بعدها مشخص شد که این غول گازی به دلیل چرخش سریع خود، دارای برآمدگی قابل توجهی در استوا است؛ جوی پرتلاطم دارد و مکانیسمهای داخلی پیچیدهای در آن جریان دارد. دانشمندان حتی «دور کمر» آن را با دقت تا یکدهم کیلومتر اندازهگیری کرده بودند. حالا تصور کنید بزرگترین سیاره منظومه شمسی هستید و ناگهان به شما میگویند که آنقدرها هم بزرگ نیستید که فکر میکردید! اگر انسان بودیم، شاید خوشحال میشدیم که لاغرتر از تصورمان هستیم، اما جوپيتر چطور واکنش نشان میدهد؟
ما شاید هرگز ندانیم جوپيتر از این که کمی «لاغرتر» شده چه احساسی دارد، اما تیمی بینالمللی از پژوهشگران به رهبری مؤسسه علمی وایزمن در اسرائیل، از این کشف شگفتانگیز بسیار هیجانزدهاند. این یافته تازه در مجله Nature Astronomy منتشر شده و بر اساس دادههای دقیقتر از مأموریتهای گذشته و فعلی ناسا به دست آمده است.
برای رسیدن به این نتیجه، پژوهشگران از ترکیبی از دادههای مأموریتهای قدیمی و جدید استفاده کردند: کاوشگرهای پایونیر ۱۰ و پایونیر ۱۱ که به ترتیب در دسامبر ۱۹۷۳ و دسامبر ۱۹۷۴ از کنار جوپيتر گذشتند؛ وویجر ۱ و وویجر ۲ که در مارس و ژوئیه ۱۹۷۹ به جوپيتر رسیدند؛ و مهمتر از همه، کاوشگر جونو که از ژوئیه ۲۰۱۶ در مدار جوپيتر قرار دارد و همچنان فعال است.
روشهای اندازهگیری: از گذشته تا امروز
در مأموریتهای پایونیر و وویجر، از تکنیکی به نام رادیو اکولتاسیون (radio occultation) استفاده شد. در این روش، وقتی کاوشگر پشت سیاره قرار میگیرد و سیگنال رادیویی آن از دید زمین پنهان میشود، امواج رادیویی هنگام عبور از جو سیاره خمیده میشوند. این خمیدگی به دانشمندان اجازه میدهد اندازه شعاع سیاره را تخمین بزنند. پایونیر این روش را برای اولین بار به کار برد و نه تنها شعاع جوپيتر را اندازه گرفت، بلکه برآمدگی استوایی آن را هم تأیید کرد – چیزی که اولین بار توسط جووانی کاسینی در سال ۱۶۶۶ پیشنهاد شده بود.
وویجر این روش را بهبود بخشید و اندازهگیریهای دقیقتری از جو ارائه داد. از آن زمان تاکنون، اعداد بهدستآمده از وویجر به عنوان مرجع رسمی استفاده میشدند.
اما جونو رویکرد پیشرفتهتری دارد. این کاوشگر از رادیو اکولتاسیون چندزاویهای (multi-angle radio occultation) استفاده میکند که جوپيتر را به «برشهای» مختلف تقسیم میکند و تغییرات دقیقتری را ثبت مینماید. علاوه بر این، جونو از علم گرانش (gravity science) بهره میبرد: اندازهگیری تغییرات بسیار کوچک سرعت کاوشگر به دلیل تأثیر گرانش عظیم جوپيتر. این تغییرات به دانشمندان کمک میکند ساختار داخلی و توزیع جرم را بهتر درک کنند.
در نهایت، پژوهشگران به دقیقترین اندازهگیریهای تاکنون رسیدهاند:
- شعاع قطبی (از قطب به مرکز): ۶۶٬۸۴۲ کیلومتر (۴۱٬۵۳۳ مایل)
- شعاع استوایی: ۷۱٬۴۸۸ کیلومتر (۴۴٬۴۲۰ مایل)
- شعاع میانگین: ۶۹٬۸۸۶ کیلومتر (۴۳٬۴۸۷ مایل)
این اعداد به ترتیب ۱۲ کیلومتر، ۴ کیلومتر و ۸ کیلومتر کوچکتر از تخمینهای قدیمی هستند. حاشیه خطا برای همه این اندازهگیریها تنها ۰٫۴ کیلومتر (حدود ۰٫۲۵ مایل) است – دقت فوقالعادهای!
