عدم الاستقرار في بداية النظام الشمسي: هل ينذر بكوكب غير مكتشف؟


تولد كل النجوم ، بما في ذلك شمسنا ، من سحابة من الغبار والغاز. يمكن لهذه السحابة أيضًا أن تزرع الكواكب التي تدور حول النجم. الائتمان: NASA / JPL-Caltech

كشف سيث جاكوبسون من جامعة ولاية ميتشيغان وزملاؤه في الصين وفرنسا عن نظرية جديدة يمكن أن تساعد في حل لغز مجري حول كيفية تطور نظامنا الشمسي. على وجه التحديد ، كيف انتهى الأمر بالعمالقة الغازية – كوكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتون – حيث كانوا يدورون حول الشمس كما يفعلون؟

البحث أيضا له آثار على الكيفية مثل الأرض تشكلت واحتمال أن يكون عملاق الغاز الخامس يتربص على بعد 50 مليار ميل في المسافة.

“لنا لم تنظر دائمًا بالطريقة التي تبدو عليها اليوم. قال جاكوبسون ، الأستاذ المساعد في قسم علوم الأرض والبيئة بكلية العلوم الطبيعية: “على مدار تاريخها ، تغيرت مدارات الكواكب بشكل جذري. ولكن يمكننا معرفة ما حدث.”

البحث المنشور في المجلة طبيعة سجية يوم 27 أبريل تفسيرا لما حدث في أنظمة الطاقة الشمسية الأخرى وأنظمتنا.

إنه نموذج جميل

تولد النجوم من سحب ضخمة من الغبار والغاز الكوني. بمجرد اشتعال شمسنا ، كان النظام الشمسي المبكر لا يزال ممتلئًا بقرص بدائي من الغاز لعب دورًا أساسيًا في تكوين وتطور الكواكب ، بما في ذلك عمالقة الغاز.

في أواخر القرن العشرين ، بدأ العلماء يعتقدون أن عمالقة الغاز كانوا يدورون حول الشمس في البداية في مدارات مرتبة ومضغوطة ومتساوية المسافات. لكن كوكب المشتري وزحل والآخرون قد استقروا لفترة طويلة في مدارات مستطيلة نسبيًا ومنحرفة ومنتشرة.

لذا فإن السؤال المطروح على الباحثين الآن هو “لماذا؟”

في عام 2005 ، اقترح فريق دولي من العلماء إجابة على هذا السؤال في ثلاثة معالم طبيعة سجية أوراق. تم تطوير الحل في الأصل في نيس ، فرنسا ويعرف باسم نموذج نيس. يفترض أن هناك عدم استقرار بين هذه الكواكب ، مجموعة فوضوية من تفاعلات الجاذبية التي وضعتهم في نهاية المطاف على مساراتهم الحالية.

قال جاكوبسون: “كان هذا تحولًا جذريًا في طريقة تفكير الناس في النظام الشمسي المبكر”.

لا يزال نموذج نيس تفسيرًا رائدًا ، ولكن على مدار الـ 17 عامًا الماضية ، وجد العلماء أسئلة جديدة لطرحها حول أسباب عدم استقرار نموذج نيس.

على سبيل المثال ، كان يعتقد في الأصل أن عدم استقرار عملاق الغاز حدث بعد مئات الملايين من السنين بعد تشتت قرص الغاز البدائي الذي ولد النظام الشمسي. لكن الأدلة الأحدث ، بما في ذلك بعض الموجودة في صخور القمر التي استردتها بعثات أبولو ، تشير إلى حدوث ذلك بسرعة أكبر. يثير هذا أيضًا أسئلة جديدة حول كيفية تطور النظام الشمسي الداخلي الذي يمثل الأرض.

من خلال العمل مع Beibei Liu من جامعة Zhejiang في الصين وشون ريموند من جامعة بوردو في فرنسا ، ساعد Jacobson في إيجاد حل يتعلق بكيفية بدء عدم الاستقرار. اقترح الفريق مشغل جديد.

قال جاكوبسون: “أعتقد أن فكرتنا الجديدة يمكن أن تخفف الكثير من التوترات في هذا المجال لأن ما اقترحناه هو إجابة طبيعية للغاية عندما حدث عدم استقرار الكوكب العملاق”.

