اکنون می‌دانیم سیاره‌ها چگونه از درون دیسک‌های گاز و غبار پیرامون ستارگان جوان به‌وجود می‌آیند و تحت تأثیر گرانش، ادغام، و تجمع ماده رشد می‌کنند. با این حال، شکل‌گیری ماه‌ها داستانی متفاوت و پیچیده‌تر است. بر خلاف سیاره‌ها، ماه‌ها همواره در سایه سیاره‌ی میزبان خود شکل می‌گیرند و دینامیک آن‌ها تحت تأثیر مستقیم آن سیاره و محیط اطرافش است. از این رو، فهم منشأ ماه‌ها، به‌ویژه ماه‌های بزرگ منظومه‌ی شمسی، یکی از چالش‌های مهم کیهان‌شناسی و سیاره‌شناسی است.
محققان بر این باورند که ماه زمین حاصل برخوردی عظیم در حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش بوده است؛ زمانی که جرمی به اندازه مریخ با زمین اولیه برخورد کرد و بخشی از پوسته و گوشته زمین به فضا پرتاب شد و به‌تدریج ماه را پدید آورد. اما این سناریوی خشونت‌آمیز را نمی‌توان برای توضیح سامانه‌های ماهی بزرگ، مانند ماه‌های گالیله‌ای مشتری، به‌کار برد. چرا که این ماه‌ها (آیو، اروپا، گانیمد و کالیستو) نه تنها از نظر اندازه با هم مقایسه‌پذیرند، بلکه ساختار و مدار آن‌ها نشان از فرآیندی منظم‌تر و متفاوت دارد.
در سال‌های اخیر، پژوهشگران دانشگاه برن، از جمله «یوهیتو شیبایک» و «یان آلیبِر»، به بررسی مدل‌های گوناگون شکل‌گیری این سامانه پرداخته‌اند. آنان در فصل جدیدی از یک کتاب و نیز در مقاله‌ای پیش‌انتشار، دیدگاه‌های مختلف درباره منشأ ماه‌های گالیله‌ای و دیگر سامانه‌های مشابه را مرور کرده‌اند.
دیسک پیرامون مشتری: آزمایشگاهی برای شکل‌گیری ماه‌ها
ماه‌های گالیله‌ای بخشی از آنچه «دیسک پیرامون مشتری» (Circum-Jovian Disc یا CJD) نامیده می‌شود، هستند. این دیسک شباهت زیادی به «دیسک پیرامون‌ستاره‌ای» (CSD) دارد که خورشید و دیگر ستارگان جوان را در بر می‌گیرد، اما در مقیاسی کوچک‌تر و با مشتری در مرکز. CJD شامل گاز، غبار و اجرام کوچک است و محیطی مناسب برای شکل‌گیری ماه‌ها فراهم می‌کند.
البته باید دانست که مشتری تنها میزبان چهار ماه بزرگ نیست. این سیاره بیش از ۹۳ ماه شناخته‌شده دیگر نیز دارد. بیشتر آن‌ها کوچک‌ترند و احتمالاً از طریق فرآیندهایی متفاوت، مانند به‌دام‌افتادن گرانشی، ایجاد شده‌اند. از این رو، پژوهش درباره ماه‌های گالیله‌ای فرصتی منحصربه‌فرد برای فهم چگونگی پیدایش سامانه‌های ماهی بزرگ در سیاره‌های غول‌پیکر است.
سه تفاوت بنیادین با شکل‌گیری سیاره‌ها
بر اساس مقاله دانشگاه برن، سه تفاوت اصلی میان شکل‌گیری سیاره‌ها و ماه‌ها وجود دارد:
- سرعت شکل‌گیری: ماه‌ها در مقیاسی بسیار سریع‌تر شکل می‌گیرند، چیزی در حدود ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر از سیاره‌ها.
- جریان ماده: سامانه ماهی همواره در حال تبادل ماده است؛ از یک سو از دیسک پیرامون‌ستاره‌ای ماده دریافت می‌کند و از سوی دیگر بخشی از آن ماده به سیاره مرکزی سقوط می‌کند. در مورد CJD، این مرکز همان مشتری است.
- تعداد نمونه‌ها: از زمان کشف سیاره‌های فراخورشیدی در ۳۰ سال گذشته، هزاران سامانه سیاره‌ای شناسایی شده، اما نمونه‌های سامانه‌های ماهی بزرگ بسیار محدود است. تا امروز تنها مشتری و زحل میزبان چنین سامانه‌هایی شناخته شده‌اند.
مدل‌های شکل‌گیری ماه‌های گالیله‌ای
یکی از نخستین مدل‌های ارائه‌شده در دهه ۱۹۸۰، «مدل حداقل جرم» بود. این مدل فرض می‌کرد که دیسک پیرامون مشتری ایستا بوده و جرم کلی آن تقریباً برابر با مجموع جرم ماه‌های گالیله‌ای است. اما این مدل ایستایی و سادگی بیش از حد داشت و بسیاری از پرسش‌ها را بی‌پاسخ می‌گذاشت.
