دانشمندان احتمالا راز ناپایداری عجیب مدار پلوتو را کشف نموده اند - وبلاگ دخترانه ها

به گزارش وبلاگ دخترانه ها، در یک شبیه سازی تازه دانشمندان با آنالیز مدار پلوتو تا 5 میلیارد سال آینده، رازهایی از متفاوت بودن آن را آشکار کردند.

در سال 1930 میلادی بود که ستاره شناس کلاید تومبا (Clyde Tombaugh) سیاره نهم (یا سیاره X) افسانه ای را هنگام کار در رصدخانه لوول در فلگستف آریزونا کشف کرد. وجود این جرم قبلا بر اساس آشفتگی در مدار اورانوس و نپتون پیش بینی شده بود. پس از دریافت بیش از 1000 پیشنهاد از سراسر دنیا و بحث در میان کارکنان رصدخانه، این جرم تازه کشف شده، طبق پیشنهاد یک دختر دانش آموز از آکسفورد پلوتو (Pluto) نام گرفت.

از آن موقع، پلوتو محل چالش و موضوع قابل توجهی برای مطالعه بوده است و خاتمه بشر برای نخستین بار در 14 جولای 2015 (23 تیر 1394) با رسیدن فضاپیمای افق های نو (New Horizons) از آن بازدید کرد. چیزی که از ابتدا معین بود، ماهیت مدار پلوتو است که بسیار غیرعادی و نسبت به صفحه مداری دیگر سیارات منظومه شمسی، شیب دار است. طبق تحقیقات تازه اما مدار پلوتو در بازه های زمانی طولانی تر نسبتا پایدار است و در مقیاس های زمانی کوتاه تر در معرض آشفتگی های نامنظم قرار می گیرد.

این پژوهش به وسیله رنو مالهوترا (Renu Malhotra) استاد آزمایشگاه ماه و سیاره ای دانشگاه آریزونا (LPL) و تاکاشی ایتو (Takashi Ito) دانشیار مرکز تحقیقات سیاره ای مؤسسه فناوری چیبا (PERC) و مرکز رصدخانه ملی نجوم ژاپن برای اخترفیزیک محاسباتی (NAOJ) صورت گرفت و مقاله مرتبط به تازگی در مجموعه مقالات آموزشگاه ملی علوم (Proceedings of the National Academy of Sciences) منتشر شده است.

ویژگی های عجیب پلوتو

برای شرح این انحراف، باید گفت که مدار پلوتو با مدار سیاره های دیگر که مسیری تقریبا دایره ای دور خورشید و نزدیک به استوای آن را دنبال می نمایند، تفاوت اساسی دارد. 248 سال زمینی طول می کشد تا پلوتو یک بار دور خورشید بچرخد و بعلاوه یک مدار بسیار بیضی شکل را دنبال می نماید که 17 درجه نسبت به صفحه دایره البروجی منظومه شمسی متمایل است. ماهیت غیرعادی مدار آن بعلاوه به این معنی است که پلوتو در هر گردش دور خورشید، 20 سال از نپتون به خورشید نزدیک تر است.

ماهیت مدار پلوتو یک راز ماندگار و چیزی است که اخترشناسان مدت کوتاهی پس از کشف آن متوجه شدند. از آن موقع تا به امروز، کوشش های متعددی برای شبیه سازی گذشته و آینده مداری آن صورت گرفته است که ویژگی شگفت انگیزی را نشان می دهد، از جمله اینکه پلوتو را از برخورد با نپتون محافظت می نماید. به گفته مالهوترا این شرایط تشدید مداری است که به عنوان رزونانس حرکت میانه شناخته می گردد.

او اظهار داشت: این شرایط تضمین می نماید که در زمانی که پلوتو و نپتون در فاصله یکسانی از خورشید قرار دارند، طول جغرافیایی آن حدود 90 درجه با نپتون اختلاف دارد. بعدا ویژگی عجیب دیگری هم در مدار پلوتو کشف شد؛ اینکه پلوتو در جایی بسیار بالاتر از صفحه مدار نپتون به حضیض می رسد. این هم نوعی متفاوت از تشدید مداری است که به آن نوسان vZLK گفته می گردد.

این عبارت مخفف فون زیپل (von Zeipel)، لیدوف (Lidov) و کوزای (Kozai) است که این پدیده را به عنوان بخشی از مسئله سه جسم مطالعه نموده بودند. این مسئله شامل گرفتن موقعیت و سرعت اولیه سه جسم پرجرم و حل حرکت بعدی آن ها بر اساس سه قانون حرکت نیوتن و نظریه گرانش دنیای اوست، که راه چاره کلی برای آن وجود ندارد.

مالهوترا بعلاوه گفت: در اواخر دهه 1980، با دردسترس قرار گرفتن رایانه های قوی تر، شبیه سازی های عددی سومین ویژگی عجیب سیاره را نشان داد، اینکه مدار پلوتو از نظر فنی آشفته است، یعنی انحرافات کوچک در شرایط اولیه آن منجر به واگرایی حل های پیش بینی مداری آن در طول ده ها میلیون سال می گردد.

با این حال، این آشوب محدود است و در شبیه سازی های عددی معین شده است که دو ویژگی خاص مدار پلوتو که در بالا اشاره شد، در بازه های زمانی گیگاسال باقی می مانند و با وجود داشتن شاخص های آشوب، مدار آن را به طور قابل ملاحظه ای پایدار می نمایند.