عدم الاستقرار في بداية النظام الشمسي

يُظهر تقديم فنان نظامًا شمسيًا افتراضيًا مبكرًا مع نجم شاب يمسح مسارًا في الغاز والغبار المتبقي من تكوينه. سيؤثر إجراء المقاصة هذا على مدارات عمالقة الغاز التي تدور حول النجم. الائتمان: NASA / JPL-Caltech / T. بايل (SSC)

الزناد الجديد

بدأت الفكرة بمحادثة أجراها ريموند وجاكوبسن في عام 2019. وضعوا نظرية أن عمالقة الغاز ربما تم تعيينهم على مساراتهم الحالية بسبب كيفية تبخر قرص الغاز البدائي. يمكن أن يفسر ذلك كيف انتشرت الكواكب في وقت أبكر بكثير في تطور النظام الشمسي مما افترضه نموذج نيس في الأصل وربما حتى بدون عدم الاستقرار لدفعهم إلى هناك.

قال ريموند: “تساءلنا عما إذا كان نموذج نيس ضروريًا حقًا لشرح النظام الشمسي”. “لقد توصلنا إلى فكرة أن يمكن أن ينتشر عن طريق تأثير “الارتداد” حيث يتبدد القرص ، ربما دون أن يحدث عدم استقرار على الإطلاق “.

بعد ذلك ، تواصل ريموند وجاكوبسن مع ليو ، الذي كان رائدًا لفكرة تأثير الارتداد هذه من خلال عمليات محاكاة مكثفة لأقراص الغاز والكواكب الخارجية الكبيرة – الكواكب في الأنظمة الشمسية الأخرى – بالقرب من نجومهم.

قال ليو: “الوضع في نظامنا الشمسي مختلف قليلاً لأن كوكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتون موزعة في مدارات أوسع”. “بعد تكرار جلسات العصف الذهني ، أدركنا أنه يمكن حل المشكلة إذا تبدد قرص الغاز من الداخل إلى الخارج.”

قال ريموند إن الفريق وجد أن هذا التبديد من الداخل إلى الخارج يوفر حافزًا طبيعيًا لعدم استقرار نموذج نيس.

وقال “انتهى بنا الأمر إلى تعزيز نموذج نيس بدلاً من تدميره”. “كان هذا توضيحًا ممتعًا لاختبار أفكارنا المسبقة ومتابعة النتائج أينما كانت”.

مع المشغل الجديد ، تبدو الصورة في بداية عدم الاستقرار كما هي. لا تزال هناك شمس وليدة محاطة بسحابة من الغاز والغبار. تدور حفنة من عمالقة الغاز الشباب حول النجم في مدارات مرتبة ومضغوطة عبر تلك السحابة.

قال جاكوبسون: “تتشكل جميع أنظمة الطاقة الشمسية في قرص من الغاز والغبار. إنها نتيجة ثانوية طبيعية لكيفية تشكل النجوم”. “ولكن عندما تضيء الشمس وتبدأ في حرق وقودها النووي ، فإنها تولد ضوء الشمس ، وتسخن القرص ، وفي النهاية تنفخه بعيدًا عن الداخل إلى الخارج.”

أدى ذلك إلى خلق فجوة متنامية في سحابة الغاز المتمركزة حول الشمس. مع نمو الثقب ، اجتاحت حافته خلال كل من مدارات عمالقة الغاز. يؤدي هذا الانتقال إلى عدم الاستقرار المطلوب للكوكب العملاق مع احتمال كبير جدًا ، وفقًا لمحاكاة الكمبيوتر التي أجراها الفريق. كما أن عملية نقل هذه الكواكب الكبيرة إلى مداراتها الحالية تتحرك بسرعة أيضًا مقارنة بالجدول الزمني الأصلي لنموذج نيس لمئات الملايين من السنين.

قال ليو: “يحدث عدم الاستقرار في وقت مبكر عندما يتبدد القرص الغازي للشمس ، ويبقى في غضون بضعة ملايين من السنين إلى 10 ملايين سنة بعد ولادة النظام الشمسي”.

يؤدي الزناد الجديد أيضًا إلى خلط المواد من النظام الشمسي الخارجي والنظام الشمسي الداخلي. تشير الكيمياء الجيولوجية للأرض إلى أن مثل هذا الاختلاط يجب أن يحدث بينما لا يزال كوكبنا في منتصف عملية التكوين.

قال جاكوبسون: “هذه العملية ستثير حقاً النظام الشمسي الداخلي ويمكن للأرض أن تنمو من ذلك”. “هذا يتفق إلى حد كبير مع الملاحظات.” استكشاف العلاقة بين عدم الاستقرار وتكوين الأرض هو موضوع العمل المستقبلي للمجموعة.







تُظهر هذه الرسوم المتحركة نتائج محاكاة تُظهر كيف يمكن إعادة ترتيب النظام الشمسي بواسطة سحابة متبخرة من الغبار والغاز. تبدأ الحافة الداخلية لتلك السحابة ، التي تظهر على شكل خط رمادي عمودي ، بالقرب من الشمس (أقصى اليسار) وتجتاز مدارات كوكب المشتري وزحل ، وهو عملاق غازي خامس افتراضي ، أورانوس ونبتون. الائتمان: بإذن من Liu et al.

