كل كوكب كبير يبدأ بحصاة.
حسنًا ، ليس واحدًا فقط. يبدأ بـ الكثير من الحصى - بحر منها مسطح يمتد ربما مئات المرات أكبر من المسافة من الأرض إلى الشمس. تختلف أحجامها بشكل كبير. قد يكون بعضها مجرد جزيئات غبار. قد يكون البعض الآخر صخورًا صغيرة إلى صخور كبيرة إلى حد ما.
الشرح:ما هو الكوكب؟
تتساقط هذه الحصى بعنف داخل القرص الغازي المحيط بنجم شاب. تكمن داخل هذا القرص مكونات ليس فقط للكواكب ، ولكن أيضًا للكويكبات والمذنبات والكائنات الحية. ما أصبحت لا يعتمد فقط على تلك المكونات ، ولكن أيضًا على موقعها ودرجة حرارة الغاز.
مثل الطهاة المبتدئين في المطبخ ، يناقش علماء الفلك اليوم مقدار المكونات التي يجب أن تكون موجودة في ذلك النظام الشمسي المبكر. وعندما. وكيف يمكن أن يكونوا قد تفاعلوا ودمجوا. وماذا سيحدث إذا غيرت درجة حرارتها.
نعلم جميعًا كيف تنتهي عملية صنع الكوكب. ينتج عوالم صخرية مثل الأرض والمريخ والزهرة. كما أنه يؤدي إلى عمالقة الغاز مثل زحل وعمالقة الجليد مثل أورانوس. خارج النظام الشمسي ، تضم حديقة الحيوانات الكوكبية عوالم غريبة. اكتشف العلماء عالما اعتقدوا في البداية أنه مصنوع من الماس ولكنهم يعتقدون الآن أن المحيطات تتدفق من الحمم البركانية. لقد لاحظوا عملاقًا غازيًا ساخنًا حيث من المحتمل أن تتساقط قطرات من الحديد مثل المطر وكوكب صغير ساخن يغطيه البخار.
لكن كيف تصبح أقراص الغاز والصخور مصانع للكواكب لا يزال محل نقاش. البدايات - حيث تلتصق حبيبات الغبار بالكاد ميكرومتر (بضعة أجزاء من عشرة آلاف من البوصة) معًا لتشكيل مواد صلبة صخرية - ليست مثيرة للجدل كثيرًا. وبفضل التلسكوبات القوية ، يمتلك الباحثون أفكارًا حول كيفية تحرك الكواكب بمجرد تكوينها بالكامل.
لكن ما بين ذلك هو دووزي. لقرون ، كان العلماء يختبرون ويتقاتلون حول أفكار حول كيفية ربط البداية بالنهاية. واجهت معظم أفضل الأفكار على ما يبدو مشاكل.
على مدى السنوات العشر الماضية أو نحو ذلك ، اكتسبت عملية تسمى تراكم الحصى (Ah-KREE-shun) شعبية. يشير التراكم إلى النمو التدريجي لشيء ما. يحدث هذا عندما تنضم أجزاء جديدة من المادة إلى شيء ما أو تتكتل عليه. في هذه الحالة ، يكون قرصًا دائريًا من الغاز والحصى التي تتجمع معًا لتكوين عائلة من الكواكب.
وفقًا للنظرية ، فإن الصخور الصغيرة في القرص تتباطأ وتسخن لأنها تطير عبر الغاز بالقرب من صخرة أكبر. إنها ظاهرة مشابهة لكيفية إبطاء الماء في البركة من غرق الصخور. في نهاية المطاف ، تنحرف هذه الحصى المتطايرة بشكل لولبي لتهبط على سطح صخور أكبر في الجوار. حصاة حصاة ، ولد كوكب عملاق. وبالمقارنة مع عمر الكون ، فهي عملية سريعة ، لا تستغرق سوى بضعة ملايين من السنين.
