برخورد میان سیارات هم‌سنگ می‌تواند مشکل عطارد را توضیح دهد

رازها در سراسر منظومه‌ی شمسی فراوان‌اند. گرچه گاهی به نظر می‌رسد که بشر چیزهای زیادی درباره‌ی منظومه‌ی خود آموخته است، اما کافی است هر جرم آسمانی را انتخاب کنید تا به سرعت به پرسش‌هایی بی‌پاسخ برسید. این موضوع درباره‌ی کوچک‌ترین سیاره‌ی منظومه‌ی شمسی، عطارد، نیز کاملاً صدق می‌کند.

راز اصلی عطارد در هسته‌ی آن نهفته است. رصدهای رادیویی زمینی در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی نشان داد که عطارد هسته‌ای بسیار بزرگ دارد. سپس مأموریت مارینر ۱۰ در سال ۱۹۷۵ که نخستین فضاپیما به‌سوی عطارد بود، اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری انجام داد. نهایتاً مأموریت مسنجر در سال‌های ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۵ قانع‌کننده‌ترین شواهد را به دست داد و ثابت کرد که هسته‌ی این سیاره واقعاً بسیار بزرگ است. به دلایلی ناشناخته، این سیاره‌ی کوچک دارای هسته‌ای است که حدود ۷۰ درصد جرم کل سیاره را تشکیل می‌دهد. برای مقایسه، هسته‌ی زمین تنها حدود ۳۰ درصد و هسته‌ی مریخ حدود ۲۵ درصد جرم این سیارات را در بر می‌گیرد. این ناهنجاری گاه با عنوان «معمای عطارد» شناخته می‌شود.

فرضیه‌ی برخورد غول‌آسا

فرضیه‌ی اصلی که تاکنون برای توضیح این معما ارائه شده این است که عطارد قربانی یک برخورد عظیم با جرمی دیگر شده است. چنین برخوردی بخش زیادی از پوسته و گوشته‌ی عطارد را از بین برده و تنها لایه‌ای نازک از پوسته و گوشته را بر جای گذاشته که بر هسته‌ای بزرگ و فلزی قرار دارد. با این حال، شبیه‌سازی‌های عددی نشان داده‌اند که برخورد میان اجرامی با جرم‌های بسیار متفاوت رویدادی بسیار نادر در منظومه‌ی شمسی بوده است.

تحقیقی تازه که در نشریه‌ی نیچر آسترونومی (Nature Astronomy) منتشر شده، روایت متفاوتی را پیشنهاد می‌کند. این پژوهش می‌گوید که عطارد واقعاً نتیجه‌ی یک برخورد است، اما جرم برخوردکننده نه بزرگ‌تر از عطارد، بلکه تقریباً هم‌اندازه با آن بوده است. عنوان مقاله چنین است:
«شکل‌گیری عطارد از رهگذر یک برخورد مماسی عظیم میان اجرامی با جرم مشابه».
نویسنده‌ی اصلی، پاتریک فرانکو، از مؤسسه‌ی فیزیک زمین در دانشگاه پاریس سیتی، فرانسه است.

برخورد میان اجرام هم‌جرم؛ سناریوی محتمل‌تر

فرانکو و همکارانش می‌نویسند:

«خاستگاه عطارد هنوز در مقایسه با دیگر سیارات سنگی منظومه‌ی شمسی به‌خوبی درک نشده است. برای توضیح ساختار درونی آن، معمولاً یک برخورد غول‌آسا مطرح می‌شود. با این حال، بیشتر پژوهش‌ها فرض می‌کنند که چنین برخوردی میان اجرامی با جرم‌های بسیار متفاوت رخ داده است، چیزی که بر اساس شبیه‌سازی‌های N-body بسیار نادر است.»

سناریوی کلاسیکِ برخورد غول‌آسا بیان می‌کرد که یک پیش‌عطارد با جرمی حدود ۲٫۲۵ برابر جرم کنونی عطارد با جرمی بسیار کوچک‌تر (حدود یک‌ششم آن) برخورد کرده و پوسته‌ی ضخیم و بخشی از گوشته‌اش را از دست داده است. اما چون چنین برخوردهای نامتقارن بسیار کمیاب‌اند، پژوهشگران اکنون می‌گویند راه‌حل منطقی‌تر این است که عطارد نتیجه‌ی یک برخورد مماسی با جرمی هم‌جرم خود باشد.

به گفته‌ی فرانکو:

«از طریق شبیه‌سازی نشان می‌دهیم که شکل‌گیری عطارد نیازی به برخوردهای استثنایی ندارد. یک برخورد مماسی میان دو جرم سیاره‌ای با جرم‌های مشابه می‌تواند به‌خوبی ترکیب درونی عطارد را توضیح دهد. این از نظر آماری و پویایی بسیار محتمل‌تر است.»

آشوب در منظومه‌ی شمسی اولیه

منظومه‌ی شمسی در نخستین ده‌ها میلیون سال شکل‌گیری، بسیار آشفته و پرهرج‌ومرج بود. اجرام سنگی و جنین‌های سیاره‌ای (Planetary embryos) در ناحیه‌ی داخلی منظومه بر سر جایگاه رقابت می‌کردند. مدارها دائماً دستخوش اختلال می‌شدند و برخوردهای متعدد میان اجرام تقریباً اجتناب‌ناپذیر بود. در چنین محیطی، برخورد میان اجرام هم‌جرم بسیار رایج‌تر از برخوردهای نامتقارن بود.

