چرا هیچ قمر گازی در منظومه شمسی وجود ندارد؟

به گزارش ایسنا، قمرها به شکل‌های مختلفی ظاهر می‌شوند. در منظومه شمسی ما قمرهای سنگی مانند قمر زمین، قمرهای اقیانوسی مانند اروپا و انسلادوس و قمرهای یخی مانند تریتون وجود دارند اما تاکنون هیچ قمر گازی شناخته نشده است. آیا وجود نداشتن هیچ قمر گازی از بدشانسی ماست یا به دلایل فیزیکی است؟

در واقع، قمرهای گازی وجود دارند اما در منظومه شمسی ما نیستند. اگرچه تاکنون بیش از ۵۵۰۰ سیاره فراخورشیدی کشف شده اما تنها دو قمر فراخورشیدی احتمالی دیده شده است که هیچ یک هنوز ۱۰۰ درصد تایید نشده‌اند. چیزی که در مورد این دو قمر بیرونی عجیب به نظر می‌رسد، این است که آنها غول‌های گازی هستند و به دور غول‌های گازی بزرگتری می‌چرخند. در هر حال، همان‌طور که خواهیم دید، آنها استثناهایی هستند که یک قاعده را ثابت می‌کنند.برای درک اینکه چرا قمرهای گازی حداقل در منظومه شمسی ما وجود ندارند، بهتر است ابتدا چگونگی تشکیل شدن سیاره‌های غول‌پیکر گازی را درک کنیم.دو سناریو برای تشکیل شدن غول‌های سیاره‌ای گازی وجود دارد. یکی از آنها «پایین به بالا» و دیگری «بالا به پایین» نامیده می‌شود.

تشکیل شدن سیاره‌های گازی از پایین به بالا
شکل‌گیری از پایین به بالا یا «برافزایش هسته»، نحوه شکل‌گیری سیاره‌های غول گازی منظومه شمسی است. اگر می‌توانستیم ۴.۵ میلیارد سال به عقب سفر کنیم، خورشید جوانی را می‌دیدیم که توسط قرصی از گاز و غبار احاطه شده است. این همان قرص پیش‌سیاره‌ای است که همه سیاره‌ها از آن تشکیل شده‌اند. آنها ابتدا به صورت اجرام سنگی تشکیل شدند و با جمع‌آوری گرد و غبار، سنگ‌ریزه‌ها و سیارک‌ها رشد کردند. برخی از آنها به اندازه مریخ یا زهره بزرگ شدند اما برخی دیگر به رشد خود ادامه دادند و به صورت اجرام سنگی غول‌پیکری با جرم ۱۰ برابر مشتری درآمدند.

هنگامی که سیاره‌ها به این جرم رسیدند، گرانش آنها به قدری قوی بود که بخش‌های بزرگی از گاز قرص پیش‌سیاره‌ای را جذب کردند. اینکه دقیقا چه مقدار گاز به سرقت بردند و چقدر بزرگ شدند، به نیروی جاذبه آنها و میزان گاز موجود بستگی داشت. در نهایت، منظومه شمسی ما با چهار سیاره غول گازی مشتری، زحل، اورانوس و نپتون باقی ماند. ماموریت «جونو»(Juno) ناسا به سیاره مشتری با شناسایی گرانش یک هسته بزرگ، سنگی و در عین حال پراکنده که جرم آن به ۱۰ برابر زمین در مرکز مشتری می‌رسد، به یافتن شواهدی برای حمایت از مدل برافزایش هسته کمک کرده است.

تشکیل شدن سیاره‌های گازی از بالا به پایین
در مدل از بالا به پایین، سیاره‌های گازی درست مانند ستاره‌ها مستقیما از یک توده گاز در حال فروپاشی در یک سحابی تشکیل می‌شوند. با وجود این، چنین فرآیندی می‌تواند کمترین مقدار جرم را تولید کند.وقتی توده بزرگی از گاز تحت نیروی گرانش خود انقباض می‌یابد، گرم می‌شود زیرا گاز در یک حجم کوچک‌تر و در نتیجه متراکم‌تر جای می‌گیرد اما وقتی گاز گرم است، می‌خواهد منبسط شود و به همین دلیل، توده گاز برای حفظ انقباض باید گرمای اضافی را از خود خارج کند. در نتیجه، ما اغلب شاهد فروپاشی ابرهای گازی هستیم که در پرتو انرژی فروسرخ حرارتی می‌درخشند.

