ما روی یکی از سیارههای منظومه شمسی زندگی میکنیم و تا به امروز هزاران سیاره فراخورشیدی کشف کردهایم. بااینحال، نحوه بهوجود آمدن زمین همچنان به صورت معمای علمی حل‌نشده‌ای باقی مانده است. در حال حاضر، دو نظریه پیشرو درباره شکل‌گیری سیاره‌ها وجود دارد. دانشمندان به مطالعه سیارههای داخل منظومه شمسی و بیرون از آن ادامه می‌دهند تا بفهمند کدام نظریه به‌درستی چگونگی شکل‌گیری منظومه شمسی و سیارههای آن را توصیف می‌کند.
اولین و رایج‌ترین نظریه، مدل برافزایش هسته است که به‌خوبی شکل‌گیری سیارههای زمینسان را توضیح می‌دهد ولی در رابطه با شکل‌گیری سیارههای غول‌پیکر نقص دارد. در مقابل، نظریه دوم که روش ناپایداری قرص نام دارد، شکل‌گیری سیارههای بزرگ‌تر را توضیح می‌دهد. تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید تا این دو نظریه را با جزئیات بیشتر بررسی کنیم.
تقریبا ۴.۶ میلیارد سال پیش، منظومه شمسی ما فقط ابری از غبار و گاز بود که بهعنوان سحابی خورشیدی شناخته میشد. با شروع چرخش، گرانش باعث شد مواد درون سحابی فرو بریزند و خورشید در مرکز آن تشکیل شود.
با آغاز شکل‌گیری خورشید، مواد باقی‌مانده نیز کم‌کم شروع به کلوخه و انباشته شدن کردند. ذره‌های کوچک با نیروی گرانش به هم پیوستند و به ذره‌های بزرگ‌تر تبدیل شدند. باد خورشیدی، جریان ثابتی از ذره‌های باردار که از جو فوقانی خورشید سرچشمه می‌گیرد، عناصر سبکتر را، مثل هیدروژن و هلیوم، با خود برد.
مواد سنگین و سنگی باقی‌مانده جهان‌های کوچک‌تر زمینسان را تشکیل دادند. باد خورشیدی در فاصله دورتر اثر کمتری روی عناصر سبکتر داشت. در نتیجه، این عناصر توانستند ادغام شوند و غولهای گازی را بهوجود بیاورند. این فرایندی بود که سیارک‌ها، دنباله‌دارها، سیاره‌ها و قمرهای منظومه شمسی را ایجاد کرد.
ابتدا هسته سنگی زمین با برخورد و اتصال عناصر سنگین به یکدیگر شکل گرفت. مواد متراکم به‌سمت مرکز فرو رفتند و مواد سبکتر پوسته را تشکیل دادند. احتمالا میدان مغناطیسی زمین در همین زمان بهوجود آمد.
زمین در اوایل تکامل خود مورد اصابت جرم بزرگی قرار گرفت که باعث شد تکه‌هایی از گوشته آن به فضا پرتاب شود. گرانش این تکه‌ها را به هم نزدیک کرد و ماهی که امروز می‌بینیم، تشکیل شد.جریان گوشته زیر پوسته زمین باعث ایجاد تکتونیک صفحه، یعنی حرکت صفحه‌‌های سنگی بزرگ در سطح سیاره می‌شود. در اثر برخورد و اصطکاک این صفحه‌ها کوه‌ها و آتشفشان‌ها بهوجود آمدند و شروع به پرتاب گاز کردند. زمین در ابتدا جو نداشت. جو زمانی تشکیل شد که زمین شروع به سرد شدن کرد و نیروی گرانش گازهای آتشفشان‌ها را گیر انداخت.
