21.6: وجهات نظر جديدة حول تكوين الكوكب

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197183

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

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

اشرح كيف قامت اكتشافات الكواكب الخارجية بمراجعة فهمنا لتكوين الكواكب
ناقش كيف يمكن أن تكون أنظمة الكواكب مختلفة تمامًا عن نظامنا الشمسي

تقليديًا، افترض علماء الفلك أن الكواكب في نظامنا الشمسي تشكلت على مسافاتها الحالية تقريبًا من الشمس وظلت هناك منذ ذلك الحين. الخطوة الأولى في تكوين كوكب عملاق هي بناء نواة صلبة، وهو ما يحدث عندما تصطدم الكواكب الصغيرة وتلتصق. في نهاية المطاف، يصبح هذا القلب ضخمًا بما يكفي لبدء مسح المواد الغازية في القرص، وبالتالي بناء عمالقة الغاز المشتري وزحل.

كيفية صنع كوكب المشتري الساخن

لا يعمل النموذج التقليدي لتكوين الكواكب إلا إذا تشكلت الكواكب العملاقة بعيدًا عن النجم المركزي (حوالي 5-10 AU)، حيث يكون القرص باردًا بدرجة كافية للحصول على كثافة عالية من المادة الصلبة. لا يمكن تفسير كوكب المشتري الساخن، الذي يقع بالقرب جدًا من نجومه حيث سيتم تبخير أي مادة خام صخرية تمامًا. لا يمكن أيضًا تفسير المدارات البيضاوية التي نلاحظها لبعض الكواكب الخارجية لأن مدار الكوكب الأولي، بغض النظر عن شكله الأولي، سيصبح سريعًا دائريًا من خلال التفاعلات مع قرص المواد المحيط وسيظل على هذا النحو مع نمو الكوكب من خلال اجتياح مادة إضافية.

لذلك لدينا خياران: إما أن نجد نموذجًا جديدًا لتكوين كواكب قريبة من الحرارة الحارقة للنجم الأم، أو نجد طريقة لتغيير مدارات الكواكب حتى تتمكن المشتري البارد من الانتقال إلى الداخل بعد تشكلها. تدعم معظم الأبحاث الآن التفسير الأخير.

تشير الحسابات إلى أنه إذا تشكل كوكب مع بقاء كمية كبيرة من الغاز في القرص، فيمكن نقل بعض الزخم الزاوي المداري للكوكب إلى القرص. عندما يفقد الكوكب زخمه (من خلال عملية تذكرنا بتأثيرات الاحتكاك)، سوف يندفع الكوكب إلى الداخل. يمكن لهذه العملية نقل الكواكب العملاقة، التي تشكلت في البداية في المناطق الباردة من القرص، بالقرب من النجم المركزي - وبالتالي إنتاج مركبات المشتري الساخنة. يمكن أن تتسبب تفاعلات الجاذبية بين الكواكب في النظام الشمسي الفوضوي المبكر أيضًا في إقلاع الكواكب إلى الداخل من مسافات كبيرة. ولكن لكي ينجح هذا، يجب على الكوكب الآخر أن يحمل الزخم الزاوي وينتقل إلى مدار أبعد.

في بعض الحالات، يمكننا استخدام الجمع بين قياسات العبور والدوبلر لتحديد ما إذا كانت الكواكب تدور في نفس المستوى وفي نفس اتجاه النجم. في الحالات القليلة الأولى، بدا أن الأشياء تعمل تمامًا كما توقعنا: مثل النظام الشمسي، تدور الكواكب الغازية العملاقة في المستوى الاستوائي لنجمها وفي نفس اتجاه النجم الدوار.

ثم تم إجراء بعض الاكتشافات المذهلة للكواكب الغازية العملاقة التي تدور في زوايا قائمة أو حتى بالمعنى المعاكس مثل دوران النجم. كيف يمكن أن يحدث هذا؟ مرة أخرى، يجب أن تكون هناك تفاعلات بين الكواكب. من المحتمل أنه قبل استقرار النظام، اقترب كوكبان من بعضهما البعض، بحيث تم طرد أحدهما إلى مدار غير عادي. أو ربما تسبب نجم عابر في إزعاج النظام بعد تشكل الكواكب حديثًا.

تشكيل الأنظمة الكوكبية

عندما كانت مجرة درب التبانة صغيرة، لم تكن النجوم المتكونة تحتوي على العديد من العناصر الثقيلة مثل الحديد. كانت هناك حاجة إلى عدة أجيال من تكوين النجوم وموت النجوم لإثراء الوسط بين النجوم للأجيال اللاحقة من النجوم. نظرًا لأن الكواكب تبدو وكأنها تتشكل «من الداخل إلى الخارج»، بدءًا من تراكم المواد التي يمكن أن تصنع النوى الصخرية التي تبدأ بها الكواكب، تساءل علماء الفلك عن متى سيبدأ تكوين الكواكب في تاريخ المجرة.

