاوتند اما مي‌توان گفت تا حدي تلفيقي از اين دو فرضيه‌اند چرا که غالبا نظرياتي تکاملي همراه با وقوع وقايعي تصادفي و نادر هستند.
ريشه‌هاي نظريه کنوني پيدايش سيارات که در ادامه به آن مي‌پردازيم را بايد نتيجه تحقيقات منجم و رياضي‌دان فرانسوي، پير سيمون د.لاپلاس دانست. در سال 1796 وي با تلفيق فرضيه دکارت و قوانين گرانش نيوتون موفق به ارائه مدلي شد که بر اساس آن ابري از ماده در حال چرخش که بر روي نيروي گرانش خود در حال تراکم و مسطح شدن به شکل قرصي از گاز بود را به تصوير کشيد و به اين ترتيب پايه‌هاي نظريه کنوني را بنا نهاد.
در مدلي که لاپلاس از پيدايش سيارات ارائه کرده بود، بنابر اصل پايداري اندازه حرکت زاويه‌اي، هرچه اين قرص چرخان گازي کوچک‌تر مي‌شود، سرعت چرخش آن بيشتر مي‌شود. وي معتقد بود هنگامي که اين قرص چرخان به بيشترين سرعت خود مي‌رسد، شروع به برون‌پاشي لايه‌هاي خارجي خود مي‌کند که اين لايه‌ها سرانجام تشکيل حلقه‌هايي از ماده مي‌دهند. اين فرايند آنقدر ادامه مي‌يابد که حلقه‌هاي متعددي در فواصل مختلف تشکيل مي‌شوند و در نهايت با متراکم شدن مواد تشکيل دهنده آن حلقه‌ها، سياراتي تشکيل مي‌شوند که همگي به دور خورشيدي که در مرکز اين قرص گازي متولد شده است، در حال چرخشند. اين مدل که به نظريه سحابي مشهور است بعدها با اندک تغييراتي مورد قبول اکثر دانشمندان قرار گرفت.
يکي از اشکالات عمده مدل لاپلاس اين بود که خورشيد به عنوان مرکز ابري که موجب تشکيل آن و سيارات اطرافش شد داراي بيشترين اندازه حرکت زاويه‌اي بود، حال آنکه بعدها و پس از مطالعه اوليه سيارات و خورشيد، دانشمندان دريافتند سيارات منظومه شمسي بيشترين اندازه حرکت زاويه‌اي منظومه را دارا هستند. از آنجا که فرضيه سحابي لاپلاس در توجيه مشکل اندازه حرکت زاويه‌اي اجرام منظومه شمسي با شکست رو به رو شد، توجه دانشمندان در طي يک قرن پس از آن مجددا به نظريه بوفون معطوف شد.

 