امروزه دنباله‌دارها و سیارک‌های بسیار کمی از درون منظومه شمسی عبور می‌کنند ولی وقتی خورشید و سیاره‌ها جوان بودند، فراوان‌تر بودند. برخورد بین این اجرام کیهانی احتمالا آب را به زمین آورد. سیاره ما در کمربند حیات یا منطقه گلدی‌لاکس قرار دارد که به محدوده‌ای در اطراف هر ستاره گفته می‌شود که به‌اندازه کافی نزدیک است تا آب مایع بتواند در سطح سیاره وجود داشته باشد. یعنی نه یخ بزند و نه تبخیر شود. بسیاری از دانشمندان معتقد هستند که قرار گرفتن در این منطقه و وجود آب مایع، نقش اساسی در ایجاد حیات دارد.
برافزایش هسته بهترین مدل برای توضیح دادن فرایند شکل‌گیری سیارههای فراخورشیدی است. ستاره‌هایی که فلزهای بیشتری در هسته خود دارند (اصطلاح فلز در اینجا به همه عناصر شیمیایی سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم اشاره می‌کند)، میزبان سیارههای غول‌پیکر بیشتری نسبت به همتایان کم‌فلز خود هستند.
به‌گفته ناسا، برافزایش هسته پیشنهاد می‌کند که جهان‌های کوچک و صخره‌ای باید رایج‌تر از غولهای گازی پرجرم‌تر باشند.
یکی از یافته‌هایی که به تایید برافزایش هسته بهعنوان مدل شکل‌گیری سیاره کمک کرد، کشف سیاره‌ای غول‌پیکر با هسته‌ای عظیم است که دور ستاره خورشیدسان HD 149026 می‌چرخد.
| برای اطلاع از مقاله علت بیگ بنگ چه بود روی لینک کلیک کنید. |
«گرگ هنری»، ستاره‌شناس دانشگاه ایالتی تنسی، در بیانیه مطبوعاتی گفت: «این تاییدی بر نظریه برافزایش هسته بهعنوان مدل تشکیل سیاره است و تاکیدی بر این است که این نوع سیاره‌ها به‌وفور وجود دارند.»
در سال ۲۰۱۹، آژانس فضایی اروپا ماهواره توصیف‌گر سیارههای فراخورشیدی (چیاپس، CHEOPS) را به فضا پرتاب کرد که برای مطالعه فراسیارات در اندازه‌های مختلف، از ابرزمین تا نپتون، طراحی شده بود.. هدف دانشمندان از چنین ماموریت‌هایی مطالعه جهان‌های دوردست به‌منظور کشف نحوه شکل‌گیری سیاره‌ها در منظومه‌های خورشیدی مختلف است.
تیم CHEOPS گفت: «در سناریوی برافزایش هسته، هسته‌ی سیاره باید به جرم بحرانی برسد تا بتواند گاز فراری را جمع کند. این جرم بحرانی به متغیرهای فیزیکی زیادی بستگی دارد که یکی از مهم‌ترین آنها نرخ برافزایش اجرام کوچک است.»
در حالیکه مدل برافزایش هسته برای سیارههای زمینسان کارآمد است، غولهای گازی باید بهسرعت تکامل پیدا کنند تا بتوانند توده قابلتوجه گازهای سبکتر را گیر بیندازند.
شبیه‌سازی با این مدل نتوانسته است شکل‌گیری سریع را توضیح دهد. در این شبیه‌سازی‌ها، این فرایند چند میلیون سال طول می‌کشد که بیشتر از زمانی است که گازهای سبک در منظومه شمسی اولیه در دسترس بودند.
مدل برافزایش هسته تنها مدل نحوه شکل‌گیری سیاره‌ها نیست. بر اساس نظریه‌ای جدیدتر، ناپایداری قرص، توده‌های غبار و گاز در اوایل وجود منظومه شمسی به یکدیگر متصل شدند. با گذشت زمان، این توده‌ها به‌آرامی سیارههای غول‌پیکر را تشکیل دادند.
این سیاره‌ها سریع‌تر از سیارههای مدل برافزایش هسته شکل گرفتند، گاهی در عرض هزار سال که به آنها اجازه داد گازهای سبکتر را که بهسرعت ناپدید می‌شوند، به دام بیندازند. این سیاره‌ها همچنین بهسرعت به جرم مناسب برای تثبیت مدارشان رسیدند که آنها را از رژه مرگ به‌سمت خورشید نجات داد.
