اسرار فضا: چرا قمر گازی وجود ندارد؟

در منظومه شمسی قمرهای سنگی (مانند قمر زمین)، قمرهای اقیانوسی (مانند اروپا و انسلادوس) و قمرهای یخی منجمد (مانند تریتون) را داریم، اما قمر گازی وجود ندارد. آیا از روی بدشانسی قمر گازی نداریم یا نبود آن‌ها علت فیزیکی دارد؟

درواقع، قمرهای گازی وجود دارند! اگرچه در منظومه شمسی نیستند. هرچند تاکنون بیش از ۵۵۰۰ سیاره فراخورشیدی کشف شده، فقط دو قمر فراخورشیدی احتمالی شناسایی شده و هنوز وجود هیچ‌یک از آن‌ها به‌طور قطعی تایید نشده است. نکته‌ی عجیب درباره این دو قمر فراخورشیدی، این است که آن‌ها غول‌هایی گازی هستند که دور غول‌های گازی بزرگ‌تر می‌چرخند. البته، همانطور که خواهیم دید، آن‌ها استثنایی هستند که قاعده را اثبات می‌کنند.

برای درک این موضوع که چرا قمرهای گازی حداقل در منظومه شمسی وجود ندارند، بهتر است با نحوه تشکیل سیاره‌های گازی غول‌پیکر آشنا شویم.

دو سناریو برای تشکیل سیاره گازی غول‌پیکر وجود دارد: سناریوی پایین به بالا و سناریوی بالا به پایین.

سناریوی پایین به بالا یا «برافزایش هسته»، نحوه شکل‌گیری سیاره‌های غول‌پیکر گازی منظومه شمسی را توضیح می‌دهد.

اگر می‌توانستیم به ۴٫۵ میلیارد سال پیش برگردیم، شاهد خورشید جوانی بودیم که دیسکی از گاز و غبار دور آن را فرا گرفته است. تمام سیاره‌ها از این دیسک یا قرص پیش‌سیاره‌ای تشکیل شده‌اند. آن‌ها در ابتدا به شکل اجرام سنگی تشکیل شدند و با جمع‌آوری گرد و غبار، سنگریزه‌ها و سیارک‌های اطراف بزرگ‌تر شدند. برخی از آن‌ها فقط تا حد مریخ یا زهره رشد کردند، اما برخی دیگر به رشد خود ادامه دادند و به اجرام سنگی غول‌پیکری با جرم تقریبا ۱۰ برابر زمین تبدیل شدند.

وقتی سیاره‌ها به چنین اندازه‌های بزرگی رسیدند، گرانششان به حدی قوی بود که حجم عظیمی از گاز را از قرص پیش‌سیاره‌ای ربودند. اینکه آن‌ها چقدر گاز به سرقت می‌بردند و چقدر بزرگ می‌شدند، به نیروی گرانش آن‌ها و میزان گاز موجود بستگی داشت. اما درنهایت منظومه شمسی ما با چهار سیاره از نوع غول گازی یعنی مشتری و زحل و غول‌های یخی اورانوس و نپوتون باقی ماند.

ماموریت جونو ناسا به مقصد مشتری، گرانش ناشی از هسته‌ای بزرگ و سنگی و در عین حال پراکنده درحدود ده برابر جرم زمین را در مرکز مشتری شناسایی و به یافتن شواهد از مدل برافزایش هسته کمک کرده است.

در مدل پایین به بالا، جهان‌های گازی درست مانند ستاره‌ها، مستقیما از توده گاز درحال متلاشی‌شدن در سحابی تشکیل می‌شوند. بااین‌حال، برای جرمی که بتواند این فرایند را تولید کند، یک مقدار حداقل جرم وجود دارد.

وقتی توده بزرگی از گاز تحت نیروی گرانش خود منقبض می‌شود، گرم می‌شود، زیرا گاز در حجم کوچک‌تر و درنتیجه متراکم‌تری جمع می‌شود. اما وقتی گاز گرم باشد، میل به منبسط شدن دارد، بنابراین برای حفظ انقباض، توده گاز باید گرمای اضافی را از خود خارج کند. درنتیجه، اغلب شاهد فروپاشی ابرهای گازی هستیم که به شکل انرژی فروسرخ حرارتی می‌درخشند.