ألقت النجمة Kepler-444 بعض الضوء على هذا السؤال. هذا نظام معبأ بإحكام من خمسة كواكب - أصغر كوكب يمكن مقارنته بحجم عطارد والأكبر من حيث الحجم يشبه كوكب الزهرة. تم اكتشاف جميع الكواكب الخمسة باستخدام مركبة كيبلر الفضائية أثناء عبورها لنجمها الأم. تدور جميع الكواكب الخمسة حول نجمها المضيف في أقل من الوقت الذي يستغرقه عطارد لإكمال مدار واحد حول الشمس. من اللافت للنظر أن النجم المضيف Kepler-444 يبلغ عمره أكثر من 11 مليار عام وتتشكل عندما كان عمر درب التبانة ملياري عام فقط. لذلك يجب أن تكون العناصر الثقيلة اللازمة لصنع الكواكب الصخرية متاحة بالفعل في ذلك الوقت. يضع هذا النظام الكوكبي القديم الساعة في بداية تكوين الكواكب الصخرية ليكون قريبًا نسبيًا بعد تكوين مجرتنا.

توضح بيانات كيبلر أنه في حين أن الكواكب الصخرية داخل مدار عطارد مفقودة من نظامنا الشمسي، إلا أنها شائعة حول النجوم الأخرى، مثل Kepler-444. عندما تم اكتشاف الأنظمة الأولى المليئة بالكواكب الصخرية القريبة، تساءلنا عن سبب اختلافها الشديد عن نظامنا الشمسي. عندما تم اكتشاف العديد من هذه الأنظمة، بدأنا نتساءل عما إذا كان نظامنا الشمسي مختلفًا. أدى ذلك إلى تكهنات بأن كواكب صخرية إضافية ربما كانت موجودة في السابق بالقرب من الشمس في نظامنا الشمسي.

هناك بعض الأدلة من الحركات في النظام الشمسي الخارجي على أن المشتري ربما هاجر إلى الداخل منذ فترة طويلة. إذا كان هذا صحيحًا، فقد تؤدي اضطرابات الجاذبية من كوكب المشتري إلى إزاحة مدارات الكواكب الصخرية القريبة، مما تسبب في سقوطها في الشمس. وفقًا لهذه الصورة، يعتقد علماء الفلك الآن أن أورانوس ونبتون ربما لم يتشكلوا في مسافاتهم الحالية من الشمس بل أقرب إلى مكان المشتري وزحل الآن. سبب هذه الفكرة هو أن الكثافة في قرص المادة المحيطة بالشمس في الوقت الذي تشكلت فيه الكواكب كانت منخفضة جدًا خارج مدار زحل لدرجة أن بناء أورانوس ونبتون سيستغرق عدة مليارات من السنين. ومع ذلك، رأينا سابقًا في الفصل أن الأقراص الموجودة حول النماذج الأولية تبقى على قيد الحياة لبضعة ملايين من السنين فقط.

لذلك، طور العلماء نماذج حاسوبية توضح أن أورانوس ونبتون يمكن أن تكونا بالقرب من المواقع الحالية لكوكب المشتري وزحل، ثم تم طردهما إلى مسافات أكبر من خلال تفاعلات الجاذبية مع جيرانهما. توضح كل هذه الملاحظات الجديدة الرائعة مدى خطورة استخلاص استنتاجات حول ظاهرة في العلوم (في هذه الحالة، كيف تتشكل الأنظمة الكوكبية وترتب نفسها) عندما تعمل فقط مع مثال واحد.

أدت الكواكب الخارجية إلى ظهور صورة جديدة لتكوين النظام الكوكبي - صورة أكثر فوضوية مما كنا نظن في الأصل. إذا كنا نفكر في الكواكب على أنها مثل المتزلجين في حلبة التزلج، فإن نموذجنا الأصلي (مع نظامنا الشمسي الخاص فقط كدليل) افترض أن الكواكب تصرفت مثل المتزلجين المهذبين، وجميعهم يطيعون قواعد حلبة التزلج ويتحركون جميعًا في نفس الاتجاه تقريبًا، متبعين مسارات دائرية تقريبًا. تتوافق الصورة الجديدة بشكل أكبر مع لعبة رولر ديربي، حيث يصطدم المتزلجون ببعضهم البعض، ويغيرون اتجاههم، وأحيانًا يتم طردهم تمامًا من حلبة التزلج.