تقول كاثرين كريتك:"لقد أحدث تراكم الحصاة ثورة في طريقة تفكير الناس في تكوين الكواكب". إنها عالمة فيزياء فلكية في معهد الأبحاث الجنوبي الغربي في بولدر ، كولورادو.
ستحل هذه النظرية العديد من الألغاز التي تحدت الأفكار السابقة. على سبيل المثال ، كما يقول سيث جاكوبسون ، "إنها حقًا الآلية الوحيدة التي تقترب من شرح كيفية تشكل أورانوس ونبتون." جاكوبسون عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية ميتشيغان في إيست لانسينغ.
الشرح:النجوم وعائلاتهم
حصل نمو الكوكب أيضًا على دفعة من الدراسات الحديثة للنجوم البعيدة. تتطابق الملاحظات التي أجرتها أكبر شبكة تلسكوب لاسلكي في العالم ، والتي تطفو على جبل صحراوي منعزل في تشيلي ، مع بعض التنبؤات غير العادية لهذه النظرية.
يعرف أندرس جوهانسن ، عالم الفلك في مرصد لوند في السويد ، الكثير عن تراكم الحصى. لقد كان أحد الباحثين البارزين الذين جادلوا لصالحها. الحيرة في كيفية عملها تستهلك أيامه.
يقارن دراسة أصول الكواكب بالعمل من خلال قصة بوليسية. يقول إن النظام الشمسي يوفر أدلة في الكواكب التي نعرفها. توفر الكواكب الخارجية خارج النظام الشمسي المزيد من القرائن. يتعين على العلماء ربط هذه القرائن لتجميع القصة بأكملها.
يقول:"إنه لمن الممتع جدًا العمل على هذا".
في البداية
اعتقد الفلاسفة اليونانيون القدماء أن الكواكب تشكلت من الفوضى التي ملأت الكون. في القرن السابع عشر ، اقترح العالم والفيلسوف الفرنسي رينيه ديكارت أن كل نجم يجلس في مركز دوامة دوامة. الكواكب ، المصنوعة من مواد داكنة ، ترتاح في مجموعات متحدة المركز تدور حول النجم.
في القرن الثامن عشر ، اقترح صوفي سويدي يُدعى إيمانويل سويدنبورج فكرة مختلفة. لقد وصف تكوين الكواكب بطريقة أقرب إلى الأفكار الحديثة. قال إن الأمر كله يبدأ عندما تنفجر القشرة القشرية حول نجم. فإنه ينهار. يستقر الحطام في حلقة عملاقة تحيط بهذا النجم في مركزه. المادة في تلك الحلقة تتكتل في النهاية إلى ما سيصبح كواكب. تسمى فكرة أن الكواكب تشكلت من سحابة دوامة من المواد النجمية بالفرضية السديمية.
لا يزال هذا هو العمود الفقري للأفكار اليوم. كما أدى إلى إنشاء قائمة طويلة من الكلمات الجديدة. لا يشير الغبار إلى الأشياء الموجودة في منزلك - ذلك المزيج من خلايا الجلد الميتة وقطع نسيج العنكبوت والأوساخ والمزيد. إنها الجزيئات الصغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين. عندما يقول العلماء حصاة ، إنها تعني صخورًا صغيرة من حجم الدايم تقريبًا إلى حجم الزلاجة. يتحدثون أيضًا عن الكواكب الصغيرة (Plaa-neh-TES-ih muls) . هذه صخور فضائية قد تكون بحجم مدينة. ثم هناك الكواكب الأولية ، وهو كوكب أوشك على التشكل.
نظرًا لأن العلماء كشفوا التفاصيل ، فقد واجهوا أيضًا تحديات. على سبيل المثال ، اقترحت إحدى الأفكار الشائعة في القرن العشرين أن الكواكب تشكلت من الاصطدامات بين صخور أكبر من أي وقت مضى.