تابش گرمای کافی به‌طوری‌که گاز بتواند خنک شود و همچنان متلاشی شود، به کدورت غبار، دما و تراکم بستگی دارد و این فرایند در اجرام کوچک‌تر ناکارآمدتر می‌شود؛ به‌طوری‌که در جرمی در حدود سه برابر مشتری، نمی‌تواند گرمای کافی تولید کند تا به متلاشی شدن ادامه دهد. هرچه حجم کمتر باشد، غبار کدرتر و غلیظ‌تر می‌شود و فرایند تابش گرمای اضافی ناشی از انقباض گرانشی به‌طور فزاینده‌ای ناکارآمد می‌شود. بنابراین، جسمی کوچک‌تر از سه برابر مشتری نمی‌تواند طی فرایند بالا به پایین تشکیل شود.

بیشتر قمرهای منظومه شمسی ما مانند سیاره های مادرشان، ازطریق فرایند برافزایش هسته از پایین به بالا در دیسک‌هایی از مواد باقیمانده تشکیل شده‌اند که اطراف سیاره‌های مادرشان قرار داشته‌اند. ازآن‌جا که سیاره‌ها قبلا بیشتر مواد موجود را جمع کرده بودند، ماده کافی برای تشکیل قمری با جرم کافی که گرانش کافی برای حفظ مقدار زیاد گاز داشته باشد، باقی نمانده بود. در واقع، تنها یک قمر در منظومه شمسی حتی دارای جو است و آن بزرگ‌ترین قمر زحل یعنی تیتان است. به‌طور‌ مشابه، فرایند بالا یه پایین نیز نمی‌توانست اتفاق بیفتد، زیرا گاز کافی باقی نمانده بود.

طبق توضیحاتی که داده شد، در منظومه شمسی قمرهای گازی نمی‌توانند ازطریق دو فرایند متعارف تولید جهان‌های گازی تشکیل شوند. با‌این‌حال، عجایبی در محله‌ی کیهانی ما وجود دارند که به روش متفاوتی شکل گرفته‌اند.

در مورد زمین، ماه احتمالا از مواد منفجرشده از زمین در پی برخوردی عظیم با پیش‌سیاره‌ای به اندازه مریخ تشکیل شده است. این بقایا حلقه‌ای را تشکیل دادند که ازطریق برافزایش هسته ماه را ایجاد کرد. اما آیا برخورد یک سیاره گازی غول‌پیکر می‌تواند مقدار کافی گاز برای تشکیل قمری گازی را پرتاب کند؟

متاسفانه خیر. جسی کریستینسن از مؤسسهٔ فناوری کالیفرنیا به اسپیس‌دات‌کام گفت، سیاره‌های سنگی می‌توانند چنین برخوردهایی را تجربه کنند، اما زمانی را به خاطر بیاورید که دنباله‌دار شومیکر-لِوی ۹ در سال ۱۹۹۴ به مشتری برخورد کرد و ناپدید شد. غول‌های گازی همه چیز را می‌بلعند. هر چیزی که با غول گازی برخورد کند، به جای پرتاب بقایا به فضا، فقط به بخشی از غول گازی تبدیل می‌شود.

یکی دیگر از موارد عجیب، قمرهای به‌دام‌افتاده هستند. برای مثال، قمرهای مریخ یعنی فوبوس و دیموس در دام گرانش سیاره سرخ افتاده‌اند. بیرونی‌ترین قمر زحل یعنی فوبه جرم دنباله‌دار اسیرشده است و تریتون، قمر نپتون جرمی از کمربند کویپر است که میلیون‌ها سال پیش دراثر گرانش نپتون به دام افتاده است. آن‌ها در اطراف سیاره تشکیل نشدند، بلکه به تنهایی در فضا ایجاد شدند و بعدا سرگردان شدند تا اینکه درنهایت در دام گرانش یک سیاره افتادند.

