کشف کمربند کویپر چگونه نگاه ما به منظومه شمسی را دگرگون کرد؟

در تابستان سال ۱۹۹۲ در قله کوه هاوایی دو دانشمند موفق به مشاهده نوری شدند که از میان صورت فلکی حوت می‌گذشت. آن جرم آسمانی که جایی هم اسمی از آن برده نشده و توجه خاصی به آن نمی‌شد در جایی یک میلیارد کیلومتر فراتر از نپتون واقع شده بود و می‌توانست درک ما از منظومه شمسی را برای همیشه دستخوش تغییر کند.

در آن نواحی به جای گستره‌ای بی‌پایان از پوچی، چیزی وجود داشت؛ درواقع مجموعه‌ای وسیع از اجرام فضایی که فراتر از مدارهای سیارات شناخته‌شده در کمین بودند و تا آن هنگام توجه چندانی به آن‌ها نشده بود.

دانشمندان یادشده هاوایی در سال ۱۹۹۲ درواقع بدون آنکه در ابتدا بدانند، کمربندی فضایی در مجموعه شسمی را کشف کرده بودند که امروز از آن به‌نام کمربند کویپر یاد می‌شود. کویپر نواری دوناتی‌شکل از اجرام منجمد باقی‌مانده از دوران‌های اولیه‌ی شکل‌گیری منظومه خورشیدی است. در ادامه این مقاله با کمربند کویپر و نقش آن در منظومه شمی بیشتر آشنا می‌شویم.

جسم ناشناخته‌ و نه‌چندان معروفی که در سال ۱۹۹۲ مورد توجه دانشمندان هاوایی قرار گرفته و به‌نوعی کلید آغاز کشف کویپر را زد، یک تکه یخی و سنگی به قطر تقریباً ۲۵۰ کیلومتر است و اولین بار ۳۰ سال پیش در اواسط تابستان مشاهده شد.

در اواخر سال‌های دهه ۱۹۸۰ میلادی، دیوید جویت دانشمند سیاره‌شناس و جین لو اخترشناس که هر دویشان در آن هنگام در MIT مشغول فعالیت بودند، چندین سال از زندگی کاری خود را در جست‌وجوی کنجکاوانه اجرام فضایی و رصد فضا سپری کرده بودند. این دو دانشمند، از تلسکوپ‌هایی واقع در آریزونا برای گرفتن عکس از قسمت‌هایی از آسمان شب استفاده می‌کردند. جالب است که در حین انجام کار هدف خاصی نداشتند و صرفاً به‌دنبال جست‌وجو و دقت بیشتر در فضا بودند. جویت که اکنون در UCLA فعالیت دارد وضعیت آن روزهای خودشان را چنین توصیف می‌کند:

ما به معنای واقعی کلمه فقط به فضا خیره شده بودیم و دنبال چیزی می گشتیم.

تا اینکه یک معمای آشکار و درواقع سوالی بسیار واضح، انگیزه محققان را برانگیخت. پرسش این بود: بخش‌های داخلی و نزدیک به خورشید منظومه شمسی به‌نسبت مملو از سیارات سنگی، سیارک‌ها و دنباله‌دارها است، اما ظاهراً در بخش‌های دورتر از خورشید چیزی بیشتر از سیارات غول‌آسای گازی و همچنین سیاره پلوتو کوچک و یخی وجود ندارد. لو که اکنون در دانشگاه‌های اسلو و بوستون کار می‌کند، می‌گوید:

شاید چیزهایی در بخش‌های بیرونی‌تر منظومه شمسی وجود می‌داشت. به نظر می‌رسید که بررسی آن موارد ارزشمند باشد.

