دانشمندان احتمالا راز ناپایداری عجیب مدار پلوتو را کشف کرده‌اند
در یک شبیه‌سازی تازه دانشمندان با بررسی مدار پلوتو تا ۵ میلیارد سال آینده، رازهایی از متفاوت بودن آن را آشکار کردند.
در سال ۱۹۳۰ میلادی بود که ستاره‌شناس «کلاید تومبا» (Clyde Tombaugh) «سیاره‌ی نهم» (یا سیاره‌ی X) افسانه‌ای را هنگام کار در رصدخانه‌ی لوول در فلگستف آریزونا کشف کرد. وجود این جرم قبلا بر اساس آشفتگی در مدار اورانوس و نپتون پیش‌بینی شده بود. پس از دریافت بیش از ۱۰۰۰ پیشنهاد از سراسر جهان و بحث در میان کارکنان رصدخانه، این جرم تازه کشف شده، طبق پیشنهاد یک دختر دانش‌آموز از آکسفورد «پلوتو» (Pluto) نام گرفت.
از آن زمان، پلوتو محل چالش و موضوع قابل توجهی برای مطالعه بوده است و سرانجام بشر برای نخستین بار در ۱۴ جولای ۲۰۱۵ (۲۳ تیر ۱۳۹۴) با رسیدن فضاپیمای «افق‌های نو» (New Horizons) از آن بازدید کرد. چیزی که از ابتدا مشخص بود، ماهیت مدار پلوتو است که بسیار غیرعادی و نسبت به صفحه‌ی مداری دیگر سیارات منظومه‌ی شمسی، شیب‌دار است. طبق تحقیقات تازه اما مدار پلوتو در بازه‌های زمانی طولانی‌تر نسبتا پایدار است و در مقیاس‌های زمانی کوتاه‌تر در معرض آشفتگی‌های نامنظم قرار می‌گیرد.
این پژوهش توسط «رنو مالهوترا» (Renu Malhotra) استاد آزمایشگاه ماه و سیاره‌ای دانشگاه آریزونا (LPL) و «تاکاشی ایتو» (Takashi Ito) دانشیار مرکز تحقیقات سیاره‌ای مؤسسه‌ی فناوری چیبا (PERC) و مرکز رصدخانه‌ی ملی نجوم ژاپن برای اخترفیزیک محاسباتی (NAOJ) صورت گرفت و مقاله‌ی مرتبط به‌تازگی در «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم» (Proceedings of the National Academy of Sciences) منتشر شده است.
ویژگی‌های عجیب پلوتو
برای توضیح این انحراف، باید گفت که مدار پلوتو با مدار سیاره‌های دیگر که مسیری تقریبا دایره‌ای دور خورشید و نزدیک به استوای آن را دنبال می‌کنند، تفاوت اساسی دارد. ۲۴۸ سال زمینی طول می‌کشد تا پلوتو یک بار دور خورشید بچرخد و همچنین یک مدار بسیار بیضی شکل را دنبال می‌کند که ۱۷ درجه نسبت به صفحه دایره البروجی منظومه شمسی متمایل است. ماهیت غیرعادی مدار آن همچنین به این معنی است که پلوتو در هر گردش دور خورشید، ۲۰ سال از نپتون به خورشید نزدیک‌تر است.
ماهیت مدار پلوتو یک راز ماندگار و چیزی است که اخترشناسان مدت کوتاهی پس از کشف آن متوجه شدند. از آن زمان تاکنون، تلاش‌های متعددی برای شبیه‌سازی گذشته و آینده‌ی مداری آن انجام شده است که ویژگی شگفت‌انگیزی را نشان می‌دهد، از جمله اینکه پلوتو را از برخورد با نپتون محافظت می‌کند. به گفته‌ی مالهوترا این وضعیت تشدید مداری است که به عنوان «رزونانس حرکت متوسط» شناخته می شود.
او خاطرنشان کرد: «این شرایط تضمین می‌کند که در زمانی که پلوتو و نپتون در فاصله‌ی یکسانی از خورشید قرار دارند، طول جغرافیایی آن حدود ۹۰ درجه با نپتون اختلاف دارد. بعدا ویژگی عجیب دیگری هم در مدار پلوتو کشف شد؛ اینکه پلوتو در جایی بسیار بالاتر از صفحه‌ی مدار نپتون به حضیض می‌رسد. این هم نوعی متفاوت از تشدید مداری است که به آن نوسان vZLK گفته می‌شود.»
