یک دقیقه صبر کن چرا هیچ یک از قمرهای منظومه شمسی حلقه ندارند؟

ما ماه‌های گرم و ماه‌های سرد داریم. یک ماه مایع و ماه‌های زیادی که غبارآلود هستند وجود دارد. یک سیاره ماهی شبیه گردو دارد و سیاره دیگر قمرهایی مانند سیب‌زمینی دارد.

اما از حدود ۳۰۰ قمر کشف شده تا به امروز، حتی یک قمر حلقه دار نیست.

این، در واقع، عجیب است.

از هشت سیاره منظومه شمسی، نیمی از آنها حلقه هایی از غبار و یخ دارند که به دور استوای خود می چرخند. گمان می رود مریخ زمانی حلقه داشته است. برخی از سیارات کوتوله حلقه دارند (اگرچه گاهی اوقات ستاره شناسان نمی توانند بفهمند چگونه). حتی برخی از سیارک ها دارای حلقه هستند.

در حین مطالعه مفهوم قمرهای حلقه‌دار خارج از منظومه شمسی – که ماه‌های تاج‌دار نامیده می‌شوند – بود که این سوال اخترفیزیکدان ماریو سوکرکیا از دانشگاه آدولفو ایبانیز در شیلی و همکارانش را آزار داد.

اگر سیارات غول پیکر در منظومه شمسی ما حلقه دارند و اگر قنطورس ها (سیارک های فراتر از مدار مشتری) و اجرام فرا نپتونی نیز دارای حلقه هستند، چرا قمرهای منظومه شمسی حلقه ندارند؟ Sucerquia به ScienceAlert توضیح داد.

با توجه به شیوع حلقه‌ها در جاهای دیگر، این غیبت غیرمعمول به نظر می‌رسید، بنابراین ما می‌خواستیم بررسی کنیم که آیا ممکن است دلایل دینامیکی زمینه‌ای وجود داشته باشد که از تشکیل حلقه یا ثبات طولانی مدت در اطراف قمرها جلوگیری می‌کند.

ما هنوز قمر دیگری در خارج از منظومه شمسی شناسایی نکرده‌ایم، اما Sucerquia و همکارانش در سال ۲۰۲۱ این فرضیه را مطرح کردند که اگر یک سیستم حلقه‌ای به اندازه کافی بزرگ وجود داشته باشد، می‌تواند به اندازه‌ای نور ستاره را مسدود کند که خود را قابل شناسایی کند.

اما بعد به ذهنشان رسید که ما هرگز قمر با حلقه‌ها را ندیده‌ایم – این احتمال بسیار واقعی را ایجاد می‌کند که آنها نمی‌توانند وجود داشته باشند.

خوب، زمانی که شما یک ستاره شناس هستید و یک سوال و ابزار شبیه سازی در اختیار دارید، تنها یک کار وجود دارد: شما مدل های کوچکی از سیستم های کیهانی می سازید و مطالعه می کنید که وقتی آنها را به حرکت در می آورید چه اتفاقی می افتد.

اکنون، مواد خام زیادی وجود دارد که از آن حلقه‌ها می‌توانند در اطراف قمرهای مختلف منظومه شمسی تشکیل شوند. برخی از آنها در دهانه ها پوشیده شده اند. گرد و غبار خارج شده در حین ضربه می تواند به طور بالقوه یک حلقه تشکیل دهد. برخی دیگر بخار یا گاز را خارج می کنند. پس مشکلی وجود ندارد.

محققان با پیش بینی تاثیر گرانشی ماه، سیاره میزبان آن، و احتمالاً سایر قمرها، برای نشستن حلقه ها بسیار قدرتمند هستند، محققان آزمایش هایی را با استفاده از شبیه سازی های N-body طراحی و اجرا کردند.

به عنوان مثال، انسلادوس، قمر سیاره زحل که دارای فعالیت‌های زمین‌شناسی قابل توجهی است، بخار آب، ذرات یخ و گازها را از چشمه‌های آبفشان خود در ناحیه قطبی جنوبی آزاد می‌کند. سوکرکیا توضیح داد که این پدیده ناشی از تعاملات شدید با قمرهای همسایه و تأثیر آن بر حلقه E زحل است.

به عبارت دیگر، در حالی که قمرها بخشی از مواد خام حلقه‌ها را تولید می‌کنند، محیط اطراف تضمین می‌کند که سیاره پرجرم‌تر آن را حفظ می‌کند و از تشکیل حلقه‌ها در اطراف خود قمرها جلوگیری می‌کند.

تا به امروز، ناسا ۲۹۳ قمر را در مدار سیارات منظومه شمسی ثبت کرده است که بیشتر آنها در مشتری و زحل هستند. قمرهایی نیز وجود دارند که به دور سیارات کوتوله و حتی سیارک ها می چرخند.