فرانکو توضیح می‌دهد:

«آن‌ها اجرامی در حال تحول بودند، درون یک گهواره‌ی سیاره‌ای. این اجرام بر هم اثر گرانشی می‌گذاشتند، مدارهای یکدیگر را بر هم می‌زدند و حتی با هم برخورد می‌کردند تا سرانجام پیکربندی‌های پایدار و مشخص امروزی به وجود آمد.»

شبیه‌سازی‌های SPH

برای آزمودن این ایده، پژوهشگران به سراغ شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیک ذره‌ی هموار (SPH) رفتند. این روش یکی از پرکاربردترین ابزارها برای شبیه‌سازی رفتار گازها، مایعات و جامدات در حرکت است و در زمینه‌ی برخوردهای سیاره‌ای اهمیت ویژه‌ای دارد.

نتایج نشان دادند که این مدل می‌تواند هم جرم کلی عطارد و هم نسبت غیرمعمول فلز به سیلیکات در ترکیب آن را با دقتی بهتر از ۵ درصد بازتولید کند. این نسبت غیرمعمول یعنی هسته‌ی فلزی در مقایسه با گوشته و پوسته‌ی سیلیکاتی بیش از حد بزرگ است.

فرانکو می‌گوید:

«ما فرض کردیم که عطارد در آغاز ترکیبی مشابه دیگر سیارات سنگی داشته است. برخورد مورد نظر حدود ۶۰ درصد از گوشته‌ی اولیه‌ی آن را جدا کرده و همین امر فلزینگی زیاد عطارد را توضیح می‌دهد.»

سرنوشت مواد از دست‌رفته

اما پرسش مهم این است که مواد جداشده چه شدند؟ در بسیاری از شبیه‌سازی‌های برخوردهای نامتقارن، مواد جداشده دوباره به سیاره بازمی‌گردند. اگر چنین چیزی برای عطارد هم رخ داده بود، امروز عطارد ساختاری شبیه سیارات دیگر می‌داشت.

در مدل فرانکو، شرایط اولیه به‌گونه‌ای بود که بخشی از مواد جداشده به فضا پرتاب شدند و هرگز بازنگشتند. این امر نسبت غیرمعمول هسته به گوشته را در عطارد حفظ کرده است.

به نوشته‌ی پژوهشگران:

«این سناریو در نخستین ده‌ها میلیون سال شکل‌گیری منظومه رخ داده است، زمانی که چندین مکانیزم می‌توانست مانع بازگشت مواد شود. اجرام فراوانی همچون سیارک‌ها و جنین‌های سیاره‌ای وجود داشتند که می‌توانستند بقایا را پراکنده کنند.»

نقش احتمالی زهره

یک احتمال جالب این است که مواد جداشده در نهایت توسط سیاره‌ی همسایه، زهره، جذب شده باشند و همین امر سبب شده زهره کمی پرجرم‌تر شود. فرانکو می‌گوید:

«اگر این برخورد در مدارهای نزدیک به هم رخ داده باشد، یکی از احتمالات این است که این مواد توسط سیاره‌ای دیگر در حال شکل‌گیری، شاید زهره، جذب شده باشند. این فرضیه نیاز به بررسی‌های عمیق‌تر دارد.»

آینده‌ی پژوهش‌ها

پژوهش‌های آینده برای درک بهتر این موضوع نیازمند بررسی ژئوشیمیایی نه‌تنها عطارد، بلکه شهاب‌سنگ‌ها و حتی نمونه‌هایی از خود عطارد است. تاکنون تنها طرح‌های مفهومی برای بازگشت نمونه از عطارد مطرح شده است. آژانس فضایی اروپا (ESA) در میانه‌ی دهه‌ی ۲۰۰۰ ایده‌ی استفاده از بادبان خورشیدی برای چنین مأموریتی را بررسی کرد، اما بیشتر در حد یک آزمایش ذهنی باقی ماند.

با این حال، مأموریت مشترک بپی‌کلمبو (BepiColombo) متعلق به ESA و JAXA قرار است در سال ۲۰۲۶ به عطارد برسد. این مأموریت شامل دو مدارگرد مکمل است که بیش از ۲۰ ابزار علمی را حمل می‌کنند. این ابزارها قرار است هسته‌ی جامد و مایع عطارد را اندازه‌گیری کنند، میدان‌های مغناطیسی و گرانشی آن را نقشه‌برداری کنند و داده‌هایی دقیق درباره‌ی ساختار سیاره ارائه دهند. هرچند نتایج آن ممکن است فرضیه‌ی برخورد هم‌جرم را به‌طور قطعی تأیید نکند، اما بی‌شک درک ما از عطارد را بسیار پیش خواهد برد.

فرانکو در پایان می‌گوید:

«عطارد همچنان کم‌بررسی‌شده‌ترین سیاره در منظومه‌ی شمسی است. اما این وضعیت در حال تغییر است. نسل تازه‌ای از پژوهش‌ها و مأموریت‌ها در راه‌اند و بی‌تردید یافته‌های هیجان‌انگیزی پیش روی ما قرار دارد.»