يبدأ هذا التفسير أيضًا بـ "قرص من الغاز والغبار" ، كما يشير أليساندرو موربيديلي. "ثم يلتصق الغبار معًا ليشكل كواكب بحجم الكويكبات والمذنبات." موربيديلي عالم كواكب في مرصد كوت دازور في نيس بفرنسا. يقول:"فقط انسى الغبار". "بعد ذلك ، أنت تنتج كواكب أولية عن طريق اصطدام تلك الكواكب الصغيرة مع بعضها البعض."
قد تبدو هذه العملية معقولة. ومع ذلك ، يعتقد موربيدلي أيضًا أن هذا شبه مستحيل. لسبب واحد ، أن الكواكب التي تتكون بعيدًا عن الشمس تنمو ببطء. ستحتاج عوالم مثل كوكب المشتري وزحل إلى عشرات الملايين من السنين لتصبح كبيرة جدًا من خلال عمليات التحطيم. لكن قرص الغبار والغاز الذي تكوَّنوا منه لم يبق إلا لبضعة ملايين من السنين. يجادل قائلاً:"يبدو من الصعب بهذه العملية تنمية نوى هذه الكواكب خلال عمر القرص".
مشكلة أخرى:يتطلب هذا النموذج اصطدام الكواكب الصغيرة من خلال عبور المدارات. يقول جاكوبسون:"لديك كل هذه الاصطدامات ، كل هذا الحطام". "الكواكب الحالية لا تبدو مثل هذا. لدينا مدارات لطيفة للغاية ، دائرية تقريبًا. لا يبدو أنهم جاءوا من عملية فوضوية عنيفة ".
أخيرًا ، لا ينتج عن الاصطدامات بين الأجسام الكبيرة دائمًا أجسامًا أكبر. من السهل التحقق من هذا:فقط حاول تحطيم حجر في آخر.
يقول جاكوبسون:"إذا أخذت صخرتين بحجم قبضة اليد ، فلا توجد سرعة يمكنك من خلالها جمعهما معًا ، وسوف تلتصقان". لذا يجادل بأن الاصطدامات وحدها لا تستطيع تفسير كيفية تشكل الكواكب الصغيرة.
الاهتمام بالحصى
في عام 2010 ، توصل اثنان من علماء الفيزياء الفلكية في معهد ماكس بلانك لعلم الفلك في هايدلبرغ بألمانيا إلى حل بديل. الجواب ، كما اقترحوا ، كان في غاز القرص. أثناء تحركه عبر سائل ، يتباطأ الجسم الصلب ويسخن. هذا بسبب قوة تسمى السحب . بسبب السحب ، تحتاج إلى مزيد من الجهد للمشي في الماء بدلاً من المشي في الهواء. من المحتمل أن يؤدي السحب من الغاز في القرص إلى إبطاء الحصى.
أصبحت هذه الفكرة معروفة باسم تراكم الحصى مع دراسة نُشرت بعد ذلك بعامين بواسطة يوهانسن وميشيل لامبريشتس ، عالم فلك آخر في مرصد لوند. استخدموا نماذج الكمبيوتر لاختبار أفكارهم. ووجدوا أنه في أجزاء من القرص ذات درجات الحرارة المناسبة ، يمكن أن تتباطأ تلك الحصى بدرجة كافية لتتحول إلى سطح كوكب صغير. من هناك سيبقون في مكانهم.
يقول كريتك:"إنها عملية فعالة حقًا". تقول:"إذا كان لديك طن من هذه الحصى بالحجم المناسب ، فحينئذٍ ستدوي! يمكنك تكوين كوكب ".
جسمان كبيران يدوران في الفضاء لديه فرصة ضئيلة للتصادم. لكن بالنسبة لجسم واحد كبير يتدفق عبر محيط من الحصى والغبار ، فمن المحتمل حدوث تصادم. مع تراكم الحصى ، يمكن أن ينمو كوكب بحجم نبتون أو أورانوس خلال العمر القصير لقرص الغاز. لا يحتاج إلى تشكيل تحطمات عملاقة في الفضاء الخارجي من الكويكبات والمذنبات. وبمجرد أن يكون لكوكب مثل المشتري نواة كبيرة ، يمكن أن تجذب جاذبيته العناصر الأخف لتغطيته في جو كثيف من الهيدروجين والهيليوم.
