12.4: بلوتو وشارون
- Page ID
- 197878
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- قارن الخصائص المدارية لبلوتو بخصائص الكواكب
- وصف المعلومات حول سطح بلوتو المستخلصة من صور نيو هورايزونز
- لاحظ بعض الخصائص المميزة لقمر بلوتو الكبير Charon
بلوتو ليس قمرًا، لكننا نناقشه هنا لأن حجمه وتكوينه يتشابه مع العديد من الأقمار في النظام الشمسي الخارجي. لقد تغير فهمنا لبلوتو (وقمره الكبير تشارون) بشكل كبير نتيجة رحلة نيو هورايزونز فلايبي في عام 2015.
هل بلوتو كوكب؟
تم اكتشاف بلوتو من خلال بحث دقيق ومنهجي، على عكس نبتون، الذي تم حساب موقعه من نظرية الجاذبية. ومع ذلك، بدأ تاريخ البحث عن بلوتو بمؤشرات تشير إلى أن أورانوس قد انحرف قليلاً عن مداره المتوقع، وهي حالات مغادرة يمكن أن تكون بسبب جاذبية «الكوكب العاشر» غير المكتشف. في أوائل القرن العشرين، أصبح العديد من علماء الفلك، وأبرزهم بيرسيفال لويل، ثم في ذروة شهرته كمدافع عن الحياة الذكية على المريخ، مهتمين بالبحث عن هذا الكوكب التاسع.
استند لويل ومعاصروه في حساباتهم بشكل أساسي على المخالفات الصغيرة غير المبررة في حركة أورانوس. أشارت حسابات لويل إلى موقعين محتملين لكوكب X المثير للقلق؛ زاد احتمال وجود الاثنين في كوكبة الجوزاء. لقد تنبأ بوجود كتلة للكوكب وسيطة بين كتل الأرض ونبتون (أعطت حساباته حوالي 6 كتل أرضية). ومع ذلك، حصل علماء فلك آخرون على حلول أخرى من المخالفات المدارية الصغيرة، حتى بما في ذلك نموذج واحد يشير إلى وجود كوكبين خارج كوكب نبتون.
في مرصد أريزونا الخاص به، بحث لويل دون جدوى عن الكوكب المجهول منذ عام 1906 حتى وفاته عام 1916، ولم يتم تجديد البحث حتى عام 1929. في فبراير 1930، عثر مساعد رصد شاب يدعى كلايد تومباو (انظر مربع الميزات أدناه)، بمقارنة الصور التي التقطها في 23 و 29 يناير من ذلك العام، على جسم خافت بدا أن حركته مناسبة تقريبًا لكوكب بعيد عن مدار نبتون (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تم تسمية الكوكب الجديد باسم بلوتو، إله العالم السفلي الروماني، الذي سكن في ظلام بعيد، تمامًا مثل الكوكب الجديد. ساعد في اختيار هذا الاسم، من بين المئات المقترحة، حقيقة أن الحرفين الأولين كانا الأحرف الأولى من اسم بيرسيفال لويل.
على الرغم من أن اكتشاف بلوتو بدا في البداية مبررًا لنظرية الجاذبية المشابهة للانتصار السابق لآدامز ولو فيرييه في التنبؤ بموقع نبتون، إلا أننا نعلم الآن أن حسابات لويل كانت خاطئة. عندما تم قياس كتلته وحجمه أخيرًا، وجد أن بلوتو لم يكن بإمكانه ممارسة أي قوة جذب قابلة للقياس على أورانوس أو نبتون. إن علماء الفلك مقتنعون الآن بأن الحالات الشاذة الصغيرة المبلغ عنها في حركات أورانوس ليست حقيقية ولم تكن أبدًا حقيقية.
منذ وقت اكتشافه، كان من الواضح أن بلوتو لم يكن عملاقًا مثل كواكب النظام الشمسي الخارجي الأربعة الأخرى. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن كتلة بلوتو تشبه كتلة الأرض، بحيث تم تصنيفها على أنها كوكب أرضي خامس، في غير مكانها بطريقة ما في الروافد الخارجية البعيدة للنظام الشمسي. ومع ذلك، كانت هناك حالات شاذة أخرى، حيث كان مدار بلوتو أكثر غرابة وميلًا إلى مستوى نظامنا الشمسي من أي كوكب آخر. فقط بعد اكتشاف قمرها شارون في عام 1978 يمكن قياس كتلة بلوتو، وتبين أنها أقل بكثير من كتلة الأرض.
