معمای حلقه‌های زحل: قمری ناپدیدشده احتمالاً زحل را به ارباب حلقه‌ها تبدیل کرد

یک قمر محکوم به فنا می‌تواند از چندین راز درباره زحل پرده بردارد. پژوهشگران ۱۵ سپتامبر با انتشار مقاله‌ای در نشریه ساینس اعلام کردند که این قمر ناپدیدشده فرضی با نام کریسالیس احتمالاً به انحراف زحل کمک کرده است. هرج‌ومرج مداری متعاقب این رویداد نیز به نابودی قمر، خردشدن آن و تشکیل حلقه‌های نمادینی منجر شده که امروزه سیاره را احاطه کرده‌اند.

جک ویزدام، دانشمند سیاره‌شناس در ام‌آی‌تی و یکی از نویسندگان مطالعه به‌نقل از ساینس‌نیوز می‌گوید: «ما به این سناریو علاقه‌مند هستیم؛ زیرا دو یا سه رویداد متفاوت را که قبلا تصور نمی‌شد مرتبط باشند، توضیح می‌دهد. چه کسی هرگز می‌توانست حدس بزند که حلقه‌ها با انحراف [محوری] ارتباط دارند؟»

حلقه‌های زحل با عمر فقط ۱۵۰ میلیون سال یا بیشتر، به‌طرز شگفت‌انگیز جوان به‌نظر می‌آیند. اگر دایناسورها تلسکوپ داشتند، ممکن بود زحل را بدون حلقه ببینند. یکی دیگر از ویژگی‌های اسرارآمیز این غول گازی، انحراف تقریباً ۲۷ درجه‌ای آن نسبت به مدارش به دور خورشید است. این انحراف بزرگ‌تر از آن است که هنگام شکل‌گیری زحل ایجاد شده باشد یا نتیجه برخوردهای کوچکی باشد که سیاره را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

وقتی زحل شکل گرفت، محور چرخش آن احتمالاً تقریباً به‌طور مستقیم رو به بالا و پایین بود (۱)؛ اما با دورشدن قمر تیتان از زحل، برهمکنش‌های بین تیتان، قمر دیگری به نام کریسالیس و سیاره نپتون احتمالاً توانست به انحراف سیاره زحل به میزان ۳۶ درجه منجر شود (۲). هرج‌ومرج رخ‌داده، نابودی کریسالیس را در پی داشت. سپس قمر تکه‌تکه‌شده، حلقه‌های زحل را تشکیل داد و از‌بین‌رفتن آن موجب شد زاویه انحراف زحل کمی کاهش یابد و به مقدار کنونی‌اش که تقریباً ۲۷ درجه است، برسد (۳).

دانشمندان سیاره‌شناس از مدت‌ها پیش گمان می‌کردند که شیب زحل به نپتون مربوط است؛ زیرا در نحوه حرکت دو سیاره تقارن زمانی وجود دارد. محور زحل مانند فرفره‌ای درحال چرخش تلولو می‌خورد و کل مدار نپتون به دور خورشید نیز مانند حلقه‌ای به دور کمر می‌جنبد.

مدت حرکت تقدیمی محور چرخش هر دو سیاره، تقریباً یکسان و نمایانگر پدیده‌ای با عنوان رزونانس است. دانشمندان این نظریه را مطرح کردند که گرانش قمرهای زحل به‌ویژه تیتان، بزرگ‌ترین قمر به هم‌خطی حرکت تقدیمی سیاره‌ها کمک کرده است؛ اما برخی از ویژگی‌های ساختار درونی زحل به اندازه کافی شناخته‌شده نبود تا ثابت کند که این همزمانی‌ها با یکدیگر ارتباط دارند.

ویزدام و همکارانش اندازه‌گیری‌های دقیق فضاپیمای کاسینی از میدان گرانشی زحل را به‌کار گرفتند تا جزئیات ساختار داخلی این سیاره را کشف کنند. به‌طور خاص، پژوهشگران گشتاور لختی زحل را محاسبه کردند که معیاری برای سنجش میزان نیروی مورد نیاز برای منحرف‌کردن سیاره است. تیم پژوهشی دریافت که گشتاور لختی به مقداری نزدیک است که اگر زحل در رزونانس کامل با مدار نپتون می‌چرخید، در آن حد بود؛ اما دقیقاً به آن اندازه نیست.

پس از درنظرگرفتن مجموعه‌ای از توضیحات دیگر، ویزدام و همکارانش دریافتند که یک قمر کوچک دیگر با افزودن کشش گرانشی خود، به تیتان کمک کرده است تا زحل و نپتون را به رزونانس برساند. تیتان آنقدر از زحل فاصله گرفت که مدارش با مدار کریسالیس هماهنگ شد. فشارهای گرانشی تقویت‌شده از جانب قمر بزرگتر، قمر کوچک محکوم به فنا را دچار جنبشی آشوبناک کرد. درنهایت، کریسالیس به قدری به زحل نزدیک شد که به محدوده بالای ابرهای این سیاره غول‌پیکر برخورد کرد. زحل قمر خود را ازهم‌پاشاند و تکه‌های آن به‌آرامی حلقه‌ها را شکل دادند.

در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، پژوهشگران قمر کریسالیس را که به اندازه پایتوس، سومین قمر بزرگ زحل است و با فاصله تقریباً ۴۳ شعاع زحل، بین مدارهای تیتان و پایتوس می‌چرخد، وارد کردند. آن‌ها دریافتند که اگر کریسالیس به دلیل برهمکنش‌های آشوبناک با همسایگانش درحدود ۱۶۰ میلیون سال پیش، به‌طور ناگهانی از مدارش بیرون می‌افتاد، می‌توانست محرک لازم برای رزونانس را فراهم کند.

پژوهشگران درمجموع ۳۹۰ شبیه‌سازی از این رویداد اجرا کردند. در برخی، قمر ناپدیدشده با تیتان یا پایتوس برخورد کرد و در برخی دیگر، به‌طور کامل از منظومه زحل خارج شد؛ اما در ۱۷ مورد از شبیه‌سازی‌ها، کریسالیس با زحل برخورد کرد، دراثر نیروهای گرانشی فروپاشید و درنهایت به حلقه‌های نمادین تبدیل شد. رولا دیبوک، دانش‌آموخته علوم سیاره‌ای از ام‌آی‌تی و از نویسندگان مطالعه می‌گوید: « فکر کردیم ۱۷ مورد برایمان کافی است تا باور کنیم که این رویداد می‌توانسته رخ داده باشد.»

از طرفی حلقه‌هایی عظیم و چشمگیر مانند حلقه‌های زحل نیز نادر هستند. با توجه به همین مسئله، قمر خالق حلقه‌ها کریسالیس (به معنای پروانه نابالغ درون پیله) نامیده شده است. کریسالیس احتمالاً به مدت ۴٫۵ میلیارد سال خاموش بوده و سپس ناگهان حلقه‌های زحل از آن بیرون آمدند.

لری اسپوزیتو، دانشمند سیاره‌شناس از دانشگاه کلرادو بولدر که در پژوهش جدید مشارکت نداشته است، سناریو پیشنهادی را روایتی منسجم می‌داند؛ اما به‌طور کامل متقاعد نشده است. او می‌گوید: «فکر می‌کنم همه چیز پذیرفتنی است، اما شاید چندان محتمل نباشد. اگر شرلوک هولمز مشغول حل پرونده‌ای باشد، حتی توضیح دور از انتظار نیز می‌تواند درست باشد. اما فکر نمی‌کنم هنوز آنجا باشیم.»