این پرسشی است که یک پژوهش علمی اخیر، منتشرشده در نشریه معتبر Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)، تلاش کرده است به آن پاسخ دهد. در این پژوهش، گروهی از دانشمندان به بررسی چگونگی توزیع آب در بخشهای مختلف جو مشتری پرداختهاند. اهمیت این مطالعه تنها در شناختی که درباره خود آب در مشتری به ما میدهد خلاصه نمیشود، بلکه میتواند دریچه تازهای برای فهم پویاییهای جوی، ساختار داخلی، تاریخچه شکلگیری و حتی سیر تکامل این سیاره عظیم نیز بگشاید.
چرا آب در مشتری مهم است؟
آب، هرچند در ظاهر تنها یکی از اجزای فرعی جو مشتری است، اما دقیقاً همان عنصری است که میتواند کلید فهم بسیاری از فرآیندهای بنیادین این سیاره باشد. از آنجا که مشتری عمدتاً از هیدروژن (حدود ۸۹ درصد) و هلیوم (حدود ۱۰ درصد) تشکیل شده است، سایر ترکیبات موجود در جو آن، هرچند درصد بسیار اندکی دارند، اما در تحلیلهای علمی نقش پررنگی ایفا میکنند. در میان این گازهای فرعی، بخار آب جایگاهی ویژه دارد؛ زیرا حضور، مقدار و رفتار آن میتواند نشان دهد که مواد اولیه سازنده مشتری چه بودهاند و چه فرایندهایی در زمان تشکیل این غول گازی رخ داده است.
استفاده از مدلهای رایانهای برای شبیهسازی چرخه آب
در این مطالعه، پژوهشگران مجموعهای از مدلهای رایانهای بسیار پیشرفته را برای شبیهسازی چرخه آب در مشتری به کار گرفتند. تمرکز اصلی آنها بر نواحی میانعرضی این سیاره بود؛ یعنی مناطقی که نه در نزدیکی استوا قرار دارند و نه جزو مناطق قطبی محسوب میشوند. دلیل این انتخاب آن بود که دادههای مأموریت جونو (Juno)، فضاپیمای ناسا که هماکنون در مدار مشتری و برخی از اقمار آن گردش میکند، نشانههایی از ناهنجاریها و بینظمیهایی را در این بخشها از جو مشتری ثبت کرده بود.
این ناهنجاریها نشان میدادند که پدیدههایی در عمق جو مشتری در جریان است؛ پدیدههایی که با آنچه در ظاهر ابرهای سطحی دیده میشود، سازگاری کامل ندارند. بنابراین، پژوهشگران برای توضیح این رفتارهای غیرعادی، از مدلسازی بهره گرفتند تا چرخه آب و بارش در این سیاره را بهتر درک کنند.
نقش چرخش بسیار سریع مشتری در رفتار آب
یکی از نکات کلیدی که مدلها آشکار کردند، تأثیر عظیم سرعت چرخش سیاره مشتری بر رفتار آب در جو آن بود. برای مقایسه، زمین هر ۲۴ ساعت یکبار به دور خود میچرخد. اما مشتری، با اینکه ۳۱۸ برابر جرم زمین را دارد و بدین ترتیب یک غول بیبدیل در منظومه شمسی به شمار میرود، تنها ۱۰ ساعت زمان نیاز دارد تا یک دور کامل به دور خود بزند! این سرعت چرخش فوقالعاده زیاد، پیامدهای بزرگی برای جو این سیاره بههمراه دارد.
براساس این پژوهش، چرخش سریع مشتری میتواند سبب شود آب موجود در جو آن، پس از تشکیل، بهصورت باران درون لایههای عمیقتر جو فرو بریزد. به بیان دیگر، این چرخه بارشی تنها محدود به لایههای بالایی نیست، بلکه بارش آب میتواند تا اعماق پایینتر ادامه پیدا کند. آنها پیشنهاد میکنند که میزان بارندگی در اعماق، بیشتر از سطح است و این افزایش “رطوبت” در لایههای زیرین، یکی از عوامل ایجاد ناهنجاریهای مشاهدهشده توسط جونو است.
مشتری؛ نخستین سیاره منظومه شمسی و نقش آن در رسیدن آب به زمین
یکی از دلایل جذابیت این پژوهش آن است که یافتههای آن فقط درباره مشتری نیست؛ بلکه میتواند درباره تاریخچه زمین نیز سرنخهای جدیدی در اختیار دانشمندان قرار دهد. سالهاست که دانشمندان پیشنهاد کردهاند که مشتری اولین سیارهای بوده که در منظومه شمسی شکل گرفته است. اگر چنین باشد، تأثیر آن بر سایر اجرام منظومه شمسی، از جمله زمین، بسیار مهمتر از چیزی است که در نگاه اول بهنظر میرسد.
