على الرغم من أن عمالقة الغاز في نظامنا الشمسي تختلف اختلافًا كبيرًا في الحجم والكتلة ، إلا أن لديهم شيئًا مشتركًا. تبلغ كتلة كل كوكب حوالي 10000 مرة كتلة الكتلة المجمعة لجميع أقمارها. أثناء تكوين الكواكب ، نمت الأقمار الصخرية من المواد الصلبة المحيطة بكل كوكب. مع نمو هذه الأقمار ، أدى الغاز المتبقي إلى إبطائها ، وسقطت في الكوكب ليتم استهلاكها. الأقمار التي نراها اليوم كانت آخر الأقمار التي تشكلت حول الكواكب الأم ، بعد أن تبدد الغاز.
يستضيف كل من الكواكب الغازية الخارجية في نظامنا الشمسي نظامًا من الأقمار الصناعية المتعددة ، وتشمل هذه الأجسام كوكب المشتري البركاني Io و Europa بمحيطه الجوفي المعتقد ، بالإضافة إلى تيتان بغلافه الجوي الكثيف والغني بالمواد العضوية في زحل. على الرغم من اختلاف خصائص الأقمار الصناعية الفردية ، إلا أن جميع الأنظمة تشترك في تشابه مذهل: فالكتلة الإجمالية لكل نظام قمر صناعي مقارنة بكتلة الكوكب المضيف لها تقريبًا نسبة ثابتة ، تقريبًا 1: 10000.
يقترح البحث الذي أجراه العلماء في معهد ساوث ويست للأبحاث ، والذي نُشر في عدد 15 يونيو من مجلة Nature ، تفسيرًا لسبب عرض الكواكب الغازية لهذا التناسق ، ولماذا تكون الأقمار الصناعية للكواكب الغازية أصغر بكثير مقارنة بكوكبها من الأقمار الصناعية الرئيسية لـ الكواكب الصلبة.
تتشابه أقمار جاليليو الأربعة التابعة للمشتري تقريبًا في الحجم ، بينما يمتلك زحل قمرًا صناعيًا كبيرًا واحدًا مع العديد من الأقمار الصناعية الأصغر كثيرًا. ومع ذلك ، فإن الكتلة الإجمالية في كلا نظامي الأقمار الصناعية تبلغ حوالي مائة من واحد بالمائة (0.0001) من كتلة الكوكب المعني. يشبه هيكل نظام القمر الصناعي الأوروبي هيكل كوكب المشتري ، كما أنه يُظهر نفس نسبة الكتلة. في المقابل ، تحتوي الأقمار الصناعية الكبيرة للكواكب الصلبة على أجزاء أكبر بكثير من كتل كوكبهم ، حيث يحتوي القمر على 1 في المائة (0.01) من كتلة الأرض ، ويحتوي القمر الصناعي بلوتو ، شارون ، على أكثر من 10 في المائة (0.1) من كتلته.
لماذا تمتلك الكواكب الغازية ، ولكل منها تاريخ تكوين فريد خاص بها ، أنظمة أقمار صناعية تحتوي على جزء ثابت من كتلة كل كوكب ، ولماذا هذا الجزء صغير جدًا مقارنة بالأقمار الصناعية للكوكب الصلب؟ اقترح الدكتور روبن كانوب والدكتور ويليام وارد من قسم دراسات الفضاء في SwRI أن وجود الغاز ، وبشكل أساسي الهيدروجين ، أثناء تكوين هذه الأقمار الصناعية هو الذي حد من نموها وتم اختيارها لكسر كتلة نظام الأقمار الصناعية المشترك.
عندما تشكلت الكواكب الغازية ، تراكمت غاز الهيدروجين والمواد الصلبة مثل الصخور والجليد. يُعتقد أن المرحلة الأخيرة من تكوين كوكب غازي تنطوي على تدفق كل من الغاز والمواد الصلبة من المدار الشمسي إلى مدار الكواكب ، مما ينتج عنه قرص من الغاز والمواد الصلبة يدور حول الكوكب في مستواه الاستوائي. ويعتقد أن الأقمار الصناعية قد تكونت داخل هذا القرص.
اعتبر كانوب وورد أن جاذبية القمر الصناعي المتنامي تحفز الموجات الحلزونية في قرص الغاز المحيط ، وأن تفاعلات 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 مداره نحو الداخل باتجاه الكوكب. يقترح الفريق أن التوازن بين عمليتين - التدفق المستمر للمواد إلى الأقمار الصناعية أثناء نموها وفقدان الأقمار الصناعية لتصادمها مع الكوكب - يعني حجمًا أقصى لقمر صناعي للكوكب الغازي يتوافق مع الملاحظات.
باستخدام كل من المحاكاة العددية والتقديرات التحليلية لنمو وفقدان الأقمار الصناعية ، أظهر الفريق أنه من المحتمل وجود أجيال متعددة من الأقمار الصناعية ، مع كون الأقمار الصناعية اليوم هي آخر جيل على قيد الحياة تشكل مع توقف نمو الكوكب وتبدد قرص الغاز. يوضح Canup and Ward أنه خلال الدورات المتعددة لنمو وفقدان القمر الصناعي ، فإن الجزء من كتلة الكوكب الموجود في أقماره الصناعية في أي وقت يحافظ على قيمة لا تختلف كثيرًا عن 0.0001 عبر مجموعة واسعة من خيارات معلمات النموذج.
تعد عمليات المحاكاة المباشرة للفريق أول من أنتج أنظمة أقمار صناعية مماثلة لتلك الخاصة بكوكب المشتري وزحل وأورانوس من حيث عدد الأقمار الصناعية وكتلها الأكبر ومسافات مدارات الأقمار الصناعية الكبيرة.
يقول كانوب: 'نعتقد أن نتائجنا تقدم حالة قوية مفادها أن أنظمة الأقمار الصناعية لكوكب المشتري وزحل تشكلت داخل أقراص تم إنتاجها بينما كان الكوكب نفسه في مراحل نموه النهائية'. 'ومع ذلك ، لا يزال أصل نظام القمر الصناعي الأوروبي غير مؤكد ، ويعتمد احتمال تطبيق نتائجنا على هذا الكوكب على كيفية تحقيق أورانوس لميله المحوري بنسبة 98 درجة تقريبًا ، وهو موضوع دراسة نشطة.'
بالنسبة للأنظمة خارج المجموعة الشمسية ، يشير هذا البحث إلى أن أكبر الأقمار الصناعية لكوكب كوكب المشتري ستكون بحجم القمر إلى المريخ ، لذلك لا يُتوقع أن تستضيف الكواكب الخارجية بحجم كوكب المشتري أقمارًا صناعية بحجم الأرض. هذا وثيق الصلة بإمكانية السكن للأقمار الصناعية في الأنظمة خارج المجموعة الشمسية.
مولت برامج أبحاث الجيولوجيا الكوكبية والجيوفيزياء والكواكب الخارجية التابعة لوكالة ناسا هذا البحث. المقال ، 'مقياس جماعي مشترك لأنظمة الأقمار الصناعية للكواكب الغازية' بقلم كانوب وورد ، ظهر في عدد 15 يونيو من مجلة نيتشر.
المصدر الأصلي: بيان صحفي SWRI