دیوید جویت و جین لو در اوایل دهه ۲۰۰۰ میلادی در هونولولو؛ آن‌ها به‌عنوان کاشفان کمربند کویپر شناخته می‌شوند

جویت و لو با نگاه کردن به صفحات عکاسی شیشه‌ای و تصاویر دیجیتالی از آسمان شب، به‌دنبال اجسامی بودند که بسیار آهسته حرکت می‌کردند. حرکت آهسته‌ی آن اجرام نشانه‌ای از فاصله‌ی زیاد آن‌ها از زمین است. اما این دو همکار اغلب دست خالی می‌ماندند و تلاش‌هایشان طی سال‌ها دستاورد خاصی به‌دنبال نداشت. لو در این مورد می‌گوید:

سال‌ها گذشت و چیزی ندیدیم. هیچ تضمینی وجود نداشت که این کار به نتیجه برسد.

تا اینکه در سال ۱۹۹۲ میلادی اوضاع تغییر کرد. در شب سی‌ام از ماه اوت همان سال (تابستان ۱۳۷۱ خورشیدی) جویت و لو مطابق معمول در حال کار با تلسکوپ دانشگاه هاوایی در جزیره بزرگ بودند. آن‌ها از همان روش معمول خودشان برای جست‌وجوی اجرام واقع دوردست استفاده می‌کردند. خلاصه‌ی روش آن‌ها این بود که ابتدا تصویری از آسمان شب بگیرید، یک ساعت یا بیشتر صبر کنید، تصویر دیگری از همان بخش از آسمان بگیرید و همین کار را باز تکرار کنید.

یک جرم واقعا در بخش‌های بیرونی‌تر منظومه خورشیدی می‌تواند موقعیت خود را تا حد کمی از تصویری به تصویر بعد تغییر دهد. این تغییر عمدتاً به دلیل حرکت زمین در مدار خود رخ می‌دهد. لو توضیح می‌دهد که اگر یک جرم فضایی واقعی در آنجا باشد، آنگاه به‌طور سیستماتیک با سرعت پیش‌بینی‌شده حرکت خواهد کرد.

تا ساعت ۲۱ و ۱۴ دقیقه‌ی آن شب، جویت و لو دو تصویر از یک بخش یکسان از صورت فلکی حوت تهیه کرده بودند. محققان این تصاویر را یکی پس از دیگری روی مانیتور پرتو کاتدی کامپیوترشان مشاهده می‌کردند و در حین بررسی به‌دنبال هر جرم متحرکی که حایز اهمیت باشد یا نظرشان را جلب کند بودند. در آن لحظه شیئی بلافاصله برجسته شد: یک لکه‌ نور فقط در یک آن به سوی غرب گذر کرده بود.

جویت و لو با هیجان و اضطراب تا ساعت ۱۱ شب منتظر ماندند تا درنهایت دوربین تلسکوپ عکس سوم را هم ثبت کند. اتفاق خوشایندی که آن‌ها انتظار داشتند رخ دهد، در عکس سوم رخ داده بود. همان جرم مشاهده‌شده در تصاویر قبلی، در تصویر سوم هم حضور داشت و بازهم کمی دورتر به سمت غرب حرکت کرده بود. تصویر چهارم از همان بخش آسمان درست بعد از نیمه شب تهیه و کاملاً آشکار و مبرهن شد که آن جرم فضایی مرموز دوباره موقعیت خود را تغییر داده است. جویت هنوز هم از آن ساعات پرهیجان با شوق خاصی یاد می‌کند و به یاد می‌آورد که تصویر چهارم و نتایج کلی آن شب وی و همکارش را بسیار «غافلگیر» کرد.

نحوه تغییر موقعیت شیء مشخص‌شده در آسمان (ثبت‌های زمانی در سمت راست) به جویت و لو ثابت کرد که این شیء در فاصله‌ دوردست قرار دارد و در سال ۱۹۹۲ میلادی QB1 نامیده شد. این نخستین شواهد از کشف ناحیه‌ای به نام کمربند کویپر بود.