فرضیههای جدید نشان میدهند که مشتری ممکن است نقش تعیینکنندهای در رساندن آب به زمین ایفا کرده باشد. شاید این سیاره با گرانش عظیم خود، دنبالهدارها، اجرام یخی و سیارکهایی را که مملو از آب بودهاند، بهسوی زمین هدایت کرده باشد. یا شاید مهاجرت مداری مشتری در نخستین دوران شکلگیری منظومه شمسی موجب شده باشد که قرص پیشسیارهای، یعنی همان ابری از گاز و غبار که زمین و سایر سیارههای سنگی درون آن شکل گرفتند، دوباره جابهجا شده و مواد غنی از آب را به نواحی نزدیک خورشید منتقل کرده باشد.
ایجاد نظریهای فراتر از مشتری
دکتر هواژی گِه (Huazhi Ge)، پژوهشگر پسادکتری در مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) و نویسنده اصلی این مقاله، میگوید:
«هرچند تمرکز ما در این مطالعه بر مشتری است، اما هدف نهایی ما ایجاد یک نظریه جامع درباره آب و دینامیک جوّی است که بتواند برای سایر سیارهها، حتی سیارههای خارج از منظومه شمسی نیز کاربرد داشته باشد.»
این جمله نشان میدهد که اهمیت این پژوهش بسیار فراتر از یک سیاره است. آب و رفتار آن در جو سیارهها برای اخترفیزیک و علوم سیارهای حیاتی است؛ زیرا آب یکی از مهمترین نشانگرهای تشکیل سیارهها و حتی امکان وجود حیات به شمار میرود.
شباهت مشتری با فراسیارهها (اگزُوپلنتها)
تا زمان نگارش این گزارش، بیش از ۶۰۰۰ فراسیاره (اگزُوپلنت) توسط ناسا تأیید شدهاند. نکته جالب اینجاست که حدود یکسوم این سیارهها، از نوع غولهای گازی مشابه مشتری هستند. بنابراین، مشتری نهتنها بزرگترین سیاره منظومه شمسی است، بلکه نقش یک آزمایشگاه طبیعی را برای مطالعه جوّ فراسیارههای مشابه نیز ایفا میکند.
در حالی که مشتری در فاصله حدود ۷۸۸ میلیون کیلومتر از خورشید قرار دارد و تقریباً ۱۲ سال طول میکشد تا یک دور کامل به گرد خورشید بزند، برخی از فراسیارههای غولپیکر مشاهدهشده، بسیار نزدیکتر به ستاره میزبان خود میچرخند. این اجرام، که به آنها مشتریهای داغ (Hot Jupiters) و مشتریهای بسیار داغ (Ultra-hot Jupiters) میگویند، تنها چند روز طول میکشد تا یک مدار کامل را طی کنند.
نمونهای از مشتری داغ: سیاره HD ۱۸۹۷۳۳ b
یکی از شناختهشدهترین مشتریهای داغ، سیاره HD ۱۸۹۷۳۳ b است. این سیاره در فاصله حدود ۶۴/۵ سال نوری از زمین قرار دارد و تنها ۲٫۲۲ روز طول میکشد تا یک بار به دور ستاره خود بخورد. برای مقایسه، عطارد که نزدیکترین سیاره منظومه شمسی به خورشید است، ۸۸ روز طول میکشد تا یک مدار کامل را طی کند.
این فاصله بسیار نزدیک باعث ایجاد پدیدههای جوی فوقالعاده در این سیاره میشود. برای مثال:
- بادهایی با سرعت ۲ کیلومتر بر ثانیه (حدود ۷۲۰۰ کیلومتر بر ساعت)
- بارش باران شیشهای (ذرات سیلیکاتی)
- اختلاف دمای شدید بین نیمکره روز و شب
سهم ناچیز آب در جو مشتری، اما اهمیت بسیار زیاد آن
با وجود تمام یافتههای جدید، باید به این نکته توجه کرد که آب در جو مشتری تنها حدود ۰/۲۵ درصد از ترکیب کلی آن را تشکیل میدهد. طبیعتاً هیدروژن و هلیوم سهم اصلی را دارند. اما در کنار اینها، گازهای دیگری نیز وجود دارند که مقدارشان بسیار کمتر است، مانند:
- متان
- آمونیاک
- نئون
- آرگون
- و سایر گازهای کمیاب
اما اهمیت همین مقدار اندک آب در این است که میتواند اطلاعات ارزشمندی درباره شکلگیری منظومه شمسی، تاریخچه مشتری و حتی منشاء آب روی زمین در اختیار دانشمندان قرار دهد.
چشمانداز آینده تحقیقات درباره آب در مشتری
اینکه دانشمندان در سالها و دهههای آینده چه یافتههای جدیدی درباره آب در جو مشتری به دست خواهند آورد، هنوز مشخص نیست. اما چیزی که مسلم است این است که هر کشف جدید در این زمینه میتواند دریچه تازهای برای فهم بهتر سیارهها، تشکیل منظومهها و شاید حتی سرنوشت حیات در کیهان بگشاید.
و این همان دلیلی است که ما علم را دنبال میکنیم؛ برای کشف ناشناختهها، برای فهم بیشتر جهان و برای پاسخدادن به پرسشهایی که شاید هزاران سال ذهن بشر را مشغول کردهاند.