أخيرًا ، ينطبق التفسير الجديد للفريق أيضًا على أنظمة شمسية أخرى في مجرتنا حيث لاحظ العلماء عمالقة غازات تدور حول نجومهم في تكوينات مثل ما نراه في مجموعتنا.

قال جاكوبسون: “نحن مجرد مثال واحد لنظام شمسي في مجرتنا”. “ما نظهره هو أن عدم الاستقرار حدث بطريقة مختلفة ، طريقة أكثر عالمية وأكثر اتساقًا.”

الكوكب 9 من الفضاء الخارجي

على الرغم من أن ورقة الفريق لا تؤكد على هذا ، إلا أن جاكوبسون قال إن العمل له آثار على أحد أكثر النقاشات شيوعًا واحتدامًا في بعض الأحيان حول نظامنا الشمسي: كم عدد الكواكب التي يمتلكها؟

حاليًا ، الإجابة هي ثمانية ، لكن اتضح أن نموذج Nice كان يعمل بشكل أفضل قليلاً عندما كان خمسة عمالقة غاز بدلاً من أربعة. للأسف ، وفقًا للنموذج ، تم إلقاء هذا الكوكب الإضافي من نظامنا الشمسي أثناء عدم الاستقرار ، مما يساعد عمالقة الغاز المتبقية في العثور على مداراتهم.

ومع ذلك ، في عام 2015 ، وجد باحثو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا دليلاً على أنه قد يكون هناك كوكب غير مكتشف حتى الآن يدور حول أطراف النظام الشمسي على بعد حوالي 50 مليار ميل من الشمس ، على بعد حوالي 47 مليار ميل من نبتون.

لا يوجد حتى الآن دليل ملموس على وجود هذا الكوكب الافتراضي – الملقب بالكوكب X أو الكوكب 9 – أو الكوكب “الإضافي” الخاص بنموذج نيس. ولكن ، إذا فعلوا ذلك ، فهل يمكن أن يكونوا واحدًا ونفس الشيء؟

لم يتمكن جاكوبسون وزملاؤه من الإجابة على هذا السؤال مباشرةً من خلال عمليات المحاكاة الخاصة بهم ، لكن يمكنهم فعل أفضل شيء تالي. معرفة يقوم الزناد بإعادة إنتاج الصورة الحالية لنظامنا الشمسي بشكل صحيح ، ويمكنهم اختبار ما إذا كان نموذجهم يعمل بشكل أفضل بدءًا من أربعة أو خمسة عمالقة غازية.

قال جاكوبسون: “بالنسبة لنا ، كانت النتيجة متشابهة للغاية إذا بدأت بأربعة أو خمسة”. “إذا بدأت بخمسة ، فمن المرجح أن ينتهي بك الأمر بأربعة. لكن إذا بدأت بأربعة ، ينتهي الأمر بمطابقة المدارات بشكل أفضل.”

في كلتا الحالتين ، يجب أن يكون لدى البشرية إجابة قريبًا. يجب أن يكون مرصد فيرا روبين ، المقرر أن يبدأ تشغيله بحلول نهاية عام 2023 ، قادرًا على اكتشاف الكوكب 9 إذا كان موجودًا هناك.

قال جاكوبسون: “الكوكب 9 مثير للجدل للغاية ، لذلك لم نشدد عليه في الورقة ، لكننا نحب التحدث عنه مع الجمهور.”

إنه تذكير بأن نظامنا الشمسي هو مكان ديناميكي ، لا يزال مليئًا بالألغاز والاكتشافات التي تنتظر من يتم اكتشافها.


تشير عمليات المحاكاة إلى أن كوكبًا بحجم الأرض أو المريخ قد يكون متربصًا خارج كوكب نبتون


معلومات اكثر:
Beibei Liu et al ، عدم استقرار النظام الشمسي المبكر الناتج عن تشتت القرص الغازي ، طبيعة سجية (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-04535-1

الاقتباس: عدم الاستقرار في بداية النظام الشمسي: هل ينذر بكوكب غير مكتشف؟ (2022 ، 27 أبريل) تم استرجاعه في 27 أبريل 2022 من https://phys.org/news/2022-04-instability-solar-portend-undiscovered-planet.html

هذا المستند عرضة للحقوق التأليف والنشر. بصرف النظر عن أي تعامل عادل لغرض الدراسة أو البحث الخاص ، لا يجوز إعادة إنتاج أي جزء دون إذن كتابي. يتم توفير المحتوى لأغراض إعلامية فقط.