در سال ۲۰۰۲، مدل جدیدی به نام «دیسک گاز-فقیر» معرفی شد. در این مدل، دیسک اولیه مشتری فقیر از ماده بود، اما به مرور زمان با جذب گرانشی از دیسک پیرامون‌ستاره‌ای غنی شد. این جذب گرانشی نقش کلیدی در مرحله دوم شکل‌گیری ماه‌های گالیله‌ای داشت. با این حال، مشتری به‌عنوان سیاره‌ای بسیار پرجرم، مسیر مداری خود را پاکسازی می‌کند و مواد بزرگ‌تر از حدی مشخص را از محیط اطراف می‌زداید. بنابراین، ماه‌ها برای رشد بیشتر ناگزیر از استفاده از ذرات کوچک‌تر، مانند غبار ریز، بودند.
روش دیگری که مطرح می‌شود، «به‌دام‌افتادن سیارک‌واره‌ها» یا اجرام اولیه است. بر اساس این ایده، هسته‌های اجسام بزرگ‌تر که می‌توانستند خود سیاره شوند، تحت تأثیر گرانش مشتری گرفتار شدند و به ماه‌های آن تبدیل گشتند. حتی ممکن است زحل در این فرآیند نقش داشته باشد؛ یعنی با برهم‌زدن مدار برخی اجرام و تغییر مسیر آن‌ها، زمینه‌ی به‌دام‌افتادنشان توسط مشتری را فراهم کرده باشد.
ویژگی‌های متفاوت ماه‌های گالیله‌ای
ماه‌های گالیله‌ای اگرچه در یک سامانه مشترک شکل گرفته‌اند، اما تفاوت‌های چشمگیری دارند. برای مثال:
- آیو: فعال‌ترین جسم آتشفشانی منظومه شمسی است که سطح آن همواره در حال بازسازی است.
- اروپا: پوسته‌ای یخی دارد و احتمال می‌رود اقیانوسی زیرسطحی در آن وجود داشته باشد؛ نامزد اصلی جستجوی حیات فرازمینی.
- گانیمد: بزرگ‌ترین ماه منظومه شمسی است و حتی از سیاره عطارد هم بزرگ‌تر. گانیمد تنها ماهی است که میدان مغناطیسی داخلی دارد.
- کالیستو: بر خلاف سه ماه دیگر، نه در رزونانس مداری با مشتری است و نه به‌طور کامل تفکیک‌یافته (هسته، گوشته و پوسته جداگانه ندارد). برخی مدل‌ها آن را «نیمه‌تمام» می‌دانند و بر این باورند که فرآیند شکل‌گیری‌اش هنوز کامل نشده است.
این تفاوت‌ها می‌توانند نشانه‌ای از مسیرهای مختلف شکل‌گیری باشند و به دانشمندان کمک کنند تا نظریه‌های گوناگون را بیازمایند.
آینده پژوهش و مأموریت‌های فضایی
با وجود پیشرفت‌های نظری، بسیاری از پرسش‌ها درباره منشأ ماه‌های گالیله‌ای بی‌پاسخ مانده است. مأموریت‌های فضایی نقشی کلیدی در این میان دارند. فضاپیمای گالیله در دهه ۱۹۹۰ داده‌های ارزشمندی از سامانه مشتری گرد آورد. اکنون فضاپیمای جونو در حال مطالعه دقیق جو و میدان مغناطیسی مشتری است. افزون بر این، مأموریت کاوشگر یخی مشتری (JUICE) که توسط آژانس فضایی اروپا طراحی شده، در سال‌های آینده ماه‌های گالیله‌ای را از نزدیک بررسی خواهد کرد.
با این حال، حتی این مأموریت‌ها نیز محدودند. برای آزمودن کامل نظریه‌ها نیاز به داده‌های بیشتر، به‌ویژه از فرا-ماه‌های احتمالی در سامانه‌های سیاره‌ای دیگر داریم. اما کشف چنین ماه‌هایی دشوار است؛ زیرا اندازه‌شان نسبت به سیاره‌ها کوچک‌تر است و تأثیرشان بر منحنی نوری یا سرعت شعاعی ستاره میزبان بسیار ضعیف‌تر. با این وجود، با پیشرفت ابزارهای رصدی و تلسکوپ‌های نسل جدید، احتمال دارد در آینده نزدیک شاهد کشف نخستین سامانه‌های چند فرا-ماه باشیم.
جمع‌بندی
مطالعه ماه‌های گالیله‌ای نه تنها به درک فرآیند شکل‌گیری آن‌ها کمک می‌کند، بلکه سرنخ‌های مهمی درباره تاریخچه منظومه شمسی و حتی امکان حیات در جهان‌های دیگر به ما می‌دهد. این ماه‌ها آزمایشگاهی طبیعی برای بررسی تعامل گرانش، دینامیک دیسک‌های گازی و رشد اجرام آسمانی‌اند. هر چه داده‌های بیشتری از مأموریت‌های فضایی و مشاهدات به‌دست آید، می‌توانیم بهتر دریابیم که چگونه چنین سامانه‌های پیچیده‌ای شکل می‌گیرند.
