Skip to main content
Global

11.1: استكشاف الكواكب الخارجية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197369

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

    • قدم نظرة عامة على تكوين الكواكب العملاقة
    • سجل الاستكشاف الروبوتي للنظام الشمسي الخارجي
    • لخص المهمات المرسلة إلى مدار عمالقة الغاز

    تحمل الكواكب العملاقة معظم الكتلة في نظامنا الكوكبي. يتجاوز المشتري وحده كتلة جميع الكواكب الأخرى مجتمعة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يمكن تقسيم المواد المتاحة لبناء هذه الكواكب إلى ثلاث فئات حسب ما تتكون منه: «الغازات» و «الجليد» و «الصخور» (انظر الجدول\(\PageIndex{1}\)). تتكون «الغازات» بشكل أساسي من الهيدروجين والهيليوم، وهما أكثر العناصر وفرة في الكون. بالطريقة المستخدمة هنا، يشير مصطلح «ices» إلى التركيب فقط وليس ما إذا كانت المادة في حالة صلبة بالفعل. «Ices» تعني المركبات التي تتكون من العناصر التالية الأكثر وفرة: الأكسجين والكربون والنيتروجين. الجليد الشائع هو الماء والميثان والأمونيا، ولكن الجليد قد يشمل أيضًا أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وغيرها. «الصخور» أقل وفرة من الجليد، وتشمل كل شيء آخر: المغنيسيوم والسيليكون والحديد وما إلى ذلك.

    بديل
    الشكل\(\PageIndex{1}\) كوكب المشتري. قامت المركبة الفضائية كاسيني بتصوير كوكب المشتري في طريقه إلى زحل في عام 2012. يمكن رؤية نظام العاصفة العملاقة المسمى Great Red Spot في أسفل اليمين. البقعة المظلمة في أسفل اليسار هي ظل قمر المشتري يوروبا.
    الجدول\(\PageIndex{1}\): الوفرة في النظام الشمسي الخارجي
    نوع المادة اسم النسبة التقريبية (حسب الكتلة)
    الغاز الهيدروجين (H 2) 75
    الغاز هيليوم (He) 24
    الثلج الماء (H 2 O) 0.6
    الثلج الميثان (CH 4) 0.4
    الثلج الأمونيا (NH 3) 0.1
    صخرة المغنيسيوم (ملغ) والحديد (Fe) والسيليكون (Si) 0.3

    في النظام الشمسي الخارجي، تهيمن الغازات على أكبر كوكبين، المشتري وزحل، ومن هنا جاءت تسميتها «عمالقة الغاز». يُطلق على أورانوس ونبتون اسم «عمالقة الجليد» لأن تصميماتهم الداخلية تحتوي على أكثر بكثير من مكون «الجليد» مقارنة بأبناء عمومتهم الأكبر. يهيمن الهيدروجين على الكيمياء لجميع الغلاف الجوي الكوكبي العملاق الأربعة. تسبب هذا الهيدروجين في اختزال كيمياء النظام الشمسي الخارجي، مما يعني أن العناصر الأخرى تميل إلى الاندماج مع الهيدروجين أولاً. في النظام الشمسي المبكر، تم دمج معظم الأكسجين مع الهيدروجين لصنع H 2 O وبالتالي لم يكن متاحًا لتشكيل أنواع المركبات المؤكسدة مع عناصر أخرى مألوفة لنا أكثر في النظام الشمسي الداخلي (مثل CO 2). ونتيجة لذلك، فإن المركبات المكتشفة في الغلاف الجوي للكواكب العملاقة هي في الغالب غازات قائمة على الهيدروجين مثل الميثان (CH 4) والأمونيا (NH 3)، أو الهيدروكربونات الأكثر تعقيدًا (مجموعات من الهيدروجين والكربون) مثل الإيثان (C 2 H 6) والأسيتيلين (C) 2 ساعة 2).

    استكشاف النظام الشمسي الخارجي حتى الآن

    اخترقت ثماني مركبات فضائية، سبع من الولايات المتحدة وواحدة من أوروبا، ما وراء حزام الكويكبات إلى عالم العمالقة. \(\PageIndex{2}\)يلخص الجدول مهام المركبة الفضائية إلى النظام الشمسي الخارجي.