این عبارت مخفف «فون زیپل» (von Zeipel)، «لیدوف» (Lidov) و «کوزای» (Kozai) است که این پدیده را به‌عنوان بخشی از «مسئله‌ی سه جسم» مطالعه کرده بودند. این مسئله شامل گرفتن موقعیت و سرعت اولیه‌ی سه جسم پرجرم و حل حرکت بعدی آن‌ها بر اساس سه قانون حرکت نیوتن و نظریه‌ی گرانش جهانی اوست، که راه حل کلی برای آن وجود ندارد.
مالهوترا همچنین گفت: «در اواخر دهه ۱۹۸۰، با دردسترس قرار گرفتن رایانه‌های قوی‌تر، شبیه‌سازی‌های عددی سومین ویژگی عجیب سیاره را نشان داد، اینکه مدار پلوتو از نظر فنی آشفته است، یعنی انحرافات کوچک در شرایط اولیه‌ی آن منجر به واگرایی حل‌های پیش‌بینی مداری آن در طول ده ها میلیون سال می‌شود.
با این حال، این آشوب محدود است و در شبیه‌سازی‌های عددی مشخص شده است که دو ویژگی خاص مدار پلوتو که در بالا اشاره شد، در بازه‌های زمانی گیگاسال باقی می‌مانند و با وجود داشتن شاخص‌های آشوب، مدار آن را به‌طور قابل ملاحظه‌ای پایدار می‌کنند.
شبیه‌سازی رایانه‌ای آینده‌ی مدار پلوتو
مالهوترا و ایتو برای مطالعه‌ی خود شبیه‌سازی‌های عددی مدار پلوتو را تا ۵ میلیارد سال آینده‌ی منظومه شمسی انجام دادند. به‌ویژه، آن‌ها امیدوار بودند که به پرسش‌های حل نشده درباره‌ی مدارهای عجیب پلوتو و دیگر اجرام هم‌اندازه‌ی آن (معروف به پلوتینوس) پاسخ دهند. این پرسش‌ها طی تحقیقات چند دهه‌ی گذشته، مانند «نظریه مهاجرت سیاره» مورد توجه قرار گرفته اما فقط به یک نکته پاسخ داده شده است.
در این فرضیه، پلوتو توسط نپتون که در طول تاریخ اولیه‌ی منظومه شمسی مهاجرت کرده بود، به سمت تشدید حرکت متوسط فعلی خود کشیده شده است. پیش‌بینی اصلی این نظریه این است که دیگر «اجرام گذر نپتونی» (TNO) دارای شرایط تشدید مشابهی هستند که از آن زمان با کشف تعداد زیادی پلوتینوس تأیید شده است.
این کشف همچنین منجر به پذیرش گسترده‌تر نظریه‌ی مهاجرت سیاره شده است. اما همانطور که مالهوترا توضیح داد: «میل مداری پلوتو ارتباط نزدیکی با نوسان vZLK آن دارد. بنابراین استدلال کردیم که اگر بتوانیم شرایط نوسان vZLK سیاره را بهتر درک کنیم، شاید بتوانیم معمای آن را حل کنیم. بنابراین با بررسی نقش هر یک از دیگر سیارات غول پیکر (مشتری، زحل و اورانوس) در مدار پلوتو آغاز کردیم.»