يقول موربيديلي إن تراكم الحصى يقوم بعمل جيد في شرح كيفية تشكل الكواكب الكبيرة. كما تشير أيضًا إلى أن الغاز والغبار في القرص يحددان نوع الكوكب الذي يتكون بالقرب من النجم - أو ما إذا كان الكوكب يتشكل على الإطلاق.
أو ربما لا يجب أن يكون قرصًا سلسًا. مع تراكم الحصى ، قد تتكون الكواكب من حلقات مشوهة من الغبار والغاز تدور حول نجم. في عام 2018 ، درس العلماء بعض النجوم التي تدور حول الغاز والغبار. استخدموا أكبر شبكة تلسكوب لاسلكي في العالم ، تسمى ALMA. (يرمز الاسم إلى مجموعة Atacama Large Millimeter.) هذه المجموعة من الأطباق العملاقة الفضية تنطلق إلى الفضاء من أعلى جبل صحراوي في صحراء أتاكاما في تشيلي.
ما وجدوه كان مروعًا. بعض النجوم بها حلقات من الغبار والغاز - وليست أقراصًا. لدى البعض الآخر أقراص كبيرة أو أقراص صغيرة. ولم تكن كل الحلقات ناعمة. كان لدى البعض مناطق حيث عالق الغبار والغاز وتكتلوا. بدت المناطق الأخرى متناثرة.
يقول Morbidelli:"لقد رأينا مثل هذا التنوع على مستوى القرص".
يقول إن التحدي الآن هو استخدام تراكم الحصى لربط تلك الهياكل الحلقية بالكواكب التي قد تظهر.
مشاكل في أرض الحصى
يتفق معظم علماء الفلك على أن تراكم الحصى هو تفسير جيد لكيفية تشكل الكواكب الكبيرة. يقول موربيدلي:"لا أحد يشكك في ذلك". لكن من المحتمل أن يكون التفسير الكامل لكيفية تشكل الكواكب أكثر تعقيدًا. إن الحصول على تراكم الحصى لإنتاج الكواكب ، حتى في النماذج ، يتطلب معلمات أخرى لتكون صحيحة تمامًا ، كما يحذر.
على سبيل المثال ، يتطلب تراكم الحصى صخرة أكبر تسقط عليها الحصى الأصغر. "لذلك ما زلنا بحاجة إلى اصطدام الكواكب الصغيرة لإنشاء أجسام بحجم القمر قبل أن يتراكم الحصى" ، كما يشك. يجب أن تكون الأقراص أيضًا مليئة بالكثير من المواد لتزويد كل تلك الحصى. تشير ملاحظات ALMA إلى إمكانية وجود مثل هذه الأقراص العملاقة. لكن العلماء ما زالوا يجمعون الأدلة لإثبات ذلك.
يحذر يوهانسن وآخرون أيضًا من أن تراكم الحصى على الأرجح لا يفسر القصة بأكملها. أظهرت دراسة نُشرت في فبراير الماضي كيف أن الاصطدامات الكوكبية يمكن أن تنتج كوكب المشتري ، دون الحاجة إلى تراكم الحصى. قام جينارو دانجيلو في مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو وزملاؤه بتأليف العمل. ورقتهم الجديدة لا تستبعد تراكم الحصى ؛ إنه يظهر فقط أنه قد لا يكون التفسير الوحيد للكواكب. لا يزال العلماء بحاجة إلى استكشاف الاحتمالات الأخرى.
و هم. في بحث نُشر عام 2018 ، جمع العلماء بين الكواكب والكواكب الصغيرة في نوع من السيناريوهات الهجينة.