پاسخ : سيارات فراخورشيدي

امروزه مي‌دانيم عناصر سنگيني که جهان ما از آنها ساخته شده در دل ستاره‌ها به وجود مي‌آيند. از سوي ديگر آخرين نظريه علمي که مورد قبول اغلب اخترشناسان نيز هست، پيدايش سيارات را نتيجه فرايندهاي گرانشي هنگام تولد ستارگان مي‌داند. بر اساس اين نظريه، که نظريه سحابي خورشيدي ناميده مي‌شود، سيارات از قرصي از گاز و غبار که در اطراف ستاره‌اي در حال تولد به وجود مي‌آيد، پديد مي‌آيند.
هنگامي که ذرات گاز و غبار ميان‌ستاره‌اي در مکان‌هايي از کهکشان، مانند بازوهاي کهکشان‌هاي مارپيچي از جمله کهکشان راه شيري، در اثر نيروي گرانش متراکم مي‌شوند، ستاره‌اي در مرکز اين ابر متولد مي‌شود. اين ستاره در تمام مراحل تکامل خود توسط ابري از غبار احاطه شده که چرخش ذرات موجود در آن سبب مي‌شود قرصي چرخان از غبار در اطراف ستاره در حال تولد تشکيل شود. سرانجام فشار لايه‌هاي مختلف گازي ستاره سبب بالا رفتن دماي مرکز آن و آغاز همجوشي هسته‌اي شده، دماي سطحي ستاره به سرعت بالا مي‌رود. اين امر سبب مي‌شود لايه‌هاي غبار که در اطراف ستاره قرصي چرخان تشکيل داده بودند توسط جريان فوتون‌هاي پر انرژي که موفق به فرار از سطح ستاره شده بودند پراکنده شوند.
بر اساس نظريه سحابي خورشيدي، سيارات درون همين قرص چرخان در اطراف ستارگان جوان به وجود مي‌آيند. مشاهداتي که در طول موج‌هاي مختلف به خصوص طول موج فروسرخ انجام گرفته نيز نشان مي‌دهند ستارگان جوان پس از آغاز همجوشي هسته‌اي در مرکز خود با سرعتي حدود 200 کيلومتر بر ثانيه اين قرص‌هاي چرخان را از خود رانده، به اطراف پراکنده مي‌کنند. فناوري جديد حتي به دانشمندان امکان مشاهده و عکس‌برداري از قرص‌هاي چرخان غبار در اطراف ستارگان در حال تولد را مي‌دهد.
منظومه شمسي ما نيز به احتمال فراوان در چنين فرايندي به وجود آمده است.‌ هنگامي که خورشيد در اثر تراکم غبار ميان‌ستاره‌اي به وجود آمد و فرايند همجوشي هسته‌اي خود را حدود 7/4 ميليارد سال پيش آغاز کرد، فوران فوتون‌ها و ذرات باردار از سطح آن توسط بادهاي خورشيدي سبب پراکنده شدن قرص غبار اطرافش شد. پس از پراکنده شدن اين قرص چرخان، آنچه باقي ماند مجموعه‌اي از کرات خاکي و گازي در مدارهايي به دور خورشيد بود که آنها را سياره مي‌ناميم.

شکل 9 - مراحل مختلف تشکيل سيارات بر اساس نظريه سحابي خورشيدي ​

 

پاسخ : سيارات فراخورشيدي

درست مانند نظريه‌اي که لاپلاس از پيدايش منظومه شمسي ارائه داده بود، نظريه سحابي خورشيدي نيز با اشکال بزرگي رو به رو است که آن پايين بودن سرعت حرکت زاويه‌اي خورشيد در مقايسه با سيارات است. براي درک چنين مساله به ظاهر نامتعارفي بايد بررسي کنيم چه چيز موجب کند شدن سرعت چرخش خورشيد شده است؟

مي دانيم خورشيد در هر ثانيه حدود 6/4 ميليون تن از جرم خود را به واسطه همجوشي هسته‌اي از دست مي‌دهد. اين ميزان جرم تبديل به انرژي شده که ما آن را به صورت نور و گرما احساس مي‌کنيم. بر اساس قانون پايداري اندازه حرکت زاويه‌اي، کاهش جرم يک جسم به معناي کند شدن سرعت حرکت زاويه‌اي آن است. بعلاوه، ميدان مغناطيسي قوي خورشيد تاثير بسزايي در کاهش سرعت چرخش آن دارد.
يکي از راه‌هايي که از طريق آن مي‌توان نظريه پيدايش سيارات منظومه شمسي در ابرهاي گازي اطراف خورشيد را تا حد زيادي اثبات کرد، بررسي شباهت‌هاي سيارات منظومه خورشيدي ما با يکديگر است - چرا که اگر تمامي سيارات از يک ابر غبار در اطراف خورشيد به وجود آمده باشند، به طور طبيعي بايد داراي ويژگي‌هاي مشترکي نيز باشند.