كواكب خارجية صالحة للسكن

في حين تم اكتشاف الآلاف من الكواكب الخارجية في العقدين الماضيين، لم تتمكن كل تقنية من تقنيات المراقبة من العثور على أكثر من عدد قليل من الكواكب المرشحة التي تشبه الأرض (الشكل\(\PageIndex{1}\)). علماء الفلك ليسوا متأكدين بالضبط من الخصائص التي ستحدد أرضًا أخرى. هل نحن بحاجة إلى إيجاد كوكب بنفس حجم وكتلة الأرض بالضبط؟ قد يكون ذلك صعبًا وقد لا يكون مهمًا من منظور الصلاحية للسكن. بعد كل شيء، ليس لدينا سبب للاعتقاد بأن الحياة لا يمكن أن تنشأ على الأرض لو كان كوكبنا أصغر قليلاً أو أكبر. وتذكر أن مدى صلاحية الكوكب للسكن يعتمد على بعده عن نجمه وطبيعة غلافه الجوي. يمكن أن يؤدي تأثير الاحتباس الحراري إلى جعل بعض الكواكب أكثر دفئًا (كما حدث مع كوكب الزهرة وهو يفعل المزيد والمزيد من أجل الأرض).

بديل — الشكل:\(\PageIndex{1}\) العديد من الكواكب الشبيهة بالأرض. هذه اللوحة، بتكليف من وكالة ناسا، تنقل فكرة أنه قد يكون هناك العديد من الكواكب التي تشبه الأرض مع تحسن أساليبنا للعثور عليها.

يمكننا طرح أسئلة أخرى لا نعرف إجاباتها بعد. هل يحتاج هذا «التوأم» من الأرض إلى الدوران حول نجم من النوع الشمسي، أم يمكننا اعتبار الكواكب الخارجية العديدة التي تدور حول نجوم من الفئة K و M مرشحة؟ (في صيف عام 2016، أبلغ علماء الفلك عن اكتشاف كوكب تبلغ كتلته 1.3 مرة على الأقل من كتلة الأرض حول أقرب نجم، Proxima Centauri، وهو نوع طيفي من النوع M ويقع على بعد 4.2 سنة ضوئية منا.) لدينا اهتمام خاص بالعثور على الكواكب التي يمكن أن تدعم الحياة مثل حياتنا، وفي هذه الحالة، نحتاج إلى العثور على كواكب خارجية داخل المنطقة الصالحة للسكن لنجمها، حيث تتوافق درجات حرارة السطح مع الماء السائل على السطح. ربما تكون هذه هي أهم خاصية تحدد كوكب خارج المجموعة الشمسية التناظرية للأرض.

يعد البحث عن عوالم يحتمل أن تكون صالحة للسكن أحد المحركات الرئيسية لأبحاث الكواكب الخارجية في العقد المقبل. بدأ علماء الفلك في تطوير خطط واقعية للأدوات الجديدة التي يمكنها حتى البحث عن علامات الحياة على عوالم بعيدة (فحص الغلاف الجوي بحثًا عن الغازات المرتبطة بالحياة، على سبيل المثال). إذا كنا بحاجة إلى التلسكوبات في الفضاء للعثور على مثل هذه العوالم، فنحن بحاجة إلى إدراك أن السنوات مطلوبة لتخطيط وبناء وإطلاق مثل هذه المراصد الفضائية. يؤدي اكتشاف الكواكب الخارجية ومعرفة أن معظم النجوم لديها أنظمة كوكبية إلى تغيير تفكيرنا في الحياة خارج الأرض. نحن أقرب من أي وقت مضى إلى معرفة ما إذا كانت الكواكب الصالحة للسكن (والمأهولة) شائعة. يضفي هذا العمل روحًا جديدة من التفاؤل على البحث عن الحياة في مكان آخر، وهو موضوع سنعود إليه في الحياة في الكون.

تحقق من قابلية السكن للعديد من النجوم والكواكب من خلال تجربة محاكي المنطقة المحيطة بالنجوم التفاعلية الصالحة للسكن وتحديد نظام نجمي لاستكشافه.

ملخص

إن مجموعة الكواكب الخارجية متنوعة بشكل لا يصدق وقد أدت إلى مراجعة فهمنا لتكوين الكواكب بما في ذلك إمكانية التفاعلات القوية والفوضوية مع هجرة الكوكب وانتشاره. من الممكن أن يكون النظام الشمسي غير عادي (وغير تمثيلي) في كيفية ترتيب كواكبه. يبدو أن العديد من الأنظمة تحتوي على كواكب صخرية أبعد إلى الداخل مما لدينا، على سبيل المثال، بل إن بعضها يحتوي على «كوكب المشتري الساخن» بالقرب جدًا من نجمه. يجب أن تجعل التجارب الفضائية الطموحة من الممكن تصوير كواكب تشبه الأرض خارج النظام الشمسي وحتى الحصول على معلومات حول قابليتها للسكن أثناء بحثنا عن الحياة في مكان آخر.