    الجدول\(\PageIndex{2}\): البعثات إلى الكواكب العملاقة
    كوكب مركبة فضائية 1 تاريخ اللقاء النوع
    جوبيتر بايونير 10 ديسمبر 1973 فلايبي
    بايونير 11 ديسمبر 1974 فلايبي
    فويجر 1 مارس 1979 فلايبي
    فويجر 2 يوليو 1979 فلايبي
    أوليسيس فبراير 1992 تقنية فلايبي أثناء مساعدة الجاذبية
    غاليليو ديسمبر 1995 مركبة مدارية ومسبار
    كاسيني ديسمبر 2002 فلايبي
    نيو هورايزونز فبراير 2007 تقنية فلايبي أثناء مساعدة الجاذبية
    جونو يوليو 2016 المداري
    زحل بايونير 11 سبتمبر 1979 فلايبي
    فويجر 1 نوفمبر 1980 فلايبي
    فويجر 2 أغسطس 1981 فلايبي
    كاسيني يوليو 2004 (حقن مدار زحل 2000) المداري
    أورانوس فويجر 2 يناير 1986 فلايبي
    نبتون فويجر 2 أغسطس 1989 فلايبي

    إن تحديات الاستكشاف بعيدًا عن الأرض كبيرة. يتم قياس أوقات الرحلات إلى الكواكب العملاقة من سنوات إلى عقود، بدلاً من الأشهر المطلوبة للوصول إلى كوكب الزهرة أو المريخ. حتى عند سرعة الضوء، تستغرق الرسائل ساعات لتمر بين الأرض والمركبة الفضائية. إذا تطورت مشكلة بالقرب من زحل، على سبيل المثال، فإن الانتظار لساعات حتى يصل المنبه إلى الأرض والتعليمات التي سيتم توجيهها مرة أخرى إلى المركبة الفضائية قد يؤدي إلى كارثة. لذلك يجب أن تكون المركبات الفضائية إلى النظام الشمسي الخارجي موثوقة للغاية وقادرة على درجة أكبر من الاستقلالية والاستقلالية. يجب أن تحمل مهام النظام الشمسي الخارجي أيضًا مصادر الطاقة الخاصة بها لأن الشمس بعيدة جدًا لتوفير طاقة كافية. السخانات مطلوبة للحفاظ على الأجهزة في درجات حرارة التشغيل المناسبة، ويجب أن تحتوي المركبة الفضائية على أجهزة إرسال لاسلكية قوية بما يكفي لإرسال بياناتها إلى أجهزة الاستقبال على الأرض البعيدة.

    كانت أول مركبة فضائية تستكشف المنطقة السابقة للمريخ هي مركبة ناسا بايونيرز 10 و 11، التي تم إطلاقها في عامي 1972 و 1973 كمساربات لكوكب المشتري. كان أحد أهدافهم الرئيسية ببساطة تحديد ما إذا كانت المركبة الفضائية يمكنها بالفعل التنقل عبر حزام الكويكبات التي تقع خارج المريخ دون أن تتعرض للتدمير بسبب الاصطدام بغبار الكويكبات. كان الهدف الآخر هو قياس مخاطر الإشعاع في الغلاف المغناطيسي (أو منطقة التأثير المغناطيسي) لكوكب المشتري. مرت كلتا المركبتين عبر حزام الكويكبات دون وقوع حوادث، لكن الجسيمات النشطة في المجال المغناطيسي لكوكب المشتري كادت تقضي على إلكترونياتها، مما يوفر المعلومات اللازمة للتصميم الآمن للمهام اللاحقة.