بالإضافة إلى تشارون، يحتوي بلوتو على أربعة أقمار صغيرة. أظهرت الملاحظات اللاحقة لشارون أن هذا القمر في مدار رجعي ويبلغ قطره حوالي 1200 كيلومتر، أي أكثر من نصف حجم بلوتو نفسه (الشكل\(\PageIndex{2}\)). هذا يجعل Charon القمر الذي يمثل حجمه أكبر جزء من كوكبه الأم. يمكننا حتى التفكير في بلوتو وشارون كعالم مزدوج. عند النظر إليه من بلوتو، سيكون حجم تشارون بحجم ثمانية أقمار كاملة على الأرض.
بالنسبة للعديد من علماء الفلك، بدا بلوتو وكأنه ابن عم غريب يأمل الجميع ألا يظهر في لم شمل الأسرة التالي. لا يشبه مسارها حول الشمس ولا حجمها الكواكب العملاقة أو الكواكب الأرضية. في التسعينيات، بدأ علماء الفلك في اكتشاف أجسام صغيرة إضافية في النظام الشمسي الخارجي البعيد، مما يدل على أن بلوتو لم يكن فريدًا. سنناقش هذه الأجسام العابرة للنبتون لاحقًا مع الأجسام الصغيرة الأخرى، في الفصل الخاص بالمذنبات والكويكبات - حطام النظام الشمسي. أحدهما (يسمى Eris) يساوي تقريبًا نفس حجم بلوتو، والآخر (Makemake) أصغر بكثير. أصبح من الواضح لعلماء الفلك أن بلوتو كان مختلفًا جدًا عن الكواكب الأخرى لدرجة أنه يحتاج إلى تصنيف جديد. لذلك، أطلق عليه اسم الكوكب القزم، مما يعني كوكبًا أصغر بكثير من الكواكب الأرضية. نحن نعرف الآن العديد من الأجسام الصغيرة بالقرب من بلوتو وقد قمنا بتصنيف العديد منها على أنها كواكب قزمة.
ارتبط تاريخ مماثل باكتشاف الكويكبات. عندما تم اكتشاف الكويكب الأول (Ceres) في بداية القرن التاسع عشر، تم الترحيب به ككوكب جديد. ولكن في السنوات التالية، تم العثور على أجسام أخرى ذات مدارات مماثلة لسيريس. قرر علماء الفلك أنه لا ينبغي اعتبار كل هذه الكواكب كواكب، لذلك اخترعوا فئة جديدة من الأجسام، تسمى الكواكب الصغيرة أو الكويكبات. اليوم، يُطلق على Ceres أيضًا اسم الكوكب القزم. تعد كل من الكواكب الصغيرة والكواكب القزمة جزءًا من حزام كامل أو مناطق من كائنات مماثلة (كما سنناقش في المذنبات والكويكبات - حطام النظام الشمسي).
إذن، هل بلوتو كوكب؟ إجابتنا هي نعم، لكنه كوكب قزم، من الواضح أنه ليس في نفس الدرجة مع الكواكب الثمانية الرئيسية (أربعة عمالقة وأربعة كائنات أرضية). بينما انزعج بعض الناس عندما تم إعادة تصنيف بلوتو، قد نشير إلى أن الشجرة القزمة لا تزال نوعًا من الأشجار و (كما سنرى) لا تزال المجرة القزمة نوعًا من المجرات.
كلايد تومباو: من المزرعة إلى الشهرة
اكتشف كلايد تومباو بلوتو عندما كان عمره 24 عامًا، وكان منصبه كمساعد للموظفين في مرصد لويل أول وظيفة له بأجر. وُلد تومباو في مزرعة في إلينوي، ولكن عندما كان عمره 16 عامًا، انتقلت عائلته إلى كانساس. هناك، بتشجيع من عمه، لاحظ السماء من خلال تلسكوب طلبته العائلة من كتالوج Sears. قام Tombaugh لاحقًا ببناء تلسكوب أكبر من تلقاء نفسه وكرس لياليه (عندما لم يكن متعبًا جدًا من العمل في المزرعة) لعمل رسومات تفصيلية للكواكب (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
في عام 1928، بعد أن دمرت عاصفة برد المحصول، قرر تومباو أنه بحاجة إلى وظيفة للمساعدة في إعالة أسرته. على الرغم من أنه حصل على تعليم ثانوي فقط، إلا أنه فكر في أن يصبح صانع التلسكوب. أرسل رسوماته الكوكبية إلى مرصد لويل، طالبًا المشورة حول ما إذا كان هذا الاختيار الوظيفي واقعيًا. من خلال تطور رائع في القدر، وصل استفساره فقط عندما أدرك علماء الفلك في لويل أن البحث المتجدد عن كوكب تاسع سيتطلب مراقبًا صبورًا ومخلصًا للغاية.