شبیه سازی رایانه ای آینده مدار پلوتو

مالهوترا و ایتو برای مطالعه خود شبیه سازی های عددی مدار پلوتو را تا 5 میلیارد سال آینده منظومه شمسی انجام دادند. به ویژه، آن ها امیدوار بودند که به پرسش های حل نشده درباره مدارهای عجیب پلوتو و دیگر اجرام هم مقدار آن (معروف به پلوتینوس) پاسخ دهند. این پرسش ها طی تحقیقات چند دهه گذشته، مانند نظریه مهاجرت سیاره مورد توجه قرار گرفته اما فقط به یک نکته پاسخ داده شده است.

در این فرضیه، پلوتو به وسیله نپتون که در طول تاریخ اولیه منظومه شمسی مهاجرت نموده بود، به سمت تشدید حرکت میانه فعلی خود کشیده شده است. پیش بینی اصلی این نظریه این است که دیگر اجرام گذر نپتونی (TNO) دارای شرایط تشدید مشابهی هستند که از آن موقع با کشف تعداد زیادی پلوتینوس تأیید شده است.

این کشف بعلاوه منجر به پذیرش گسترده تر نظریه مهاجرت سیاره شده است. اما همانطور که مالهوترا شرح 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 آنالیز نقش هر یک از دیگر سیارات غول پیکر (مشتری، زحل و اورانوس) در مدار پلوتو شروع کردیم.

برای انجام این کار، مالهوترا و ایتو شبیه سازی هایی را اجرا کردند که در آن تکامل مداری پلوتو را تا 5 میلیارد سال شبیه سازی کردند که شامل هشت ترکیب مختلف از اثرگذاری سیاره های غول پیکر بود. این شبیه سازی های N-body شامل برهم کنش 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 خصوص این سیارات وجود دارد که برای نوسان vZLK پلوتو ضروری هستند؟

به گفته مالهوترا در حقیقت 21 پارامتر از این سیارات برای نمایش نیروهای گرانشی مشتری، زحل و اورانوس روی پلوتو احتیاج است. برای ساده کردن این محاسبات، آن ها این مجموعه را در یک پارامتر جمع کردند که شامل نمایش هر سیاره با یک حلقه دایره ای با چگالی یکنواخت به جرم کل سیاره و با شعاعی به مقدار فاصله میانه سیاره از خورشید بود. این پارامتر واحد (J2) نشان دهنده اثر مشتری، زحل و اورانوس بود که با اثر یک خورشید کره گون هم ارز است.

مالهوترا اظهار داشت: ما ترتیبی تصادفی از جرم ها و مدارهای سیارات غول پیکر را کشف کردیم که یک منطقه طلایی یعنی محدوده باریکی را در پارامتر J2 نشان می دهد که نوسان vZLK پلوتو در آن امکان پذیر است.

این نتیجه نشان می دهد که در طول دوران مهاجرت سیاره در تاریخچه منظومه شمسی، شرایط اجرام فراسوی نپتون به گونه ای تغییر کرد که بسیاری از آن ها از جمله پلوتو را به حالت نوسانی vZLK رساند. بنابراین میل مداری پلوتو در طول این تکامل دینامیکی توجیه می گردد. این نتایج احتمالا پیامدهای مهمی برای مطالعات آینده منظومه شمسی بیرونی و دینامیک مداری آن خواهد داشت.

مطالعات آینده

مالهوترا معتقد است که با مطالعه بیشتر، اخترشناسان اطلاعات بیشتری درباره تاریخچه مهاجرت سیارات غول پیکر و چگونگی استقرار آن ها در مدارهای فعلی خود خواهند آموخت. بعلاوه این پژوهش ها می تواند منجر به کشف یک سازوکار دینامیکی تازه گردد که منشأ مدار پلوتو و دیگر اجرام با میل مداری بالا را شرح می دهد.

این موضوع به ویژه برای ستاره شناسانی که روی دینامیک منظومه شمسی مطالعه می نمایند، سودمند خواهد بود. زیرا همان طور که مالهوترا اشاره نمود، پژوهشگران در این زمینه تردید دارند که شواهدی که می تواند فرایند تکامل مداری پلوتو را روشن کند، ممکن است به وسیله ناپایداری و ماهیت آشفته همین مکانیک مداری از بین رفته باشند.

او گفت: فکر می کنم که کار ما امید تازه ای را برای ایجاد ارتباط بین دینامیک امروزی منظومه شمسی و پیشینه دینامیکی آن ایجاد می نماید. منشأ میل مداری سیارات کوچک در سراسر منظومه شمسی، از جمله اجرام گذر نپتونی، یک مشکل حل نشده بزرگ است که شاید کار ما توجه بیشتری را به آن جلب کند.

مالهوترا بعلاوه اضافه نمود: نکته دیگری که مطالعه ما بر آن تأکید می نماید، ارزش تقریب های ساده تر برای یک مسئله پیچیده است: برای نمونه، سرجمع کردن 21 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 می گذارد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از پلوتو بر پایه تصویر کاوشگر افق های نو

Credit: Dottedhippo / iStock

منبع: Universe Today