    حلقت طائرة بايونير 10 فوق كوكب المشتري في عام 1973، وبعد ذلك انطلقت بسرعة إلى الخارج باتجاه حدود النظام الشمسي. قامت شركة Pioneer 11 بتنفيذ برنامج أكثر طموحًا، باستخدام جاذبية المشتري لاستهداف زحل، الذي وصلت إليه في عام 1979. أطلقت المركبة الفضائية المزدوجة Voyager الموجة التالية من استكشاف الكوكب الخارجي في عام 1977. حمل كل من المسارين 1 و 2 11 جهازًا علميًا، بما في ذلك الكاميرات ومقاييس الطيف، بالإضافة إلى أجهزة لقياس خصائص الغلاف المغناطيسي الكوكبي. نظرًا لأنهم استمروا في الخروج بعد لقاءاتهم الكوكبية، أصبحت هذه الآن أبعد مركبة فضائية أطلقتها البشرية على الإطلاق.

    وصلت فويجر 1 إلى المشتري في عام 1979 واستخدمت مساعدة الجاذبية من ذلك الكوكب لنقلها إلى زحل في عام 1980. وصلت فويجر 2 إلى المشتري بعد أربعة أشهر، لكنها اتبعت مسارًا مختلفًا لزيارة جميع الكواكب الخارجية، حيث وصلت إلى زحل في عام 1981، وأورانوس في عام 1986، ونبتون في عام 1989. أصبح هذا المسار ممكنًا من خلال المحاذاة التقريبية للكواكب الأربعة العملاقة على نفس الجانب من الشمس. مرة واحدة تقريبًا كل 175 عامًا، تكون هذه الكواكب في مثل هذا الوضع، وتسمح لمركبة فضائية واحدة بزيارتها جميعًا باستخدام رحلات جوية مدعومة بالجاذبية لتعديل المسار لكل مواجهة لاحقة؛ أطلق علماء الفلك على هذه المناورة اسم «الجولة الكبرى».

    يحتوي مختبر الدفع النفاث على مقطع فيديو رائع يسمى Voyager: The Grand Tour يصف مهمة Voyager وما وجدته.

    الهندسة وعلوم الفضاء: تعليم مركبة فضائية قديمة حيل جديدة

    في الوقت الذي وصلت فيه Voyager 2 إلى Neptune في عام 1989، أي بعد 12 عامًا من إطلاقها، بدأت المركبة الفضائية في إظهار علامات الشيخوخة. كان الذراع الذي توجد عليه الكاميرا والأدوات الأخرى «مصابًا بالتهاب المفاصل»: لم يعد بإمكانه التحرك بسهولة في جميع الاتجاهات. كان نظام الاتصالات «ضعيفًا في السمع»: توقف جزء من جهاز استقبال الراديو عن العمل. تعرضت «العقول» إلى «فقدان كبير للذاكرة»: فقد فشلت بعض ذاكرة الكمبيوتر الموجودة على متن الطائرة. وبدأت المركبة الفضائية بأكملها في نفاد الطاقة: فقد بدأت مولداتها تظهر عليها علامات تآكل خطيرة.

    لجعل الأمور أكثر صعوبة، كانت مهمة Voyager في Neptune من نواح كثيرة هي الأصعب من بين جميع رحلات الطيران الأربعة. على سبيل المثال، نظرًا لأن ضوء الشمس في نبتون أضعف بـ 900 مرة من الأرض، فقد اضطرت الكاميرا الموجودة على متن الطائرة إلى التعرض لفترات أطول بكثير في هذه البيئة المتعطشة للضوء. كان هذا مطلبًا غير بديهي، نظرًا لأن المركبة الفضائية كانت تندفع من قبل نبتون بسرعة عشرة أضعاف سرعة رصاصة البندقية.

    كان الحل هو تدوير الكاميرا للخلف بالمعدل الذي سيعوض الحركة الأمامية للمركبة الفضائية. كان على المهندسين برمجة كمبيوتر السفينة مسبقًا لتنفيذ سلسلة معقدة للغاية من المناورات لكل صورة. تعد صور Voyager الجميلة لنبتون دليلًا على براعة مهندسي المركبات الفضائية.