احتوت لوحات التصوير الكبيرة (قطع زجاجية عليها مستحلب فوتوغرافي) التي تم التعاقد مع تومباو لالتقاطها ليلاً والبحث أثناء النهار على ما معدله حوالي 160,000 صورة نجمية لكل منها. كيف تجد بلوتو بينهم؟ تضمنت هذه التقنية التقاط صورتين لمدة أسبوع تقريبًا. خلال ذلك الأسبوع، سيتحرك الكوكب قليلاً، بينما تظل النجوم في نفس المكان بالنسبة لبعضها البعض. يمكن لأداة جديدة تسمى «مقارنة الوميض» تبديل الصورتين بسرعة في عدسة. لا يبدو أن النجوم، التي كانت في نفس الموضع على اللوحين، تتغير نظرًا لأن الصورتين «رمشتا». ولكن يبدو أن الجسم المتحرك يتذبذب ذهابًا وإيابًا أثناء تناوب الألواح.
بعد فحص أكثر من مليوني نجم (والعديد من الإنذارات الكاذبة)، وجد تومباو كوكبه في 18 فبراير 1930. قام علماء الفلك في المرصد بفحص نتائجه بعناية، وتم الإعلان عن الاكتشاف في 13 مارس، الذكرى 149 لاكتشاف أورانوس. تدفقت التهاني وطلبات إجراء المقابلات من جميع أنحاء العالم. نزل الزوار إلى المرصد بأعداد كبيرة، راغبين في رؤية المكان الذي تم فيه اكتشاف أول كوكب جديد منذ ما يقرب من قرن، وكذلك الشخص الذي اكتشفه.
في عام 1932، أخذ تومباو إجازة من لويل، حيث واصل البحث والرمش، للحصول على شهادة جامعية. وفي النهاية، حصل على درجة الماجستير في علم الفلك وقام بتدريس الملاحة للبحرية خلال الحرب العالمية الثانية. في عام 1955، وبعد العمل على تطوير تلسكوب لتتبع الصواريخ، أصبح أستاذًا في جامعة ولاية نيو مكسيكو، حيث ساعد في تأسيس قسم علم الفلك. توفي في عام 1997؛ تم وضع بعض رماده داخل مركبة نيو هورايزونز الفضائية إلى بلوتو.
إليكم مقطع فيديو مؤثر عن حياة Tombaugh كما وصفها أطفاله.
طبيعة بلوتو
باستخدام بيانات من مسبار نيو هورايزونز، قام علماء الفلك بقياس قطر بلوتو بـ 2370 كيلومترًا، أي 60 بالمائة فقط من حجم قمرنا. من القطر والكتلة، نجد كثافة 1.9 جم/سم 3، مما يشير إلى أن بلوتو عبارة عن مزيج من المواد الصخرية والجليد المائي بنفس النسب تقريبًا مثل العديد من أقمار الكواكب الخارجية.
أجزاء من سطح بلوتو عاكسة للغاية، ويوضح طيفها وجود الميثان المجمد وأول أكسيد الكربون والنيتروجين على سطحه. تتراوح درجة حرارة السطح القصوى من حوالي 50 K عندما يكون بلوتو أبعد عن الشمس إلى 60 K عندما يكون الأقرب. حتى هذا الاختلاف الصغير يكفي لإحداث تسامي جزئي (الانتقال من الصلب إلى الغاز) لجليد الميثان والنيتروجين. هذا يولد جوًا عندما يكون بلوتو قريبًا من الشمس، ويتجمد عندما يكون بلوتو بعيدًا. تشير ملاحظات النجوم البعيدة التي تُرى من خلال هذا الغلاف الجوي الرقيق إلى أن الضغط السطحي يبلغ حوالي عشرة آلاف من سطح الأرض. ولأن بلوتو أكثر دفئًا من تريتون ببضع درجات، فإن ضغطه الجوي أكبر بحوالي عشر مرات. يحتوي هذا الغلاف الجوي على عدة طبقات ضبابية مميزة، يُفترض أنها ناتجة عن تفاعلات كيميائية ضوئية، مثل تلك الموجودة في الغلاف الجوي لتيتان (الشكل\(\PageIndex{4}\)).