به‌گفته «پل ویلسون»، ستاره‌شناس فراسیاره‌ای، اگر ناپایداری قرص مدل غالب شکل‌گیری سیاره‌ها باشد، باید جهان‌های زیادی را بهوجود آورده باشد. چهار سیاره غول‌پیکر که در فواصل قابل‌توجهی دور ستاره HD 9799 می‌چرخند، شواهد قابل‌رصد ناپایداری قرص هستند.
Fomalhaut b، یک فراسیاره‌ای با مدار ۲۰۰۰ ساله دور ستاره خود، می‌تواند نمونه‌ای از دنیایی باشد که از طریق ناپایداری قرص شکل گرفته است، اگرچه ممکن است به‌دلیل تعامل با همسایه‌هایش به‌بیرون پرتاب شده باشد.
مدل ناپایداری قرص با مشکل زمانی مدل برافزایش هسته مقابله می‌کند. به‌بیان دقیق‌تر، سرعت گیر انداختن مواد سبکتر توسط غولهای گازی. مدل جدید دیگری که بهعنوان برافزایش سنگریزه شناخته می‌شود، برای کمک به این مشکل پیشنهاد شده است.
در این مدل، محققان نشان داده‌اند که چگونه اجرام کوچک‌تر به اندازه سنگریزه می‌توانند با هم ترکیب شوند و سیارههای غول‌پیکر را تا ۱۰۰۰ برابر سریع‌تر از دو مدل دیگر بسازند.
«هارولد لویسون»، ستاره‌شناس موسسه تحقیقات جنوب‌غربی (SWRI) گفت: «این اولین مدلی است در آن با ساختاری بسیار ساده برای سحابی خورشیدی که سیاره‌ها از آن تشکیل می‌شوند شروع میکنیم و به منظومه سیاره‌ای غول‌پیکری که می‌بینیم، می‌رسیم.»
چند سال قبل، دو محقق سوئدی پیشنهاد کرده بودند که سنگریزه‌های ریز کلید شکل‌گیری سریع سیارههای غول‌پیکر هستند.
لویسون در این رابطه گفت: «آنها نشان دادند که سنگریزه‌های باقی‌مانده از این فرایند شکل‌گیری که قبلا تصور میشد بی‌اهمیت هستند، در واقع می‌توانند راه‌حل بزرگی برای مشکل تشکیل سیاره باشند.»
لویسون و تیمش بر اساس این تحقیقات شروع به مدل‌سازی دقیق‌تر شکل‌گیری سیاره‌ها از سنگریزه‌های کردند. در شبیه‌سازی‌های قبلی، اجرام بزرگ و همچنین متوسط، قطعه‌های ریز را با نرخ نسبتا برابر جذب می‌کردند ولی شبیه‌سازی‌های لویسون نشان داد که اجسام بزرگ‌تر بیشتر شبیه قلدرها عمل می‌کنند و سنگریزهها را از اجرام متوسط می‌دزدند تا با سرعت بیشتری رشد کنند.
«کاترین کرتکه»، یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «اجرام بزرگ‌تر توانایی بیشتری در عقب راندن اجرام کوچک‌تر دارند. بنابراین، اجرام کوچک‌تر در نهایت از صفحه سنگریزه به بیرون پرتاب می‌شوند. بزرگ‌تر اساسا کوچک‌تر را مورد آزار و اذیت قرار می‌دهد تا بتواند تمام سنگریزهها را به‌تنهایی بخورد و به رشد ادامه دهد تا هسته سیارههای غول‌پیکر را تشکیل دهد.»
همان‌طور که دانشمندان به مطالعه سیارههای داخل و خارج منظومه شمسی ادامه می‌دهند، بهتر متوجه می‌شوند که زمین و سایر سیاره‌ها چطور شکل گرفته‌اند.