يقول D’Angelo إن تراكم الحصى يساعد في تفسير الظروف التي يمكن أن تتكون في ظلها الكواكب الكبيرة. لكن هذه العملية تعتمد على تحديد التوقيت ودرجة الحرارة بشكل صحيح. بدون ذلك ، قد تنجرف الحصى بسرعة كبيرة عبر القرص ، كما يقول ، وقد لا يكون لدى الكوكب المتنامي الوقت لتجميعها.
بالإضافة إلى ذلك ، هناك مشكلة Goldilocks مع تراكم الحصى. يجب أن يستمر وقت نمو الكوكب لفترة كافية للسماح لتيار من الحصى بالهبوط على القلب. لكن ملاحظات الأنظمة الأخرى تظهر أن الأقراص لا تدوم إلى الأبد. غالبًا ما تستمر لبضعة ملايين من السنين فقط. وهذا يضع موعدًا نهائيًا لتكوين الكوكب. لذلك لا يمكن للكوكب أن ينمو بسرعة كبيرة أو بطيئة جدًا - أو لن يتشكل على الإطلاق.
هل يمكن أن تؤدي الحصى إلى تراب؟
هناك سؤال آخر عالق حول تراكم الحصى وهو ما إذا كان يمكن أن يشكل عوالم صغيرة وصخرية مثل الأرض والمريخ.
تعتقد جوهانسن أن ذلك ممكن. في ورقة بحثية في فبراير في Science Advances ، يصف هو وزملاؤه نموذجًا يوضح كيف يمكن لتيار من الحصى أن يفعل ذلك. تتجمع الحصى على الكواكب الصغيرة على مسافة قريبة من الشمس مثل المريخ اليوم. بعد تشكل الكواكب ، فإنها تهاجر - أو تنجرف بمرور الوقت - إلى مواقعها الحالية.
لدى موربيدلي شكوكه. أنا شخصياً أعتقد أن الكواكب العملاقة نمت بطريقة ما عن طريق تراكم الحصى. ويعتقد أن النباتات الأرضية [الصخرية] كانت في الغالب محصنة. كوكب المشتري هو أقدم كوكب في النظام الشمسي. ومع نموه ، منع تدفق الحصى نحو النظام الشمسي الداخلي. لن يترك ذلك المزيد من الحصى لبناء الكواكب الصخرية. يعتقد أن الكواكب الداخلية للنظام الشمسي ، بما في ذلك الأرض ، قد تكونت بدلاً من ذلك من خلال تصادمات كبيرة.
يقول كريتك إن إيجاد طريقة لتشكل الكواكب ليس سوى الخطوة الأولى. "السؤال التالي هو ، هل لدينا بالفعل موقف حيث يهيمن تراكم الحصى على العملية؟ في نظامنا الشمسي ، أو في نظام كوكبي آخر؟ "
يحتاج العلماء إلى أدلة أفضل قبل أن يعلن أي شخص أن تراكم الحصى هو العملية الرئيسية لتشكيل الكواكب في الكون. ولكن نظرًا للتنوع البري للكواكب القريبة والبعيدة على حد سواء ، فإنه يشك في أن العلماء سيجدون مجموعة من التفسيرات.
يقول:"الفيزياء لا تختلف من هنا إلى هناك ، لكن الكواكب والعمليات ستعتمد على الظروف التي تتشكل فيها".
يقول يوهانسون إن فهم هذه العمليات يعد بجائزتين رئيسيتين. أولاً ، يمكن للعلماء فهم كل خطوة في كيفية صنع عالم ، من الغبار إلى الكوكب. ثانيًا ، يمكن أن تساعد هذه الدراسات في توضيح مكان البحث عن الحياة خارج النظام الشمسي.
يقول:"إذا أردنا أن نفهم الكواكب الخارجية الصالحة للحياة ، فعلينا أن نفهم كوكبنا الصالح للحياة".