كان الوصول إلى بلوتو بمركبة فضائية تحديًا كبيرًا، خاصة في عصر لم تتمكن فيه ميزانيات ناسا المخفضة من دعم المهام الكبيرة والمكلفة مثل غاليليو وكاسيني. ولكن مثل غاليليو وكاسيني، ستتطلب مهمة بلوتو نظامًا كهربائيًا نوويًا يستخدم الحرارة من البلوتونيوم لتوليد الطاقة لتشغيل الأدوات وإبقائها تعمل بعيدًا عن دفء الشمس. أتاحت وكالة ناسا واحدة من آخر مولداتها النووية لمثل هذه المهمة. بافتراض إمكانية بناء مركبة فضائية ميسورة التكلفة وذات قدرة عالية، لا تزال هناك مشكلة الوصول إلى بلوتو، على بعد حوالي 5 مليارات كيلومتر من الأرض، دون انتظار عقود. كانت الإجابة هي استخدام جاذبية المشتري لقذف المركبة الفضائية باتجاه بلوتو.
بدأ إطلاق New Horizons في عام 2006 المهمة بسرعة عالية، وأعطتها طائرة Jupiter flyby بعد عام واحد فقط الدفعة الإضافية المطلوبة. وصلت المركبة الفضائية New Horizons إلى بلوتو في يوليو 2015، وسافرت بسرعة نسبية تبلغ 14 كيلومترًا في الثانية (أو حوالي 50000 كيلومتر في الساعة). بهذه السرعة العالية، تم ضغط تسلسل flyby بأكمله في يوم واحد فقط. لا يمكن نقل معظم البيانات المسجلة بالقرب من أقرب طريقة إلى الأرض إلا بعد عدة أشهر، ولكن عندما وصلت أخيرًا، تمت مكافأة علماء الفلك بكنز من الصور والبيانات.
أول مشاهد مقربة لبلوتو
بلوتو ليس العالم الميت جيولوجيًا الذي توقعه الكثيرون لمثل هذا الكائن الصغير - بعيدًا عنه. يظهر تقسيم السطح إلى مناطق ذات تركيبة وملمس سطح مختلفين في الصورة الملونة العالمية الموضحة في الشكل\(\PageIndex{5}\). تم تحسين اللون المحمر في هذه الصورة لإظهار الاختلافات في اللون بشكل أكثر وضوحًا. تبدو الأجزاء الداكنة من السطح وكأنها محفورة، ولكن بجوارها توجد منطقة إضاءة خالية من المعالم تقريبًا في الربع السفلي الأيمن من هذه الصورة. تُظهر المناطق المظلمة ألوان الضباب الكيميائي الضوئي أو الضباب الدخاني المماثل لتلك الموجودة في جو تيتان. يمكن أن تأتي المواد المظلمة التي تلطخ هذه الأسطح القديمة من الضباب الجوي لبلوتو أو من التفاعلات الكيميائية التي تحدث على السطح بسبب تأثير ضوء الشمس.
المناطق المضيئة في الصورة هي أحواض الأراضي المنخفضة. يبدو أن هذه بحار من النيتروجين المجمد، ربما بعمق عدة كيلومترات. يمكن لكل من غاز النيتروجين والميثان الهروب من بلوتو عندما يكون في جزء من مداره بالقرب من الشمس، ولكن ببطء شديد فقط، لذلك لا يوجد سبب يمنع وعاء كبير من النيتروجين المجمد من الاستمرار لفترة طويلة.