    كانت المسافة الهائلة للمركبة من وحدات التحكم الخاصة بها على الأرض تحديًا آخر. تلقت Voyager 2 التعليمات وأعادت بياناتها عبر جهاز إرسال لاسلكي على متن الطائرة. تبلغ المسافة من الأرض إلى نبتون حوالي 4.8 مليار كيلومتر. على مدى هذه المسافة الشاسعة، كانت الطاقة التي وصلتنا من Voyager 2 في Neptune حوالي 10-16 واط، أو 20 مليار مرة أقل من الطاقة اللازمة لتشغيل الساعة الرقمية. استخدمت وكالة ناسا ثمانية وثلاثين هوائيًا مختلفًا في أربع قارات لجمع الإشارات الخافتة من المركبة الفضائية وفك شفرة المعلومات الثمينة حول نبتون التي تحتوي عليها.

    أدخل المدارات: غاليليو وكاسيني، وجونو

    كانت مهمتا Pioneer و Voyager عبارة عن رحلات جوية للكواكب العملاقة: فقد أنتجت كل منهما نظرات سريعة فقط قبل أن تسرع المركبة الفضائية إلى الأمام. لمزيد من الدراسات التفصيلية لهذه العوالم، نحتاج إلى مركبة فضائية يمكنها الدخول في مدار حول كوكب. بالنسبة لكوكب المشتري وزحل، كانت هاتان المدارتان هما المركبة الفضائية غاليليو وكاسيني، على التوالي. حتى الآن، لم تبدأ أي بعثات فضائية لأورانوس ونبتون، على الرغم من أن علماء الكواكب قد أعربوا عن اهتمامهم الشديد.

    تم إطلاق مركبة غاليليو الفضائية باتجاه المشتري في عام 1989 ووصلت في عام 1995. بدأ غاليليو تحقيقاته من خلال نشر مسبار دخول إلى كوكب المشتري، لإجراء الدراسات المباشرة الأولى لطبقات الغلاف الجوي الخارجي للكوكب.

    سقط المسبار بزاوية ضحلة في الغلاف الجوي لكوكب المشتري، مسرعًا بسرعة 50 كيلومترًا في الثانية - وهي سرعة كافية للطيران من نيويورك إلى سان فرانسيسكو في 100 ثانية! كانت هذه أعلى سرعة يدخل بها أي مسبار حتى الآن الغلاف الجوي لكوكب ما، مما فرض متطلبات كبيرة على الدرع الحراري الذي يحميه. كانت سرعة الدخول العالية نتيجة التسارع من خلال الجاذبية القوية لكوكب المشتري.

    أدى الاحتكاك الجوي إلى إبطاء المسبار في غضون دقيقتين، مما أدى إلى ارتفاع درجات الحرارة في الجزء الأمامي من الدرع الحراري إلى 15000 درجة مئوية، ومع انخفاض سرعة المسبار إلى 2500 كيلومتر في الساعة، تم التخلص من بقايا الدرع الحراري المتوهج، وتم نشر مظلة لخفض المسبار المجهز المركبة الفضائية بلطف أكثر في الغلاف الجوي (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تم نقل البيانات من أدوات المسبار إلى الأرض عبر مركبة غاليليو الفضائية الرئيسية.

    بديل
    الشكل: مسبار\(\PageIndex{1}\) غاليليو يسقط في كوكب المشتري. يُظهر تصوير هذا الفنان مسبار غاليليو وهو ينزل إلى السحب عبر المظلة مباشرة بعد فصل الدرع الواقي من الحرارة. أجرى المسبار قياساته للغلاف الجوي لكوكب المشتري في 7 ديسمبر 1995.

    استمر المسبار في العمل لمدة ساعة، حيث هبط لمسافة 200 كيلومتر في الغلاف الجوي. بعد بضع دقائق، ذابت مظلة البوليستر، وفي غضون ساعات قليلة تبخرت البنية الرئيسية المصنوعة من الألومنيوم والتيتانيوم للمسبار لتصبح جزءًا من المشتري نفسه. بعد حوالي ساعتين من استلام بيانات المسبار النهائية، أطلقت المركبة الفضائية الرئيسية صواريخها الرجعية حتى يمكن التقاطها في مدار حول الكوكب، حيث كانت أهدافها الأساسية دراسة أقمار المشتري الكبيرة والمحيرة في كثير من الأحيان.