​

تمامي سيارات منظومه شمسي تقريبا در يک صفحه مداري به دور خورشيد مي‌گردند. به استثناي عطارد که صفحه مداري آن با صفحه مداري زمين يا دايره‌‌البروج زاويه‌اي معادل تقريبي ˚7 مي‌سازد، تمايل صفحات مداري ساير سيارات منظومه شمسي نسبت به صفحه مداري زمين، کمتر از ˚4/3 است. اين بدان معناست که اگر به منظومه شمسي از پهلو نگاه کنيم ظاهري شبيه به يک صفحه تخت دارد.
​

شکل 10 - سيارات منظومه خورشيدي ما تقريبا همه در يک صفحه مداري قرار گرفته‌اند​

زوايايي که محور گردش سيارات به دور خود با صفحه مدار زمين مي‌سازند نيز اختلاف چنداني با يکديگر ندارند. انحراف محور سيارات منظومه شمسي به اين صفحه کمتر از ˚30 است. انحراف محور خورشيد نيز نسبت به صفحه دايره‌‌البروج ˚25/7 است.

راستاي حرکت وضعي (گردش سياره به دور خود که موجب پيدايش شب و روز مي‌شود) و حرکت انتقالي (گردش سياره به دور خورشيد که سبب پيدايش سال مي‌شود) سيارات منظومه شمسي نيز مي‌تواند گواهي بر نظريه سحابي خورشيدي باشد. اگر از نقطه‌اي در بالاي قطب شمال زمين به سيارات بنگريم، تمامي سيارات در جهت خلاف عقربه‌هاي ساعت به دور خورشيد در گردشند و به استثناي زهره و اورانوس، جهت حرکت وضعي ساير سيارات نيز عکس جهت عقربه‌هاي ساعت است. برخي سياره‌شناسان معتقدند علت اين ناهماهنگي در زهره و اورانوس مي‌تواند برخورد سهمگين يک جرم سماوي با اين دو سياره در سال‌هاي آغازين پيدايش منظومه شمسي باشد، گرچه صحت اين فرضيه هنوز به اثبات نرسيده است.

سه دليل فوق، يعني قرار گرفتن تمامي سيارات در يک صفحه مداري، راستاي چرخش آنها به دور خود (به استثناي زهره و اورانوس)، و جهت گردش آنها به دور خورشيد از مهم‌ترين دلايلي هستند که نشان مي‌دهند منشا پيدايش تمامي سيارات منظومه شمسي يکسان و به نوعي مرتبط با پيدايش خورشيد بوده است. علاوه بر اين، دانشمندان به کمک محاسبه نيمه عمر مواد راديواکتيو موجود در زمين، ماه، مريخ و شهاب‌سنگ‌ها دريافتند اجرام منظومه شمسي بين 3/4 تا 8/4 ميليارد سال عمر دارند که همزماني تولد آنها را نشان مي‌دهد. اين شباهت‌ها و هماهنگي ميان اجزاي منظومه خورشيدي، مهم‌ترين دليل اثبات نظريه سحابي خورشيدي است. علاوه بر اين، فناوري جديد تصاويري از ستاره‌هاي در حال تولد شکار کرده است که ابري از غبار در حال تراکم را در اطراف آنها نشان مي‌دهد که محل تولد سيارات آن منظومه محسوب مي‌شود.
​

​

شکل 11 - دو تصوير در طول موج‌هاي مختلف که توسط تلسکوپ فضايي هابل از قرص گازي اطراف ستاره‌اي در حال تولد در سحابي خرچنگ در فاصله 1500 سال نوري از زمين گرفته شده‌است (عکس از ناسا) چنانچه نظريه سحابي خورشيدي صحيح باشد، سيارات در جهان ما بايد به وفور يافت شوند، چرا که اغلب ستارگان در مرکز قرص‌هايي از غبار که محل تولد سيارات است، تشکيل مي‌شوند. کشف سيارات فراخورشيدي گامي مهم در اثبات اين نظريه تا‌کنون بوده است.منبع: دانشنامه فضايي