پلوتو از نگاه فضاپیمای افق‌های نو
Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
برای انجام این کار، مالهوترا و ایتو شبیه‌سازی‌هایی را اجرا کردند که در آن تکامل مداری پلوتو را تا ۵ میلیارد سال شبیه‌سازی کردند که شامل هشت ترکیب مختلف از اثرگذاری سیاره‌های غول‌پیکر بود. این شبیه‌سازی‌های N-body شامل برهم‌کنش سیاره با این سیاره ها بود:
- نپتون (-NP)
- اورانوس و نپتون (-UNP)
- زحل و نپتون (-S-NP)
- مشتری و نپتون (J–NP)
- زحل، اورانوس و نپتون (-SUNP)
- مشتری، اورانوس و نپتون (J-UNP)
- مشتری، زحل و نپتون (JS-NP)
- مشتری، زحل، اورانوس و نپتون (JSUNP)
مالهوترا گفت: «ما برای بازیابی نوسان vZLK پلوتو هیچ کدام از سه سیاره غول پیکر درونی (مشتری، زحل و اورانوس) را کنار نگذاشتیم زیرا هر سه ضروری بودند.» اما چه چیزی در مورد این سیارات وجود دارد که برای نوسان vZLK پلوتو ضروری هستند؟
به گفته‌ی مالهوترا در حقیقت ۲۱ پارامتر از این سیارات برای نمایش نیروهای گرانشی مشتری، زحل و اورانوس روی پلوتو نیاز است. برای ساده کردن این محاسبات، آن‌ها این مجموعه را در یک پارامتر جمع کردند که شامل نمایش هر سیاره با یک حلقه‌ی دایره‌ای با چگالی یکنواخت به جرم کل سیاره و با شعاعی به اندازه‌ی فاصله‌ی متوسط سیاره از خورشید بود. این پارامتر واحد (J2) نشان‌دهنده‌ی اثر مشتری، زحل و اورانوس بود که با اثر یک «خورشید کره‌گون» هم‌ارز است.
مالهوترا خاطرنشان کرد: «ما ترتیبی تصادفی از جرم‌ها و مدارهای سیارات غول پیکر را کشف کردیم که یک منطقه طلایی یعنی محدوده‌ی باریکی را در پارامتر J2 نشان می‌دهد که نوسان vZLK پلوتو در آن امکان‌پذیر است.»
این نتیجه نشان می‌دهد که در طول دوران مهاجرت سیاره در تاریخچه‌ی منظومه‌ی شمسی، شرایط اجرام فراسوی نپتون به گونه‌ای تغییر کرد که بسیاری از آن‌ها از جمله پلوتو را به حالت نوسانی vZLK رساند. بنابراین میل مداری پلوتو در طول این تکامل دینامیکی توجیه می‌شود. این نتایج احتمالا پیامدهای مهمی برای مطالعات آینده‌ی منظومه شمسی بیرونی و دینامیک مداری آن خواهد داشت.
مطالعات آینده
مالهوترا معتقد است که با مطالعه‌ی بیشتر، اخترشناسان اطلاعات بیشتری درباره‌ی تاریخچه‌ی مهاجرت سیارات غول‌پیکر و چگونگی استقرار آن‌ها در مدارهای فعلی خود خواهند آموخت. همچنین این پژوهش‌ها می‌تواند منجر به کشف یک سازوکار دینامیکی تازه شود که منشأ مدار پلوتو و دیگر اجرام با میل مداری بالا را توضیح می‌دهد.
این موضوع به‌ویژه برای ستاره‌شناسانی که روی دینامیک منظومه‌ی شمسی مطالعه می‌کنند، سودمند خواهد بود. زیرا همانطور که مالهوترا اشاره کرد، پژوهشگران در این زمینه تردید دارند که شواهدی که می‌تواند روند تکامل مداری پلوتو را روشن کند، ممکن است توسط ناپایداری و ماهیت آشفته‌ی همین مکانیک مداری از بین رفته باشند.
او گفت: «فکر می‌کنم که کار ما امید تازه‌ای را برای ایجاد ارتباط بین دینامیک امروزی منظومه‌ی شمسی و پیشینه‌ی دینامیکی آن ایجاد می‌کند. منشأ میل مداری سیارات کوچک در سراسر منظومه‌ی شمسی، از جمله اجرام گذر نپتونی، یک مشکل حل نشده‌ی بزرگ است که شاید کار ما توجه بیشتری را به آن جلب کند.
مالهوترا همچنین افزود: «نکته‌ی دیگری که مطالعه‌ی ما بر آن تأکید می‌کند، ارزش تقریب‌های ساده‌تر برای یک مسئله‌ی پیچیده است: برای نمونه، سرجمع کردن ۲۱ پارامتر در یک پارامتر واحد، دری را برای دستیابی به سازوکارهای دینامیکی ضروری باز کرد که بر دینامیک مداری جالب اما سخت-فهم پلوتو و اجرام مشابه اثر می‌گذارد.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از پلوتو بر پایه‌ی تصویر کاوشگر افق‌های نو
Credit: Dottedhippo / iStock
منبع: Universe Today