\(\PageIndex{6}\)يوضح الشكل بعضًا من التنوع الرائع لميزات السطح التي كشفت عنها New Horizons. على يمين هذه الصورة نرى «الخط الساحلي» للوعاء الواسع من الثلج النيتروجيني الذي رأيناه كمنطقة ناعمة في الشكل\(\PageIndex{5}\). يُطلق على هذه المنطقة المستديرة مؤقتًا اسم «سهول سبوتنك»، تيمنًا بأول جسم بشري يصل إلى الفضاء، ويبلغ عرضها حوالي ألف كيلومتر وتظهر خلايا مثيرة للاهتمام أو مضلعات يبلغ متوسط عرضها أكثر من 30 كيلومترًا. الجبال في الوسط عبارة عن كتل كبيرة من الجليد المائي المتجمد، يصل بعضها إلى ارتفاعات تتراوح من 2 إلى 3 كيلومترات.
\(\PageIndex{7}\)يوضح الشكل وجهة نظر أخرى للحدود بين أنواع مختلفة من الجيولوجيا. يبلغ عرض هذه الصورة 250 كيلومترًا، وتُظهر تضاريس مظلمة وقديمة ومليئة بالحفر؛ وتضاريس داكنة غير محفورة ذات سطح جبلي؛ وتضاريس ناعمة وشابة جيولوجيًا؛ ومجموعة صغيرة من الجبال التي يزيد ارتفاعها عن 3000 متر. في أفضل الصور، يبدو أن المناطق الخفيفة من جليد النيتروجين قد تدفقت مثل الأنهار الجليدية على الأرض، وتغطي بعض التضاريس القديمة تحتها.
من المحتمل أن تكون الجبال المعزولة في وسط سهول النيتروجين الملساء مصنوعة أيضًا من الجليد المائي، وهو صعب جدًا عند درجات حرارة بلوتو ويمكن أن يطفو على النيتروجين المجمد. تظهر في الشكل جبال إضافية وبعض التضاريس الجبلية التي ذكّرت علماء البعثة بجلد الثعبان\(\PageIndex{7b}\). هذه تفسيرات أولية من البيانات الأولى فقط التي تعود من New Horizons في عام 2015 وأوائل عام 2016. مع مرور الوقت، سيكون لدى العلماء فهم أفضل للجيولوجيا الفريدة لبلوتو.
نظرة سريعة على Charon
للإضافة إلى أسرار بلوتو، نعرض في الشكل\(\PageIndex{8}\) واحدة من أفضل صور نيو هورايزونز لقمر بلوتو الكبير تشارون. تذكر سابقًا أن حجم Charon يبلغ نصف حجم بلوتو تقريبًا (يبلغ قطره حوالي حجم تكساس). يحافظ تشارون على نفس الجانب تجاه بلوتو، تمامًا كما يحافظ قمرنا على نفس الجانب تجاه الأرض. ومع ذلك، فإن الشيء الفريد في نظام بلوتو تشارون هو أن بلوتو يحتفظ أيضًا بنفس وجهه تجاه تشارون. مثل راقصين يتعانقان، يواجه هذان الشخصان بعضهما البعض باستمرار أثناء دورانهما عبر حلبة الرقص السماوية. يسمي علماء الفلك هذا بقفل المد المزدوج.
ما أظهرته نيو هورايزونز كان عالمًا معقدًا آخر. توجد فوهات متناثرة في الجزء السفلي من الصورة، ولكن معظم الجزء المتبقي من السطح يبدو سلسًا. يعبر مركز الصورة حزام من التضاريس الوعرة، بما في ذلك ما يبدو أنه وديان تكتونية، كما لو أن بعض القوى حاولت تقسيم تشارون. ويتصدر هذه الصورة الغريبة غطاء قطبي أحمر مميز، ذو تركيبة غير معروفة. لم يتم فهم العديد من الميزات في Charon حتى الآن، بما في ذلك ما يبدو أنه جبل في وسط منطقة منخفضة الارتفاع.
ملخص
كشفت المركبة الفضائية نيو هورايزونز أن بلوتو وشارون هما من أروع الأجسام في النظام الشمسي الخارجي. بلوتو صغير (كوكب قزم) ولكنه أيضًا نشط بشكل مدهش، مع وجود مناطق متناقضة من التضاريس ذات الحفر المظلمة، وأحواض ذات ألوان فاتحة من جليد النيتروجين، وجبالًا من المياه المجمدة التي قد تطفو في جليد النيتروجين. حتى أكبر قمر في بلوتو، Charon، يُظهر دليلًا على النشاط الجيولوجي. تبين أن كل من بلوتو وشارون أكثر ديناميكية وإثارة للاهتمام مما كان يمكن تخيله قبل مهمة نيو هورايزونز.