    كانت بعثة كاسيني إلى زحل (الشكل\(\PageIndex{2}\))، وهي مشروع تعاوني بين وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية، مشابهة لغاليليو في نهجها المزدوج. تم إطلاق كاسيني في عام 1997، ووصلت في عام 2004 ودخلت المدار حول زحل، وبدأت دراسات مكثفة لحلقاته وأقماره، وكذلك الكوكب نفسه. في يناير 2005، نشرت كاسيني مسبار دخول إلى الغلاف الجوي لقمر زحل الكبير، تيتان، حيث هبط بنجاح على السطح. (سنناقش المسبار وما وجده في الفصل الخاص بالحلقات والأقمار وبلوتو.)

    تم تصميم مهمتي Voyager و Galileo إلى المشتري بشكل أساسي لدراسة الأقمار والغلاف الجوي للكوكب. وصلت مهمة ناسا التالية، وهي مركبة فضائية تسمى جونو، إلى كوكب المشتري في يوليو 2016. من أجل تحقيق أهدافها المتمثلة في دراسة الغلاف المغناطيسي الجوفي، لها مدار طويل جدًا (غريب الأطوار) لمدة 55 يومًا، يأخذه من 4 آلاف كيلومتر فوق قمم السحابة إلى 76 ألف كيلومتر. يأخذ المدار المركبة فوق أقطاب المشتري، مما يعطينا لقطات مقربة رائعة للمناطق القطبية (شاهدت المركبة الفضائية السابقة الكوكب من خطوط العرض المنخفضة).

    تم تصميم Juno في الأصل بدون كاميرا، ولكن لحسن الحظ قام العلماء بتصحيح هذا الإغفال، بإضافة كاميرا ملونة بسيطة ذات مظهر هبوطي لاستخدامها أثناء التمريرات القريبة لكوكب المشتري. وإدراكًا لقيمة هذه الصور، العلمية والفنية على حد سواء، تقرر نشر الصور الخام وتشجيع «العلماء المواطنين» على معالجتها. كان المنتج عبارة عن العديد من المناظر المثيرة ذات الألوان الزاهية لكوكب المشتري، مثل الشكل\(\PageIndex{2}\).

    بديل
    شكل\(\PageIndex{2}\) الأرض كما يُرى من زحل. تُظهر صورة كاسيني الشهيرة هذه الأرض كنقطة صغيرة (مُعلَّمة بسهم) تُرى أسفل حلقات زحل. تم التقاطها في يوليو 2013، عندما كان زحل على بعد 1.4 مليار كيلومتر من الأرض.

    المفاهيم الأساسية والملخص

    يحتوي النظام الشمسي الخارجي على أربعة كواكب عملاقة: المشتري وزحل وأورانوس ونبتون. يمتلك عملاقا الغاز المشتري وزحل تركيبات عامة مماثلة لتلك الموجودة في الشمس. تم استكشاف هذه الكواكب من قبل المركبات الفضائية بايونير وفويجر وغاليليو وكاسيني. واستكشفت فوياجر 2، التي ربما كانت الأكثر نجاحًا بين جميع بعثات علوم الفضاء، كوكب المشتري (1979) وزحل (1981) وأورانوس (1986) ونبتون (1989) - وهي جولة كبيرة للكواكب العملاقة - وكانت رحلات الطيران هذه الاستكشافات الوحيدة حتى الآن لعمالقة الجليد أورانوس ونبتون. كانت بعثتا غاليليو وكاسيني عبارة عن مدارات طويلة العمر، ونشرت كل منهما أيضًا مسبار دخول، أحدهما في كوكب المشتري والآخر في قمر زحل تيتان.

    الحواشي

    1 حلقت كل من المركبة الفضائية أوليسيس ونيو هورايزونز (المصممة لدراسة الشمس وبلوتو، على التوالي) عبر كوكب المشتري لزيادة الجاذبية (اكتساب الطاقة عن طريق «سرقة» القليل من دوران الكوكب العملاق).