حال، این سوال ایجاد می‌شود که آیا سیاره گازی کوچک‌تری می‌تواند توسط سیاره گازی بزرگ‌تری اسیر شود؟ هرچه باشد، جهان‌های گازی می‌توانند به اندازه ۱۲ برابر مشتری برسند، بنابراین، در اصل می‌توانند جهانی گازی به اندازه نپتون را به دام بیندازند.

به‌نظر می‌رسد امکان اسیر شدن اجرام گازی کوچک‌تر توسط سیاره‌های گازی بزرگ‌تر وجود داشته باشد. کریستینسن می‌گوید: «ممکن است قمرهای (گازی) به اندازه نپتون در اطراف سیاره‌های فراخورشیدی غول‌پیکر وجود داشته باشد.»

دو قمر فراخورشیدی احتمالی که ابتدای مقاله به آن‌ها اشاره شد (کپلر 1625b-i و 1708b-i) هر دو به خودی خود غول‌های گازی هستند، اما به‌نظر می‌رسد در اصل اقمار غول‌های گازی بزرگ‌تری باشند. کریستینسن می‌گوید: « هر دوی اینها کاندیدا هستند. چیزی را در داده‌ها مشاهده می‌کنیم که با قمر سازگار است، اما پدیده‌های دیگری نیز می‌تواند آن را توضیح دهد.»

با فرض اینکه کپلر 1625b-i قمری واقعی باشد، جرمی ۱۹ برابر زمین (حدود ۶ درصد جرم مشتری) دارد، ازنظر جرم مشابه نپتون است و سیاره‌ای گازی با جرمی ۳۰ برابر جرم زمین و قطری معادل نصف قطر مشتری را همراهی می‌کند. جرم کپلر 1708b-i احتمالا کم‌تر از جرم کپلر 1625b-i است و قطری حدود پنج برابر زمین دارد (حدود نصف قطر کپلر 1625b-i) و دور سیاره‌ای گازی با اندازه‌ای ۴٫۶ برابر مشتری می‌چرخد.

کریستینسن می‌گوید: «آن‌ها تئوری‌های زیادی را به چالش می‌کشند. به سختی می‌توان راهی را پیدا کرد که قمرها ازطریق آن تشکیل شده باشند، بنابراین باید به‌دام افتاده باشند.» به دام‌افتادن، آن‌ها را عملا شبیه قمرهای اسیر شده در منظومه شمسی می‌کند. آن‌ها مانند سیاره‌ها از برافزایش هسته در دیسک تشکیل شده‌اند و سپس به دلیل مهاجرت به سمت ستاره خود اسیر می‌شوند.

به‌نظر می‌رسد مهاجرت فرایند رایجی در سیستم‌های سیاره‌ای جوان باشد. مهاجرت توضیح اخترشناسان از اجرامی معروف به «مشتری داغ» است که غول‌های گازی بسیار نزدیک به ستاره خود هستند، اما ممکن است در ابتدا در فاصله دورتری تشکیل شده باشند.

قمرهای فراخورشیدی کپلر 1625b-i و کپلر 1708b-i، هنگام مهاجرت توسط سیاره‌های بزرگ‌تری که مقابل آن‌ها قرار گرفتند، گرفتار شدند. با‌این‌حال، آن‌ها احتمالا قمرهای واقعی نیستند، بلکه احتمالا نمونه‌هایی از سیاره‌های دوگانه هستند تا قمرهای فراخورشیدی.

سیاره دوگانه زمانی وجود دارد که هر دو جهان دور مرکز جرمی که بین آن‌ها وجود دارد، در گردش هستند، نه اینکه یکی دور دیگری در گردش باشد. ما در منظومه شمسی سیاره دوگانه‌ای به شکل پلوتون و بزرگ‌ترین همراه آن یعنی شارون داریم.

بنابراین، قمرهای گازی به نحوی وجود دارند، اما طبیعت برای ساختن آن‌ها باید تقلب کند‍!