Sucerquia و تیمش شبیه‌سازی‌های خود را برای تقلید از قمرهایی طراحی کردند که می‌توان در اطراف اجرام منظومه شمسی، از زمین با یک قمر تا ماهواره‌های بزرگ‌تر مشتری و زحل، در طی یک میلیون سال تکامل یافت. آنها می خواستند پایداری این اجرام، محیط گرانشی آنها، سیستم های حلقه احتمالی و چگونگی تغییر آنها در طول زمان را مطالعه کنند.

و نتایج به هیچ وجه آن چیزی نبود که محققان انتظار داشتند.

Sucerquia گفت: ‘من در ابتدا انتظار داشتم که حلقه ها کاملاً ناپایدار باشند، که مستقیماً به این سوال پاسخ می داد. با این حال، برخلاف انتظار ما، متوجه شدیم که این ساختارها در بسیاری از موارد کاملاً پایدار هستند.’

در واقع، ما قبلاً در مقاله قبلی نشان داده بودیم که قمرهای ایزوله می توانند حلقه های ثابتی داشته باشند، اما پیش بینی نمی کردیم که قمرها در یک محیط گرانشی متخاصم، با بسیاری از قمرها و سیارات دیگر که حلقه های خود را مختل می کنند، همچنان ثبات خود را حفظ کنند. شگفتی زمانی رخ داد که متوجه شدیم این محیط‌های متخاصم به جای تخریب حلقه‌ها، در واقع با ایجاد ساختارهایی مانند شکاف‌ها و امواج، مشابه آنچه در حلقه‌های زحل مشاهده می‌شود، زیبایی زیادی به آن‌ها بخشیده است.

برخی ویژگی‌ها در قمرهای منظومه شمسی وجود دارد که نشان از وجود حلقه‌ها در گذشته دارد. شبیه‌سازی‌ها از پیشنهاداتی پشتیبانی می‌کنند که زباله‌های یافت شده در مدار قمر زحل رئا می‌توانند آخرین بقایای چیزی باشند که زمانی یک سیستم حلقه کامل بود. و قمر زحل یاپتوس دارای یک خط الراس استوایی است که می تواند بقایای حلقه ای باشد که بر روی ماه افتاده است، درست زمانی که حلقه های زحل به آرامی به سمت غول گاز می بارد.

این یافته ها نشان می دهد که دلیل اینکه ما هیچ حلقه ماه در منظومه شمسی را نمی بینیم این است که ما در زمان مناسب در مکان مناسب نبودیم. به گفته محققان، فشار تابش خورشید، میدان‌های مغناطیسی، گرمایش داخلی و پلاسمای مگنتوسفری، همگی در از بین رفتن حلقه‌های ماه که زمانی وجود داشته‌اند، نقش داشته‌اند.

Sucerquia گفت: ‘من معتقدم که ما ممکن است در این زمینه تا حدودی بدشانس بوده باشیم، زیرا در دوره ای که این ساختارها دیگر وجود ندارند، شروع به مشاهده جهان کردیم. پس از انجام این مطالعه، من متقاعد شدم که این حلقه ها احتمالا در گذشته وجود داشته اند.’ .

این یک جور دانر است. ولی خیلی قابل قبوله مطالعات نشان می دهد که تنها دلیلی که ما حلقه های زحل را می بینیم این است که در زمان مناسب در مکان مناسب قرار داریم. ما فقط به همین دلیل خسوف هایی را می بینیم که انجام می دهیم. ماه در حال دور شدن از زمین است و به مرور زمان برای مسدود کردن کامل خورشید بسیار دور خواهد بود.

محققان بر این باورند که شبیه‌سازی‌های بیشتر که شامل پارامترهای بیشتری مانند فشار تشعشع و میدان‌های مغناطیسی می‌شود، می‌تواند به ما کمک کند تا کمبود حلقه‌های ماه را با جزئیات بیشتری درک کنیم. سوکرکیا پیشنهاد کرد که ما همچنین باید قمرها را با دقت بیشتری مطالعه کنیم و به دنبال شواهد گذشته از حلقه‌ها، مانند خط الراس یاپتوس باشیم.

در همین حال، او و همکارانش در حال گسترش جستجوی خود هستند و به دنبال قمرهای حلقه‌ای هستند که ممکن است به دور جهان‌های بیگانه در حال چرخش به دور ستاره‌های بیگانه باشند.

او به ScienceAlert گفت: من نمی‌توانم در مورد اسطوره‌شناسی و داستان‌هایی که ممکن است از ساکنان جهان‌های دیگر که قمرهایشان حلقه‌هایی در آن‌ها دارند، سر برآورم. ‘اگر ماه ما حلقه‌هایی داشت، داستان‌ها و فرهنگ ما چقدر متفاوت می‌بود؟ امکانات بی‌پایان هستند.’

این تحقیق در زمینه اخترشناسی و اخترفیزیک پذیرفته شده است و در arXiv موجود است.