برآمدگی بیشتر: جوپيتر «پهنتر» از آنچه فکر میکردیم
این تغییرات کوچک به معنای آن است که تفاوت بین شعاع استوایی و قطبی جوپيتر حدود ۷ درصد بیشتر از تخمینهای قبلی است. به عبارت دیگر، جوپيتر مسطحتر (flatter) و «لهشدهتر» از آنچه تصور میشد ظاهر میشود.
برای مقایسه: در زمین، شعاع استوایی فقط حدود ۰٫۳۳ درصد بزرگتر از شعاع قطبی است. اما جوپيتر با وجود جرم بیش از ۳۰۰ برابر زمین، حدود ۲۰ برابر مسطحتر از زمین است. این مسطح بودن به دلیل چرخش سریع سیاره (یک روز جوپيتری تنها ۱۰ ساعت طول میکشد) ایجاد میشود که نیروی گریز از مرکز، مواد را به سمت استوا هل میدهد.
این یافته نشان میدهد که بادهای قوی جوی (zonal winds) تأثیر بیشتری بر شکل سیاره دارند تا آنچه قبلاً فرض میشد. بادها عمدتاً باروتروپیک (barotropic) هستند، یعنی تغییرات عمودی کمی دارند و تأثیرشان در ارتفاعات بالاتر هم حفظ میشود.
اهمیت این کشف کوچک
شاید ۴ تا ۱۲ کیلومتر در مقیاس یک سیاره غولپیکر ناچیز به نظر برسد، اما این اعداد تأثیر بزرگی بر مدلهای علمی دارند:
- مدلهای ساختار داخلی جوپيتر (مانند توزیع هیدروژن فلزی، هسته احتمالی و لایههای یخی) حالا دقیقتر میشوند.
- تناقضهای قبلی بین اندازهگیریهای گرانشی جونو، دادههای کاوشگر گالیله و دماهای بهدستآمده از وویجر حل میشود.
- جو جوپيتر احتمالاً فلزغنیتر و سردتر از آنچه تصور میشد است.
- این اندازهگیریها مرجع دقیقتری برای فشارهای مختلف (مانند سطح ۱ بار) فراهم میکنند و به تفسیر بهتر دینامیک جو کمک میکنند.
ماریا اسمیرنوا، دانشجوی دکترا در مؤسسه وایزمن و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، میگوید: «ما نحوه خم شدن سیگنالهای رادیویی هنگام عبور از جو جوپيتر را ردیابی کردیم. این اطلاعات را به نقشههای دقیق دما و چگالی تبدیل کردیم و واضحترین تصویر تاکنون از اندازه و شکل این غول سیاره را به دست آوردیم.» او روش جدیدی برای پردازش دادههای جونو توسعه داد که نقش کلیدی در این پیشرفت داشت.
پیشرفت علم در ۵۰ سال گذشته
این مطالعه نشان میدهد که چگونه ابزارها و روشها در نیمقرن گذشته پیشرفت کردهاند. در دهه ۱۹۷۰، تنها شش اندازهگیری از پایونیر و وویجر داشتیم با عدم قطعیت حدود ۴ کیلومتر. حالا با دادههای متعدد جونو (از جمله ۱۳ پرواز نزدیک)، عدم قطعیت به یکدهم رسیده و بادها هم در محاسبات لحاظ شدهاند.
این روشها نه تنها برای جوپيتر، بلکه برای دیگر غولهای گازی مانند زحل، اورانوس و نپتون هم قابل استفاده هستند. حتی میتوان آنها را برای سیارات فراخورشیدی (exoplanets) به کار برد و درک بهتری از شکل و ساختار آنها به دست آورد.
جوپيتر هنوز بزرگترین است!
با وجود این که کمی کوچکتر و مسطحتر از تصور قبلی است، جوپيتر همچنان سلطان منظومه شمسی باقی میماند. بیش از ۱۳۰۰ زمین در آن جا میگیرد و جرمش چنان عظیم است که اگر ستارهای کوچک بود، میتوانست به همجوشی هیدروژن برسد.
این کشف یادآوری میکند که علم همیشه در حال تکامل است. آنچه امروز دقیقترین اندازهگیری است، فردا ممکن است با ابزارهای بهتر اصلاح شود. جوپيتر همچنان به ما درسهای زیادی میدهد: از رازهای هستهاش گرفته تا طوفانهای عظیم و اقمار شگفتانگیزش.
در سالهای آینده و دهههای پیش رو، جونو و مأموریتهای بعدی (مانند JUICE اروپا یا مأموریتهای پیشنهادی ناسا) چه رازهای جدیدی از «فیزیک» جوپيتر آشکار خواهند کرد؟ فقط زمان پاسخ خواهد داد.
همانطور که همیشه میگوییم: علم را ادامه دهید و به آسمان نگاه کنید!