با وجود این، یک عامل محدودکننده به نام «محدودیت شفافیت برای تکه‌تکه شدن» وجود دارد. «سم پیرسون»(Sam Pearson) پژوهشگر «آژانس فضایی اروپا» گفت: تابش گرمای کافی به طوری که گاز خنک شود و همچنان فرو بریزد، به کدورت غبار و دما و چگالی بستگی دارد و این فرآیند با اجرام کوچک‌تر، کارآیی بسیار کمتری دارد؛ تا جایی که این فرآیند در جرم حدود سه مشتری نمی‌تواند گرمای کافی را برای ادامه فروپاشی ساطع کند.
هرچه حجم کمتر باشد، غبار غلیظ‌تر و مات‌تر می‌شود و فرآیند تابش گرمای اضافی حاصل از انقباض گرانشی به طور فزاینده‌ای ناکارآمد می‌شود. بنابراین، هیچ چیز کوچک‌تر از جرم سه مشتری نمی‌تواند در فرآیند بالا به پایین تشکیل شود.

چرا منظومه شمسی قمر گازی ندارد؟
بیشتر قمرهای منظومه شمسی مانند سیاره‌های مادر خود، در فرآیند برافزایش هسته از پایین به بالا در قرص‌هایی از مواد باقی‌مانده تشکیل شده‌اند که حلقه‌های سیاره مادر آنها را تشکیل می‌دهند. از آنجا که سیاره‌ها قبلا بیشتر مواد موجود را جمع کرده بودند، مقدار مواد به‌جامانده کافی نبود تا قمری را با جرمی به آن اندازه تشکیل دهد که گرانش کافی را برای نگه داشتن مقدار زیادی گاز داشته باشد. در واقع، تنها یک قمر در منظومه شمسی، جو دارد و آن بزرگ‌ترین قمر زحل موسوم به تایتان است. به طور مشابه، یک فرآیند از بالا به پایین نمی‌توانست اتفاق بیفتد زیرا گاز به قدر کافی باقی نمانده بود و اگر این اتفاق می‌افتاد، قمری با حداقل جرم سه مشتری می‌توانست با اختلاف بسیار کمی بزرگترین نمونه در منظومه شمسی باشد.

قمرهای عجیب
بدین ترتیب، قمرهای گازی نمی‌توانند از طریق دو فرآیند متعارف تولید سیاره‌های گازی تشکیل شوند. با وجود این، چندین مورد عجیب در منظومه شمسی وجود دارند که به روش متفاوتی شکل گرفته‌اند.قمر زمین احتمالا از مواد پرتاب‌شده از زمین و در پی یک برخورد بزرگ با یک پیش‌سیاره به اندازه مریخ تشکیل شده است. این مواد، حلقه‌ای را تشکیل دادند که قمر زمین را از طریق برافزایش هسته ایجاد کرد. حال این پرسش شکل می‌گیرد که آیا برخورد با یک غول گازی می‌تواند گاز کافی را برای تشکیل شدن یک قمر گازی به بیرون پرتاب کند.

پاسخ منفی است. «جسی کریستینسن»(Jessie Christiansen) پژوهشگر «مؤسسه فناوری کالیفرنیا»(Caltech) گفت: سیاره‌های سنگی می‌توانند چنین برخوردهایی داشته باشند اما زمانی را به یاد بیاورید که دنباله‌دار «شومیکر-لوی ۹»(Shoemaker–Levy 9) در سال ۱۹۹۴ به مشتری برخورد کرد و ناپدید شد. غول‌های گازی همه چیز را می‌خورند.هر چیزی که با یک غول گازی برخورد کند، به جای پرتاب کردن زباله به فضا فقط به صورت زیرمجموعه غول گازی در می‌آید و بخشی از آن می‌شود.