جویت و لو براساس وضعیت روشنایی جسم و سرعت آرام آن (گفتنی است که تقریباً یک ماه طول می کشد تا در عرض ماه کامل و به همان‌ شکلی که از زمین دیده می‌شود حرکت کند) در همان روزهای نخست محاسبات سریعی انجام دادند. این جرم فضایی هرچه که بود احتمالاً حدود ۲۵۰ کیلومتر قطر داشت. چنین اندازه‌ای برای یک جرم فضایی مقدار قابل توجهی محسوب می‌شد. به‌عنوان یک مقایسه بهتر باید اشاره کنیم که قطر این جرم حدود یک دهم قطر پلوتو بود. جرم تازه‌شناسایی‌شده دورتر از نپتون در حال چرخش بود و به احتمال زیاد تنها هم نبود و شماری دیگر از اجرام مشابه را در حوالی خود داشت.

اگرچه جویت و لو سال‌های زیادی آسمان شب را به دقت بررسی کرده بوند، بااین‌حال تنها بخش کوچکی از آن را مورد مشاهده قرار داده بودند. این دو دانشمند درنهایت نتیجه گرفتند که احتمالاً هزاران جرم فضایی دیگر همانند جرم کشف‌شده در آن ناحیه وجود دارد و باید برای شناسایی و کشفشان اقدام شود.

درک این موضوع که منظومه شمسی در بخش‌های بیرونی خود احتمالاً مملؤ از اجسام کشف‌نشده است، برای جویت و همکارش شگفت‌انگیز بود. وی می‌گوید:

ما حجم شناخته‌شده‌ی منظومه شمسی را به‌شدت گسترش دادیم.

جرم فضایی کشف‌شده به اسم 1992 Q21 قلمروی کاملاً جدیدی را معرفی کرد.

فقط چند ماه بعد، جویت و لو جرم دومی را دیدند که دورتر از نپتون در حال گردش بود. روزنه‌های جدید بسیار سریع باز شده بودند. طی چند سال بعد ۴۰ یا ۵۰ مورد دیگر هم پیدا شدند. محققان با افزایش اندازه و حساسیت آشکارسازهای دیجیتالی که اخترشناسان برای ثبت تصاویر از آن‌ها استفاده می‌کردند، شروع به کشف انبوهی از اجرام دیگر کردند. به‌تعبیر مایک براون، ستاره‌شناس از کل‌تک که اجرام کمربند کویپر را مطالعه می‌کند: «جهان‌های بسیار جالب با داستان‌های جالب.»

ما ناگهان فهمیدیم که چرا پلوتو چنین عجیب است. این [سیاره پلوتو] فقط یک جرم است، شاید بزرگ‌ترین شیء در مجموعه‌ای از اجسام که به‌طور تصادفی با آن برخورد کردیم.

آن دو دانشمند در آن هنگام پیش‌بینی کردند که پلوتو احتمالاً دیگر عضو باشگاه سیاره‌های منظومه خورشیدی قلمداد نخواهد شد. بنیان حدس آن‌ها درست بود و در سال ۲۰۰۶ این اتفاق رخ داد و پلوتو در جامعه‌ی علمی از میان لیست سیارات منظومه شمسی کنار گذاشته شد.

کشفQB1 چشمان جهان را به کمربند کویپر باز کرد؛ کمربندی که به افتخار ستاره‌شناس هلندی-آمریکایی جرارد کویپر نام‌گذاری شده است. شخص کویپر در یک مقطع حساس از تاریخ پیش‌بینی کرده بود که این منطقه از فضا خالی خواهد بود. در سال‌های دهه ۱۹۵۰ میلادی او پیشنهاد کرد اجرام احتمالی حاضر در آن ناحیه (و به زعم خودش اگر جرمی وجود داشته باشد) توسط گرانش به نقاط دورتر منظومه شمسی تبعید شده‌اند.

به عبارت دیگر کویپر وجود کمربند کویپر را به‌نحوی کاملاً درتضاد با واقعیت موجود پیش‌بینی کرده بود و بعدتر معلوم شد که اشتباه کرده است.

