هستهای متفاوت در قلب بزرگترین سیارهٔ سامانهٔ خورشیدی
مشتری، بزرگترین سیارهٔ سامانهٔ خورشیدی، ساختاری درونی دارد که دانشمندان را برای سالها به تردید انداخته است: هستهای «رقیق» یا پخششده که مرز مشخص و سختی بین بخش مرکزی و لایههای گازی بالایی ندارد. بهجای یک هستهٔ سنگی و فشرده که ناگهان به گازهای هیدروژن و هلیوم اطراف پیوسته میشود، در مشتری یک گذار تدریجی و همآمیزی مواد سنگین و سبک مشاهده میشود.
این یافتهٔ غیرمتعارف ابتدا توسط کاوشگر جونو (Juno) ناسا که از سال 2016 به دور مشتری میگردد آشکار شد و انتظار دیرینهٔ اخترشناسان مبنی بر وجود هستهای با مرز مشخص را به چالش کشید. کشف مشابهی در زحل نیز بهدست آمد و نشان داد که وضعیتی شبیه به هستهٔ رقیق ممکن است در چندین سیارهٔ غولپیکر رخ دهد.
شبیهسازیهای برخوردی: آزمایش نظریهٔ «برخورد عظیم»
یکی از تفسیرهای پرطرفدار برای توضیح هستهٔ رقیق مشتری این بود که در نخستین دوران شکلگیری، یک برخورد عظیم باعث بههمریختن و اختلاط هستهٔ فشرده با لایههای گازی شده است. بر اساس این سناریو، جسمی بسیار بزرگ (شاید حاوی نیمی از مواد هستهای) با سرعت و انرژی بالا به مشتریِ نوپا برخورد کرده و مواد سنگین هسته را با هیدروژن و هلیوم اطرافش مخلوط کرده است.
جزئیات شبیهسازیها
تیم تحقیقاتی دانشگاه دورهام به رهبری گروهی از محققان بینالمللی از ناسا، مرکز SETI و دانشگاه اسلو این فرضیه را با استفاده از اَبَررایانهٔ DiRAC COSMA محک زد. آنان مجموعهای از شبیهسازیهای دینامیک هیدرودینامیک و برخورد ماده با بالاترین دقت ممکن را اجرا کردند تا ببینند چگونه مواد مختلف در هنگام برخوردهای شدید با یک سیارهٔ اندازهٔ مشتری رفتار میکنند.
نرمافزارهای نوین و روشهای جدید برای مدلسازی اختلاط مواد در برخوردهای پرانرژی به کار گرفته شد تا فرایندهای همزدایی، رسوبگذاری و بازآرایی حرارتی محاسبه گردد.
نتایج غیرمنتظره: برخورد عظیم هستهٔ رقیق تولید نمیکند
نتایج شبیهسازیها روشن و غیرمنتظره بود: هیچیک از سناریوهای برخوردی پایدار منجر به هستهای رقیق و گسترده شبیه آنچه جونو مشاهده کرده نشد. برعکس، مدلها نشان دادند که پس از برخوردهای عظیم، مواد چگال سنگی و یخی معمولاً دوباره به سمت مرکز فرومیریزند و هستهای با مرز مشخص و تیز شکل میدهند—یعنی دقیقاً عکسِ وضعیت واقعی مشتری.
دکتر توماس ساندنس از دانشگاه دورهام در این رابطه گفت: «در شبیهسازیهای ما چنین برخوردهایی سیاره را تا مغزِ آن تکان میدهند، اما نه به شکلی که بتواند درونیات مشتری امروز را توضیح دهد.» این جمله نشان میدهد که گرچه برخوردهای عظیم نقشهایی در تکامل سیارات دارند، اما قادر به تولید ساختارِ رقیق مشاهدهشده نیستند.
تکوین تدریجی: تبیینی جایگزین و سازگار با شواهد زحل
مطالعهای که در نشریهٔ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شد نتیجهگیری میکند که هستهٔ رقیق مشتری احتمالاً محصول فرایندهای آرامتر و درازمدت است: در طول شکلگیری سیاره، مواد سنگین و سبک بهتدریج و پیوسته جذب و با یکدیگر مخلوط شدهاند. این فرایند میتواند از تجمع ذرات نسبتاً آهستهٔ هستهای، همرفتهای گرمایی، و اختلاط در طول میلیاردها سال ناشی شود.
دکتر لوئیس تئودورو از دانشگاه اسلو اشاره کرده که یافتن ساختاری مشابه در زحل حمایت میکند از این ایده که هستههای رقیق، نتیجهٔ رخدادهای نادر و بسیار پرانرژی نیستند، بلکه محصول رشد و تکامل تدریجی سیارات غولپیکرند.
پیامدها برای سیارات فراخورشیدی و آیندهٔ پژوهش
این نتایج فراتر از سامانهٔ خورشیدی اهمیت دارند: اخترشناسان تاکنون سیارات بسیاری به اندازهٔ مشتری و زحل در پیرامون ستارگان دیگر کشف کردهاند. اگر هستههای رقیق بیشتر بهواسطهٔ رشد تدریجی شکل میگیرند، آنگاه احتمال دارد که ساختارهای درونی پیچیده و متنوعی در میان سیارات غولپیکر فراخورشیدی نیز رایج باشد. این موضوع بر تفسیر دادههای رصدی، مدلهای تشکیل سیاره و طراحی مأموریتهای آینده تأثیر میگذارد.
نتیجه گیری
شبیهسازیهای پیشرفته نشان میدهند که نظریهٔ برخورد عظیم قادر به توضیح هستهٔ رقیق مشتری نیست و برعکس، تکوین تدریجی طی میلیاردها سال، تبیینی سازگارتر و قویتر ارائه میدهد. کشف ساختاری مشابه در زحل این تفسیر را تقویت میکند و پیامدهای گستردهای برای فهمِ ساختار داخلی سیارات غولپیکر در منظومههای دیگر دارد. ادامهٔ اندازهگیریهای رصدی، توسعهٔ مدلهای فیزیکی دقیقتر و مأموریتهای نوین مانند ادامهٔ مأموریت جونو برای مشتری، کلید گشودن رازهای عمیقتر دربارهٔ شکلگیری و تکامل سیارات خواهند بود.