حلقه‌های زحل ممکن است واقعاً خیلی قدیمی باشند

آیا این حلقه‌ها میلیاردها سال پیش، همزمان با شکل‌گیری سیاره و منظومه شمسی، به وجود آمده‌اند؟ یا اینکه در چند صد میلیون سال اخیر شکل گرفته‌اند؟
تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این حلقه‌های نمادین در واقع بسیار قدیمی هستند.

ما صدها سال پیش برای اولین بار از وجود حلقه‌های باشکوه زحل آگاه شدیم. گالیله نخستین کسی بود که آن‌ها را مشاهده کرد، اما با تلسکوپ ابتدایی‌اش نمی‌توانست تشخیص دهد که این ساختارها حلقه هستند. هیچ‌کس پیش از آن چیزی مشابه آن‌ها ندیده بود، و گالیله تصور می‌کرد که این‌ها قمرهایی هستند. دو سال بعد، وقتی دوباره به زحل نگاه کرد، آن «قمرها» ناپدید شده بودند و او را دچار سردرگمی کردند. دو سال دیگر گذشت و با مشاهده مجدد زحل، آن‌ها دوباره بازگشتند. با این حال، زاویه دید تغییر کرده بود و گالیله به این نتیجه رسید که آنچه فکر می‌کرد قمر است، در واقع «بازوهایی» از نوعی خاص است.

چند دهه بعد، کریستیان هویگنس با تلسکوپی بسیار بهتر به این نتیجه رسید که این ویژگی‌ها در واقع حلقه‌هایی هستند. او آن‌ها را به‌صورت «حلقه‌ای باریک و مسطح که در هیچ نقطه‌ای به سیاره نمی‌چسبد، متمایل به صفحه دایرهالبروج و احاطه‌کننده سیاره بدون تماس با آن» توصیف کرد.

در عصر مدرن کاوش‌های فضایی، دانشمندان توانسته‌اند نگاه دقیق‌تری به زحل و حلقه‌های آن بیندازند. فضاپیماهای ویجر ۱ و ویجر ۲ در سال‌های ۱۳۵۹ و ۱۳۶۰، دیدگاه ما را نسبت به حلقه‌های منحصربه‌فرد زحل گسترش دادند. تصاویر آن‌ها شروع به آشکار کردن پیچیدگی این حلقه‌ها، از جمله اشکال عجیب «پره‌مانند»، کردند. این راز عمیق‌تر شد.

با پرتاب تلسکوپ فضایی هابل، حلقه‌های زحل با تصاویر خیره‌کننده آن زنده‌تر شدند. این تلسکوپ نشان داد که حلقه‌ها یکنواخت نیستند و دارای حلقه‌های داخلی کم‌رنگ‌تر و حلقه‌های کوچک‌تری هستند. همچنین مشخص شد که ذرات یخی از حلقه‌ها به زحل بارش کرده و باعث گرم‌شدن جو آن می‌شوند.

با این حال، کاوشگر کاسینی بیشترین اطلاعات را درباره حلقه‌های زحل ارائه کرده است. این فضاپیما طی ۱۳ سال، زحل، قمرها و حلقه‌های آن را بررسی کرد.
داده‌های کاسینی فهم ما را از این غول گازی متحول کرد. دانشمندان دیگر محدود به تصاویر تلسکوپی یا گذرهای کوتاه ویجر نبودند. کاسینی نمای نزدیک و بی‌سابقه‌ای از زحل و حلقه‌های آن ثبت کرد و اندازه‌گیری‌های دقیقی انجام داد.

کاسینی پویایی‌های پیچیده حلقه‌ها و جزئیات ظریفی همچون پیچ‌خوردگی‌ها و توده‌ها را آشکار کرد. این کاوشگر نشان داد که چگونه حلقه‌ها به‌مرورزمان و تحت‌تأثیر جاذبه زحل و قمرها و قمرک‌هایش تغییر می‌کنند. یکی از بزرگ‌ترین کشفیات این بود که حلقه‌ها عمدتاً از یخ آب تشکیل شده‌اند.