قمرهای تسخیرشده
یکی دیگر از موارد عجیب، قمرهای تسخیرشده هستند. به عنوان مثال، دو قمر مریخ موسوم به «فوبوس» و «دیموس»، قمرهای تسخیرشده هستند. بیرونی‌ترین قمر زحل موسوم به «فوبه» یک جرم دنباله‌دار تسخیرشده به شمار می‌رود و قمر نپتون موسوم به «تریتون»، یک جرم «کمربند کویپر» است. آنها در اطراف یک سیاره تشکیل نشدند، بلکه به تنهایی در فضا شکل گرفتند و بعدا در فاصله خیلی نزدیک سرگردان شدند و به دام گرانش یک سیاره افتادند.در اینجا یک پرسش مطرح می‌شود مبنی بر اینکه آیا یک سیاره گازی کوچک‌تر می‌تواند توسط یک سیاره گازی بزرگ‌تر اسیر شود؟ به هر حال، سیاره‌های گازی می‌توانند به اندازه ۱۲ برابر مشتری جرم داشته باشند. بنابراین، آنها در اصل می‌توانند به راحتی یک سیاره گازی به اندازه نپتون را بگیرند.

قمرهای گازی فراخورشیدی
کریستینسن گفت: ممکن است قمرهایی به اندازه نپتون در اطراف سیاره‌های فراخورشیدی غول‌پیکر وجود داشته باشند.دو قمر فراخورشیدی ذکرشده در ابتدای این مقاله، قمرهای «کپلر ۱۶۲۵بی-آی»(Kepler 1625b-i) و «کپلر ۱۷۰۸بی-آی»(Kepler 1708b-i) هستند که هر دو به نوبه خود غول‌ گازی به شمار می‌روند اما به نظر می‌رسد قمرهایی برای غول‌های گازی بزرگ‌تر باشند.

کریستینسن گفت: تاکید می‌کنم که هر دوی این قمرها گزینه احتمالی هستند. ما چیزی را در داده‌ها می‌بینیم که با ویژگی‌های یک قمر سازگار است اما اطلاعات دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند آن را توضیح دهند.کپلر ۱۶۲۵بی-آی با فرض اینکه یک قمر واقعی است، جرمی معادل ۱۹ برابر جرم زمین(حدود شش درصد جرم مشتری) را دارد. این باعث می‌شود که از نظر جرم شبیه به نپتون باشد و یک سیاره گازی با جرم ۳۰ برابر زمین و به قطر نصف مشتری را همراهی کند.کپلر ۱۷۰۸ بی-آی سنگین‌تر است. این قمر وزنی حدود ۳۷ برابر جرم زمین را دارد و به دور یک سیاره‌ غول‌پیکر با جرم ۴.۶ برابر مشتری می‌چرخد. کریستینسن گفت: آنها نظریه‌های بسیاری را به چالش می‌کشند. به سختی می‌توان راهی پیدا کرد که نشان بدهد آنها به این صورت شکل گرفته‌اند. بنابراین، احتمالا اسیر شده‌اند.اسیر شدن اجرام در اصل آنها را به قمرهای گرفتار شده در منظومه شمسی شبیه می‌کند. آنها مانند سیاره‌ها از تجمع هسته در یک قرص تشکیل شده و سپس به دلیل مهاجرت کردن به سمت ستاره خود اسیر شده‌اند.

به نظر می‌رسد مهاجرت، یک فرآیند رایج در منظومه‌های سیاره‌ای جوان است. ستاره‌شناسان در مورد سیاره‌های فراخورشیدی موسوم به «مشتری داغ» توضیح دادند که غول‌های گازی بسیار نزدیک به ستاره‌ خود هستند اما ممکن است از نزدیک شکل گرفته باشند. قمرهای فراخورشیدی کپلر ۱۶۲۵ بی-آی و کپلر ۱۷۰۸ بی-آی هنگام مهاجرت، گرفتار سیاره‌های بزرگ‌تری شدند که در مقابل آنها قرار داشتند.

با وجود این، آنها احتمالا قمر واقعی نیستند. در عوض، هر دو احتمالا بیشتر نمونه‌هایی از سیاره‌های دوتایی هستند تا قمرهای فراخورشیدی. سیاره دوتایی زمانی شکل می‌گیرد که به جای چرخیدن یک سیاره به دور دیگری، هر دو سیاره به دور مرکز یک جرم مشترک در فضای بین خود بچرخند. ما یک سیاره دوتایی در منظومه شمسی خود داریم که پلوتون و بزرگترین همدم آن «شارون» است.بنابراین، قمرهای گازی به نوعی وجود دارند اما طبیعت برای ساختن آنها باید تقلب کند.