چرا هیچ کدام از قمرهای منظومه شمسی حلقه ندارند؟

ما تعداد زیادی قمر عجیب‌وغریب در منظومه شمسی داریم. قمرهای داغ و سرد؛ قمرهایی دارای مایعات و قمرهایی غبارآلود. یک سیاره قمری گردویی شکل دارد و قمر دیگری به شکل سیب‌زمینی است؛ اما تقریبا از میان ۳۰۰ قمری که تاکنون کشف شده‌اند، حتی یکی از آن‌ها هم حلقه ندارد. این مسئله واقعا عجیب است.

از میان هشت سیاره منظومه شمسی، نیمی از سیاره‌ها حلقه‌هایی از غبار و یخ دارند که به‌دور استوایشان می‌چرخند. تصور می‌شود مریخ نیز زمانی حلقه داشته است و براساس پژوهشی تازه، حتی سیاره آبی خودمان نیز احتمالاً درحدود ۵۰۰ میلیون سال پیش، حلقه‌ای شبیه به حلقه‌ی زحل داشت که تا ده‌ها میلیون سال دوام آورده بود.

علاوه‌براین، برخی از سیاره‌های کوتوله هم حلقه دارند؛ گرچه ستاره‌شناس‌ها هنوز نتوانسته‌اند به چگونگی شکل‌گیری این حلقه‌ها پی ببرند. حتی برخی از سیارک‌ها نیز حلقه‌های خودشان را دارند.

ماریو سوسرکیا، اخترفیزیکدان در دانشگاه آدولفو ایبانز شیلی و همکارانش، در حین بررسی مفهوم قمرهای حلقه‌دار در خارج از منظومه شمسی، درگیر این پرسش شدند که چرا قمرهای محله‌ی کیهانی خودمان فاقد حلقه هستند. او در مصاحبه با ساینس آلرت توضیح می‌دهد:

اگر سیاره‌های غول‌پیکر منظومه شمسی حلقه دارند و اگر سیارک‌های آن سوی  مدار مشتری و اجرام فرانپتونی هم حلقه دارند، چرا قمرهای منظومه شمسی حلقه ندارند؟ این غیبت با توجه به وجود حلقه‌ها در نقاط دیگر غیرمنطقی است. در نتیجه بهتر است بررسی کنیم آیا دلایل دینامیکی زمینه‌ای وجود دارند که از تشکیل حلقه‌ها یا ثبات بلندمدت آن‌ها در اطراف قمرها جلوگیری می‌کنند.

ما هنوز به‌طور قطعی قمری خارج از منظومه شمسی کشف نکرده‌ایم، اما سوسرکیا و همکارانش در سال ۲۰۲۱ این فرضیه را مطرح کردند که اگر یک قمر سیستم حلقه‌ی بزرگی داشته باشد، می‌تواند با مسدودکردن نور ستاره به اندازه‌ی کافی، وجود خود را ابزار کند. اما این گروه بعدا متوجه شد که ما هنوز قمری حلقه‌دار را ندیده‌ایم و درنتیجه احتمال وجود آن‌ها بسیار پایین است.

وقتی ستاره‌شناسی باشید که پرسشی در ذهن و ابزاری شبیه‌سازی در دسترس داشته باشید،  تنها یک کار می‌توانید انجام دهید: مدل‌هایی از منظومه‌های کیهانی بسازید و ببینید وقتی آن‌ها را به حرکت درآورید، چه اتفاقی رخ می‌دهد.

مواد خام بسیاری وجود دارند که حلقه‌ها می‌توانند از آن‌ها در اطراف قمرهای منظومه شمسی شکل بگیرند. برخی از این مواد، غبار حاصل از شکل‌گیری دهانه‌های برخوردی هستند.  برخی قمرهای دیگر از خود بخار یا گاز منتشر می‌کنند بنابراین به نظر می‌رسد مشکلی در شکل‌گیری حلقه وجود نداشته باشد.

پژوهشگرها با توجه به تأثیر گرانشی قمر، سیاره میزبان و قمرهای دیگر، شبیه‌سازی‌های N جسمی را طراحی و آزمایش کردند و متوجه شدند با توجه به این متغیرها، شکل‌گیری حلقه در اطراف قمرها دشوار است.

برای مثال انسلادوس، قمر زحل با فعالیت چشمگیر سطحی خود بخار آب، ذرات یخ و گازهایی را از یخ‌فشان‌هایش در منطقه‌ی قطب جنوب منتشر می‌کند. با این‌حال، به جای شکل گیری حلقه‌ای در اطراف این قمر، این مواد به خاطر برهم‌کنش‌های شدید با قمرهای همسایه به مدار زحل منتقل می‌شوند و حلقه‌ی E زحل را تغذیه می‌کنند.

به بیان دیگر، با اینکه قمرها بخشی از مواد خام لازم برای حلقه‌ را تولید می‌کنند، محیط مجاور آن‌ها باعث می‌شود بخش زیادی از این مواد در اختیار سیاره میزبان قرار بگیرد و از شکل‌گیری حلقه در اطراف خود قمرها جلوگیری می‌شود.

