این غول گازی، برخلاف آنچه پژوهشگران پیشتر تصور میکردند، دارای یک هستهٔ صلب و مشخص نیست. در گذشته انتظار میرفت که مرکز مشتری مانند سیارات سنگی، هستهای کاملاً سنگی و فشرده داشته باشد و پس از آن لایههای گازی هیدروژن و هلیوم به شکل منظم اطراف آن قرار گیرند. اما دادههای تازه نشان میدهد که این تصویر ساده چندان درست نیست.
بر اساس مشاهدات، مشتری دارای چیزی است که اخترشناسان آن را «هستهٔ رقیق» یا dilute core مینامند. این هسته مرز مشخصی ندارد و بهتدریج در لایههای بالاتر غنی از هیدروژن حل میشود و منطقهای انتقالی و نرم را شکل میدهد. به عبارت دیگر، هیچ خط مرزی تیز و قاطعی بین سنگ و یخهای متراکم مرکز و گازهای سبکتر بالایی وجود ندارد، بلکه همه چیز بهآرامی در هم آمیخته است.
این ساختار غیرمنتظره نخستین بار توسط فضاپیمای جونوی ناسا کشف شد؛ کاوشگری که از سال ۲۰۱۶ تاکنون در مدار مشتری به گردش مشغول است. این کشف اخترشناسان را غافلگیر کرد، زیرا درک رایج از سیارات غولپیکر چنین بود که باید هستهای روشن و بهخوبی تعریفشده داشته باشند. شگفتی زمانی بیشتر شد که مشاهدات بعدی نشان داد زحل، دومین غول گازی منظومهٔ شمسی، نیز به نظر میرسد هستهای مشابه و رقیق داشته باشد.
یکی از توضیحات محبوب برای این پدیدهٔ عجیب، نظریهای بود که به یک برخورد فاجعهبار در آغاز تاریخ مشتری اشاره داشت. بر اساس این فرضیه، جرمی بسیار عظیم ـ شاید جرمی شامل نیمی از مواد هستهای مشتری ـ با سیارهٔ جوان برخورد کرده است. شدت این برخورد آنقدر بالا بوده که مرکز مشتری را کاملاً در هم آمیخته و مواد متراکم سنگ و یخ را با هیدروژن و هلیوم سبک اطرافش مخلوط کرده است. در نتیجه، مرز هسته از بین رفته و ساختار رقیق کنونی شکل گرفته است.
برای آزمودن این نظریه، گروهی از پژوهشگران دانشگاه دارام در بریتانیا تصمیم گرفتند با کمک شبیهسازیهای قدرتمند رایانهای آن را بررسی کنند. این تیم در همکاری با دانشمندان ناسا، مؤسسهٔ SETI و دانشگاه اسلو، از ابررایانهٔ DiRAC COSMA استفاده کردند. آنها با بهرهگیری از نرمافزارهای پیشرفته، سناریوهای گوناگون برخورد اجرام بزرگ با سیاراتی هماندازهٔ مشتری را مدلسازی کردند. شبیهسازیها شامل طیفی از برخوردهای ملایم تا برخوردهای بسیار شدید و خشونتبار بود و روشهای تازهای نیز برای بازنمایی دقیقتر مخلوط شدن مواد در این حوادث به کار رفت.
نتایج بهروشنی و برخلاف انتظار به دست آمد. هیچیک از شبیهسازیها موفق نشدند هستهای پایدار و رقیق همانند آنچه در مشتری دیده میشود ایجاد کنند. برعکس، مدلهای رایانهای نشان دادند که پس از یک برخورد عظیم، مواد سنگی متراکم خیلی زود دوباره به مرکز فرو میروند و مرزی تیز میان هسته و لایههای گازی بالایی پدید میآورند؛ دقیقاً مخالف چیزی که فضاپیمای جونو مشاهده کرده است.
دکتر توماس ساندنس از دانشگاه دارام در این باره گفت:
«ما در شبیهسازیهایمان میبینیم که چنین برخوردی واقعاً سیاره را از درون میلرزاند، اما نه به شکلی که بتواند ساختار داخلی مشتری امروزی را توضیح دهد.»
نظریهٔ شکلگیری تدریجی
این پژوهش که در نشریهٔ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شد، نشان میدهد که هستهٔ رقیق مشتری احتمالاً از طریق فرایندی بسیار آرامتر و تدریجی شکل گرفته است. بر اساس این دیدگاه، به جای آنکه یک برخورد بزرگ و ناگهانی علت این ساختار باشد، مشتری طی میلیاردها سال و در جریان رشد خود، بهتدریج هم مواد سنگین (مانند سنگ و یخ) و هم مواد سبک (هیدروژن و هلیوم) را در لایههای درونیاش جمع کرده است. این فرآیند آرام و پیوسته باعث شده که مرکز سیاره به جای یک هستهٔ سخت و مشخص، بهتدریج با لایههای گازی اطراف آمیخته و در نتیجه هستهای رقیق به وجود آید.
این نظریه همچنین با کشف مشابه دربارهٔ زحل تقویت میشود. دکتر لوئیس تئودورو از دانشگاه اسلو توضیح داد:
«ساختار مشابه زحل نشان میدهد که هستههای رقیق احتمالاً نتیجهٔ برخوردهای نادر و فوقالعاده پرانرژی نیستند، بلکه طی فرایند طولانی رشد و تکامل سیارات غولپیکر بهطور طبیعی شکل میگیرند.»
پیامدهای فراتر از منظومهٔ شمسی
اهمیت این یافتهها فقط به مشتری و زحل محدود نمیشود. در دهههای اخیر، اخترشناسان هزاران سیارهٔ فراخورشیدی کشف کردهاند و بسیاری از آنها در اندازههایی مشابه مشتری یا زحل هستند. اگر هستههای رقیق نتیجهٔ فرآیندهای تدریجی و رایج در شکلگیری سیارات باشند، به احتمال زیاد بسیاری از این جهانهای دور نیز دارای ساختارهای داخلی پیچیدهای مشابه هستند.
این پژوهش یادآور میشود که اگرچه برخوردهای عظیم بدون تردید نقش مهمی در تاریخ شکلگیری سیارات ایفا کردهاند، اما نمیتوانند تمام ویژگیهای کنونی آنها را توضیح دهند. مشتری با هستهٔ عجیب و رقیقش نشان میدهد که طبیعت بسیار پیچیدهتر از آن است که تنها با یک سناریوی فاجعهبار توضیح داده شود.
به بیان دیگر، همانطور که دانشمندان هر روز با دادههای تازه به اسرار سیارات منظومهٔ شمسی نزدیکتر میشوند، همچنان با پرسشهای بنیادین تازهای مواجه میگردند. هستهٔ مشتری تنها یکی از این رازهاست و یادآوری میکند که جهان هنوز شگفتیهای فراوانی در دل خود دارد.