امروزه محققان می‌دانند که کمربند کویپر از فاصله تقریباً ۳۰ واحد نجومی از خورشید در اطراف مدار نپتون تا تقریباً فاصله ۵۵ واحد نجومی امتداد دارد. جویت از آن با تعبیر یک دیسک پف‌کرده یاد می‌کند و اینکه کویپر «از نظر ظاهری، شبیه یک دونات چاق به نظر می‌رسد».

اجسام یخ‌زده‌ی موجود در کمربند کویپر بقایای گردابی چرخان گاز و غباری هستند که خورشید و سیارات را به وجود آورد. مردیت مک گرگور، ستاره‌شناس از دانشگاه کلرادو بولدر می‌گوید:

مجموعه‌ای از اجرام باقی مانده که در پیکره‌ی سیارات اصلی منظومه شمسی وارد نشده‌اند.

هنگامی که یکی از آن بقایای کیهانی توسط یک حرکت گرانشی از سوی سیاره‌ای مانند نپتون به درون منظومه شمسی هدایت و به خورشید نزدیک‌تر شود، به جسمی تبدیل می‌شود که ما آن را به‌نام دنباله‌دار می شناسیم. دنباله‌دارهایی که هر ۲۰۰ سال یا بیشتر یک بار دور خورشید می‌چرخند، معمولاً از منبعی دوردست‌تر از اجسام یخی در منظومه شمسی به نام ابر اورت سرچشمه می‌گیرند.

تصویر مقایسه اندازه‌های کمربند سیارکی، کمربند کویپر و ابر اورت. مکان‌های زیادی در منظومه شمسی برای تجمع اجرام منجمد وجود دارد: کمربند سیارکی تقریباً بین مشتری و مریخ (بالا)، کمربند کویپر به شکل دونات در فراسوی سیارات غول‌پیکر گازی (وسط) و دورترین منطقه موسوم به ابر اورت (پایین).

در اصطلاح علمی، کمربند کویپر یک دیسک از بقایای خرد (دیسک زباله) یا debris disk است. دانشمندان کشف کرده‌اند که منظومه‌های ستاره‌ای دوردست نیز دارای دیسک‌های زباله هستند. مک گرگور می‌گوید:

آن‌ها کاملاً مشابه کمربند کویپر ما هستند.

دانشمندان اولین نگاه دقیق خود به یکی از اجرام کمربند کویپر را در سال ۲۰۱۵ هنگام عبور فضاپیمای نیوهورایزنز ناسا از کنار پلوتو عبور صورت دادند. تصاویری که نیوهورایزنز در سال‌های بعد ارائه کرد، هزاران بار دقیق‌تر از مشاهدات قبلی پلوتو و قمرهای آن بود. تصاویر جدیدتر دیگر فقط به شکل چند پیکسل مبهم نبودند؛ بلکه در آن تصاویر، جهان‌هایی با مناظر غنی از آتشفشان‌ها و دره‌های عمیق و دندانه‌دار آشکار شدند. مارک بوئی، ستاره‌شناس مؤسسه تحقیقاتی ساوث‌وست در بولدر کولو و یکی از اعضای تیم نیوهورایزنز رضایت خود از عملکرد نیوهورایزنز و تصاویر بعد از آن را چنین بیان می‌کند:

من از آنچه در پلوتو به دست آوردیم کاملاً خوشحالم. بهتر از این نمی توانست پیش برود.

