على الرغم من اختلاف عمالقة الغاز في نظامنا الشمسي بشكل كبير في الحجم والكتلة ، إلا أن لديهم شيئًا مشتركًا. ومع نمو هذه الأقمار بشكل أكبر ، أبطأ غازها المتبقي ، وسقطت في الكوكب ليتم استهلاكها. كانت الأقمار التي نراها اليوم هي الأخيرة التي تكونت حول الكواكب الأم ، بعد أن تبدد الغاز.
يستضيف كل من الكواكب الغازية الخارجية لنظامنا الشمسي نظامًا من الأقمار الصناعية المتعددة ، وتشمل هذه الأجسام البركاني Io و Europa مع محيطه تحت سطح الأرض ، بالإضافة إلى Titan مع الغلاف الجوي الكثيف والغني العضوي في زحل. بينما تختلف خصائص السواتل الفردية ، تشترك جميع الأنظمة في تشابه مذهل: الكتلة الإجمالية لكل نظام ساتلي مقارنة بكتلة كوكبها المضيف تقريبًا نسبة ثابتة تقريبًا ، تقريبًا 1: 10000.
يقترح البحث الذي أجراه العلماء في معهد ساوثويست للأبحاث ، الذي نشر في عدد 15 يونيو من الطبيعة ، تفسيرًا لماذا تعرض الكواكب الغازية هذا الاتساق ، ولماذا تكون أقمار الكواكب الغازية أصغر بكثير مقارنة بكوكبها من الأقمار الصناعية الرئيسية الكواكب الصلبة.
تتشابه أقمار المشتري الأربعة الجليلية تقريبًا في الحجم ، بينما يحتوي زحل على قمر صناعي كبير واحد مع العديد من الأقمار الصناعية الأصغر بكثير. ومع ذلك ، فإن الكتلة الإجمالية في كلا النظامين الساتليين تبلغ حوالي مائة في المئة (0.0001) من كتلة الكوكب المعني. يشبه هيكل نظام الأقمار الصناعية Uranian هيكل المشتري ، ويظهر أيضًا نسبة الكتلة نفسها. في المقابل ، تحتوي الأقمار الصناعية الكبيرة للكواكب الصلبة على أجزاء أكبر بكثير من كتل كوكبها ، حيث يحتوي القمر على 1 في المائة (0.01) من كتلة الأرض ، والقمر الصناعي بلوتو ، تشارون ، يحتوي على أكثر من 10 في المائة (0.1) من كتلته.
لماذا تحتوي الكواكب الغازية ، لكل منها تاريخ تكوين فريد خاص بها ، على أنظمة ساتلية تحتوي على جزء ثابت من كتلة كل كوكب ، ولماذا هذا الجزء صغير جدًا مقارنة بالأقمار الصناعية للكوكب الصلب؟ يقترح الدكتور روبين كانوب والدكتور ويليام وارد من قسم دراسات الفضاء في SWRI أن وجود الغاز ، الهيدروجين في المقام الأول ، أثناء تكوين هذه الأقمار الصناعية هو الذي حد من نموها واختيارها لجزء كتلة نظام ساتلي مشترك.
عندما تشكلت الكواكب الغازية ، تراكمت لديهم غاز الهيدروجين والمواد الصلبة مثل الصخور والجليد. يعتقد أن المرحلة النهائية من تكوين كوكب الغاز تتضمن تدفق كل من الغاز والمواد الصلبة من المدار الشمسي إلى المدار الكوكبي ، وتنتج قرصًا من الغاز والمواد الصلبة التي تدور حول الكوكب في مستواه الاستوائي. ويعتقد أن الأقمار الصناعية تكونت داخل ذلك القرص.
اعتبر كانوب وورد أن جاذبية القمر الصناعي المتنامي تثير موجات لولبية في قرص غاز محيط ، وأن التفاعلات الجاذبية بين هذه الموجات والقمر الصناعي تتسبب في تقلص مدار القمر الصناعي. يصبح هذا التأثير أقوى مع نمو القمر الصناعي ، بحيث كلما زاد حجم القمر الصناعي ، زادت سرعة دوران لولبه نحو الداخل نحو الكوكب. يقترح الفريق أن توازن عمليتين - التدفق المستمر للمواد إلى الأقمار الصناعية أثناء نموها وفقدان الأقمار الصناعية للتصادم مع الكوكب - يعني الحد الأقصى لحجم قمر صناعي لكوكب الغاز يتوافق مع الملاحظات.
باستخدام كل من المحاكاة العددية والتقديرات التحليلية لنمو وفقدان السواتل ، أظهر الفريق أن أجيالًا متعددة من السواتل كانت محتملة ، مع كون الأقمار الصناعية اليوم هي آخر جيل باق على قيد الحياة تشكل مع توقف نمو الكوكب وتلاشي قرص الغاز. يوضح Canup و Ward أنه خلال دورات متعددة من نمو وخسارة القمر الصناعي ، فإن جزء كتلة الكوكب الموجود في أقماره الصناعية يحافظ على قيمة لا تختلف كثيرًا عن 0.0001 عبر مجموعة واسعة من خيارات معلمات النموذج.
تعد المحاكاة المباشرة للفريق أيضًا أول من أنتج أنظمة ساتلية مماثلة لتلك الخاصة بالمشتري وزحل وأورانوس من حيث عدد الأقمار الصناعية وأكبر كتلها والمباعدة بين مدارات الأقمار الصناعية الكبيرة.
يقول كانوب: "نعتقد أن نتائجنا تقدم حجة قوية مفادها أن أنظمة الأقمار الصناعية للمشتري وزحل تشكلت في أقراص أنتجت بينما كان الكوكب نفسه في مراحل نموه النهائية". "ومع ذلك ، لا يزال أصل نظام الأقمار الصناعية في أوران أكثر غموضا ، ويعتمد احتمال أن تكون نتائجنا قابلة للتطبيق على هذا الكوكب على كيفية تحقيق أورانوس ميله المحوري الذي يصل إلى 98 درجة ، وهو موضوع دراسة نشطة."
بالنسبة للأنظمة خارج المجموعة الشمسية ، يشير هذا البحث إلى أن أكبر الأقمار الصناعية لكوكب المشتري الشامل سيكون بحجم القمر إلى المريخ ، بحيث لا يُتوقع أن تستضيف الكواكب الخارجية بحجم جوفيان أقمارًا صناعية كبيرة مثل الأرض. وهذا مرتبط بالسكن المحتمل للسواتل في الأنظمة خارج المجموعة الشمسية.
قامت برامج ناسا لأبحاث الجيولوجيا الكوكبية والجيوفيزياء والكواكب الخارجية بتمويل هذا البحث. تظهر مقالة "مقياس الكتلة المشترك للأنظمة الساتلية للكواكب الغازية" ، بقلم كانوب وورد ، في عدد 15 يونيو من مجلة Nature.
المصدر الأصلي: بيان صحفي من SWRI