بااین‌حال، دانشمندان هنوز درباره سن دقیق حلقه‌ها مطمئن نیستند. برخی پژوهش‌ها نشان می‌دهند که حلقه‌ها میلیاردها سال قدمت دارند، درحالی‌که برخی دیگر آن‌ها را تنها ۱۰۰ میلیون سال قدیمی می‌دانند.

تحقیق جدیدی که در Nature Geoscience منتشر شده است، نشان می‌دهد که حلقه‌ها نمی‌توانند تنها چند صد میلیون سال قدمت داشته باشند. این مقاله با عنوان «مقاومت حلقه‌های زحل در برابر آلودگی ناشی از برخورد شهاب‌واره‌های کوچک» توسط ریوکی هیودو، دانشمند سیاره‌شناس از ژاکسا و چندین دانشگاه و آژانس فضایی دیگر، نوشته شده است.

برآوردهای جوان برای حلقه‌های زحل به رنگ آن‌ها مربوط است. حلقه‌ها ظاهری تمیز دارند، درحالی‌که انتظار می‌رود تحت بمباران شهاب‌واره‌های کوچک آلوده شوند. مدل‌هایی که به سن پایین رسیده‌اند، نرخ تجمع شهاب‌واره‌ها را بالا فرض کرده‌اند. منطق می‌گوید که اگر این شهاب‌واره‌ها به حلقه‌ها برخورد کنند و به‌خوبی جذب شوند، حلقه‌ها باید بسیار تیره‌تر به نظر برسند. ازاین‌رو، حلقه‌ها باید جوان باشند. این تخمین‌ها سنی بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ میلیون سال را برای حلقه‌ها ارائه می‌دهند.

بااین‌حال، این مدل‌ها بر اساس نرخ‌های تجمع بسیار کارآمد شهاب‌واره‌ها بنا شده‌اند. در پژوهش جدید، هیودو و همکارانش برخوردهای شهاب‌واره‌های کوچک با ذرات یخی را شبیه‌سازی کردند. آن‌ها دریافتند که تجمع ممکن است به‌اندازه‌ای که تحقیقات پیشین نشان می‌داد کارآمد نباشد. در عوض، شهاب‌واره‌های غیر‌یخی ممکن است بخار شوند، گسترش یابند و سپس به ذرات باردار و یون تبدیل شوند.

این ذرات از سه طریق از سیستم حلقه‌ای خارج می‌شوند: یا با زحل برخورد می‌کنند، یا از میدان گرانشی سیاره خارج می‌شوند، یا به‌صورت الکترومغناطیسی وارد جو زحل می‌شوند.

بخش کلیدی این مطالعه و تفاوت آن با تلاش‌های قبلی در کارایی تجمع شهاب‌واره‌هاست. مدل‌های قبلی کارایی تجمع را بیش از یا برابر با ۱۰ درصد فرض کرده‌اند. اما این مطالعه نشان می‌دهد که این کارایی ممکن است بسیار کمتر باشد؛ یعنی بیش از یا برابر با تنها ۱ درصد. این بدان معناست که حلقه‌ها ممکن است بسیار قدیمی‌تر باشند و فقط به‌دلیل کارایی کم تجمع شهاب‌واره‌ها، تمیز به نظر برسند و ظاهری آلوده پیدا نکنند.

نویسندگان مقاله می‌نویسند: «بنابراین، ما پیشنهاد می‌کنیم که جوان‌بودن ظاهری حلقه‌های زحل می‌تواند به‌دلیل مقاومت در برابر آلودگی باشد، نه سن تشکیل جوان.»

این پژوهش آخرین کلمه درباره حلقه‌های زحل و سن آن‌ها نخواهد بود. همه مدل‌ها محدودیت‌هایی دارند و هیودو و همکارانش نیز به برخی محدودیت‌های مدل خود اذعان دارند. مدل آن‌ها تخلخل، استحکام یا دانه‌بندی ذرات حلقه را در نظر نگرفته است.

بااین‌حال، این مطالعه تأکید می‌کند که نیروهای پویایی در تکامل اجرام سیاره‌ای نقش دارند و برخی از فرضیات دیرینه ما نیاز به بازنگری دارند.