اما کار نیوهورایزنز با کمربند کویپر به پایان نرسید. در روز سال نوی ۲۰۱۹ میلادی، زمانی که این فضاپیما تقریباً ۱/۵ میلیارد کیلومتر فراتر از مدار پلوتو رفته بود، از کنار شیء دیگری در کمربند کویپر عبور کرد. این رویداد بسیار شگفت‌انگیز بود. آروکوت یا Arrokoth به معنای آسمان در یکی از زبان‌های بومیان امریکا موسوم به آلگونگویان همانند یک جفت پنکیک متصل به‌ هم در بخش میانی به نظر می‌رسد. فاصله یک انتها تا انتهای دیگر این جرم حدود ۳۵ کیلومتر است؛ این جرم عجیب احتمالاً از برخورد دو جسم مجزا به هم تشکیل شده است؛ شاید دو جرم به آرامی با یکدیگر برخورد کرده و آروکوت را شکل داده‌اند. ساختار عجیب و جالب Arrokoth یک سؤال اساسی در نجوم را پیش روی دانشمندان می‌گذارد: گاز و غبار به شکلی با هم جمع شده و به اجسام بزرگتر تبدیل می‌شوند؟

در سال ۲۰۱۹ نیوهورایزنز از کنار Arrokoth عبور کرد.

در همان حین که اجرام به اندازه کافی برای اعمال یک کشش گرانشی قابل توجه بزرگ می‌شوند، با نزدیک شدن به یکدیگر شتاب هم می‌گیرند. آن‌ها بسیار سریع‌تر با همدیگر تصادم می‌کنند و از همین رو مثل قبل به هم نمی‌چسبند. با این حساب تشکیل جسم بزرگی مانند آروکوت، به‌ویژه با در نظر گرفتن ساختار دو لوبی آن، از یک توالی برخوردها مقدار غیرمعقول به نظر می‌رسد.

در حال حاضر محققان معتقدند که آروکوت به احتمال زیاد از فرآیندی به نام بی‌ثباتی گرانشی متولد شده است. در آن سناریو، توده‌ای از مواد که اتفاقاً متراکم‌تر از محیط اطراف هستند، با کشیدن گاز و گرد و غبار رشد می‌کنند. این فرایند می‌تواند سیاره‌هایی را در مقیاس‌های زمانی هزاران سال تشکیل دهد. این در حالی است که میلیون‌ها سال زمان برای برافزایش سیاره‌ای کوچک لازم است. به‌گفته‌ی کاولارس مقیاس زمانی تشکیل سیاره کاملاً تغییر می‌کند.

اگر آروکوت به این شیوه شکل گرفته باشد، احتمالاً سایر اجرام منظومه شمسی نیز چنین مسیری را طی کرده‌اند. بوئی که در سال ۲۰۱۴ میلادی آروکوت را کشف کرده می‌گوید:

حالت اخیر شاید به این معنی باشد که بخش‌هایی از منظومه شمسی بسیار سریع‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد شکل گرفته است. آروکوت پیش از این هم کتاب‌های مرجع را در مورد نحوه عملکرد تشکیل منظومه شمسی دستخوش تغییر و بازنویسی کرده است.

مشاهده‌هایی که تا به امروز صورت گرفته، دانشمندان برای مطالعه‌ی نزدیک شیء دیگری از کمربند کویپر مشتاق‌تر کرده است. نیوهورایزنز هنوز در حال طی مسیر خود از میان کمربند کویپر است. اما زمان برای شناسایی یک شیء جدید و سازماندهی یک قرار ملاقات در حال اتمام است! این فضاپیما که در حال حاضر ۵۳ واحد نجومی از خورشید فاصله دارد، در حال نزدیک شدن به لبه بیرونی کمربند کویپر است. چندین تیم از ستاره‌شناسان در حال استفاده از تلسکوپ‌هایی در سراسر جهان برای جست‌وجوی اجرام جدید کمربند کویپر هستند؛ اجرامی که شاید نیوهورایزنز بتواند از نزدیک‌شان عبور کند. بوئی می‌گوید:

قطعاً به‌دنبال آن [یافتن اجرامی که نیوهورایزنز از کنارشان عبور کند] هستیم. برای هیچ چیز مطلوب‌تر از عبور از نزدیک یک جرم دیگر [در کمربند کویپر] نیست.