تاکنون ناسا ۲۹۳ قمر را در مدار سیاره‌های منظومه شمسی کشف کرده است که اغلب آن‌ها به سیاره‌های مشتری و زحل تعلق دارند. همچنین قمرهایی در اطراف سیاره‌های کوتوله و حتی سیارک‌ها کشف شده‌اند.

سوسرکیا و گروهش قمرهای انواع اجرام منظومه شمسی از ماه زمین گرفته تا قمرهای بزرگ‌تر سیاره‌های مشتری و زحل را طی میلیون‌ها سال تکامل شبیه‌سازی کردند. آن‌ها به دنبال بررسی ثبات این اجرام، محیط گرانشی‌شان، منظومه‌های حلقه‌ی احتمالی و تغییراتشان در طول زمان بودند.  نتایج بررسی چیزی خلاف انتظار پژوهشگرها بود. سوسرکیا در این باره توضیح می‌دهد:

در ابتدا انتظار داشتم حلقه‌ها کاملا ناپایدار باشند که به‌صورت مستقیم به پرسش ما پاسخ می‌داد. با این‌حال برخلاف انتظار متوجه شدیم که این ساختارها در بسیاری شرایط ثبات خود را حفظ کرده‌اند. در واقع در یکی از مقاله‌های گذشته نشان دادیم که قمرهای منزوی می‌توانند حلقه‌هایی پایدار داشته باشند، اما پیش‌بینی نمی‌کردیم که قمرها در محیط‌های گرانشی خشن با وجود تعداد زیادی از قمرها و سیاره‌های دیگری که حلقه‌هایشان را توزیع کرده‌اند، همچنان پایدار باقی بمانند. شگفتی دیگر مربوط به زمانی بود که متوجه شدیم این محیط‌های خشن به جای نابودسازی حلقه‌ها با ایجاد ساختارهایی مثل شکاف‌ها و موج‌ها به آن‌ها زیبایی می‌بخشند که درست مشابه چیزی بود که در حلقه‌های زحل می‌بینیم.

برخی شاخصه‌ها در قمرهای منظومه‌ی شمسی، نشانه‌ای از گذشته‌ی حلقه‌ها هستند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که سنگ‌ریزه‌های یافت‌شده در مدار رئا، قمر زحل می‌توانند آخرین بقایای یک سیستم حلقه‌ی کامل باشند. همچنین قمر یاپتوس زحل دارای شیاری استوایی است که می‌تواند باقی‌مانده‌ی حلقه‌ای باشد که روی این قمر سقوط کرده و از این نظر درست به حلقه‌های زحل شبیه‌ است که به آرامی روی این غول گازی می‌بارند.

یافته‌ها نشان می‌دهد دلیل اینکه امروز حلقه‌ای در منظومه‌ی شمسی نمی‌بینیم، این است که  در زمان و مکان درستی قرار نداریم. فشار پرتوهای خورشید، میدان‌های مغناطیسی، گرمایش داخلی و پلاسمای مغناطیس‌کره‌ای همه بر ازدست‌رفتن حلقه‌های قمری که زمانی وجود داشتند تأثیر می‌گذارند.  به گفته‌ی سوسرکیا:

معتقدم تا حدی در این باره بد‌شانس هستیم؛ زیرا رصد جهان را در طول دوره‌ای شروع کردیم که این ساختارها دیگر وجود ندارند. پس از انجام این پژوهش متقاعد شدم که این حلقه‌ها احتمالا در گذشته وجود داشته‌اند.

از سویی، تنها دلیلی که حلقه‌های زحل را می‌بینیم این است که در زمان و مکان درستی قرار داریم. به همین دلیل خورشیدگرفتگی و ماه‌گرفتگی را می‌بینیم؛ چرا که ماه به مرور از زمین دور می‌شود و زمانی آنقدر دور خواهد شد که دیگر نمی‌تواند به طور کامل خورشید را بپوشاند.

پژوهشگرها معتقدند شبیه‌سازی‌های بعدی که پارامترهای بیشتری را درنظر می‌گیرند، مثل فشار پرتوها و میدان‌های مغناطیسی می‌توانند به ما در درک نبود حلقه‌های قمری با جزئیات بیشتری کمک کنند. همچنین باید قمرها را با دقت بیشتری بررسی کنیم و به جستجوی شواهدی از گذشته مثل شیارهای یاپتوس برویم.  

در عین حال سوسرکیا و همکارانش به دنبال گسترش جستجویشان و جستجوی قمرهای حلقه‌ها در اطراف دنیاهای بیگانه فراخورشیدی هستند. او توضیح می‌دهد:

در شگفتم که چه داستان‌های اسطوره‌ای و حماسی از ساکنین دنیاهای دیگر درباره‌ی قمرهای حلقه‌دار خواهیم شنید. یعنی داستان‌ها و فرهنگ‌ آن‌ها درباره‌ی قمرهای حلقه‌ها چه تفاوتی با داستان‌های ما خواهد داشت؟ بی‌نهایت احتمال وجود دارد.

پژوهش دانشمندان برای انتشار در مجله نجوم و اخترفیزیک پذیرفته شده و در پایگاه آرکایو در دسترس است.