ستاره‌شناسان همچنین با بررسی کمربند کویپر به‌کمک برخی از بزرگ‌ترین تلسکوپ‌های جهان، دید وسیعی از کمربند کویپر به دست می‌آورند. اخترشناسان اخیراً در تلسکوپ کانادا-فرانسه هاوایی در مائونا کیا (همان قله کوهی که جویت و لو 1992 QB1 را رؤیت کردند) کار بررسی منشا‌های منظومه شمسی بیرونی یا Outer Solar System Origins Survey را به پایان رساندند. در این فرایند بیش از ۸۰۰ شیء ناشناخته کمربند کویپر ثبت شد و تعداد کل اجرام شناخته‌شده را به حدود ۳۰۰۰ رساند.

تلسکوپ کانادا-فرانسه-هاوایی، در نزدیکی قله مائونا کیا در جزیره بزرگ هاوایی صدها جرم کمربند کویپر را آشکار کرده است.

بنابر توضیح مک‌گرگور لیست کردن اجرام الگوهای وسوسه انگیزی را پیرامون نحوه حرکت آن‌ها به دور خورشید آشکار می‌کند. مدار اجرام کمربند کویپر به جای توزیع یکنواخت، تمایل به نوعی خوشه‌بندی یا دسته‌بندی در فضا دارند. وی بر این باور است که همین خصلت در مدار، نشانه‌ای است مبنی بر اینکه این اجرام در گذشته تحت فشار گرانشی قرار گرفته‌اند.

بنابر اعتقاد اکثر اخترشناسان اجرام غول‌پیکر کیهانی واقع در پر این فشارهای گرانشی، چیزی جز همین غول‌های گازی نام‌آشنای منظومه شمسی خودمان نبوده‌اند. در اواسط دهه ۲۰۰۰ میلادی دانشمندان برای اولین بار پیشنهاد کردند که سیاراتی مانند نپتون و زحل احتمالاً در اوایل تاریخ منظومه شمسی به سمت خورشید نزدیک و از آن دور شده‌اند. چنین حرکتی، عملکرد مدارهای بسیار مشابه بسیاری از اجرام کمربند کویپر را هم توضیح می‌دهد. سیارات غول‌آسای گازی، تمام مواد موجود در قسمت بیرونی منظومه شمسی را تحت تأثیر گذاشته و به‌نوعی نظم اولیه‌ی آن‌ها را به هم زده‌اند.

انتظار می‌رود رصدخانه Vera C. Rubin در شیلی حدود ۴۰ هزار شی کمربند کویپر را با آینه ۸٫۴ متری خود مشاهده کند.

به عقیده جویت حتی فکر کردن به آنچه که ممکن است در آینده از کمربند کویپر بیاموزیم، هیجان‌انگیز است. وی فناوری‌های جدید را فرصتی ارزشمند می‌شمارد و می‌گوید اکتشافات آینده تا حد زیادی به دلیل پیشرفت‌های فناوری امکان‌پذیر خواهد بود و میزان پیشرفت‌های جدید را در قیاس با سی سال قبل چنین توصیف می‌کند:

یک عکس با یکی از دوربین‌های مدرن تقریباً هزار برابر عکسی ارزش دارد که ما در سال ۱۹۹۲ تنظیم کردیم.

جویت پس از گذشت سال‌ها و صرف ده‌ها سال از عمرش روی این بخش بیرونی و مرموز از منظومه خورشیدی کماکان دچار شگفتی می‌شود. اون بر این باور است که حتی زمانی که درصورت کشف نادانسته‌های بیشتر پیرامون این قلمروی دوردست منظومه شمسی، احتمالاً همیشه اندکی از هیبت و رازآلودگی هم‌زمان پیرامون کویپر وجود خواهد داشت. زیر کویپر بزرگ‌ترین قطعه از منظومه شمسی است که جویت و همکارش و احتمالاً بسیاری دیگر از دانشمندان تاکنون موفق به کاوش و مشاهده‌ی دقیقش شده‌اند.