چرا اورانوس به پهلو می‌چرخد؟ راز انحراف محوری شدید سیاره هفتم منظومه شمسی

NASA/CXO/University College London/W. Dunn et al; Optical: W.M.

Keck Observatory چرخش از پهلو احتمالاً بارزترین ویژگی اورانوس است؛ اما دقیقاً‌ چه عاملی موجب شده که این سیاره به یک سمت خود واژگون شود؟ میلیاردها سال پیش، رویدادی سهمگین در منظومه شمسی ما رخ داد که به شکل‌گیری یکی از عجیب‌ترین معماهای سیاره‌ای منجر شد: چه عاملی باعث شد سیاره اورانوس به پهلو بچرخد؟

درحالی‌که محور چرخش بیشتر سیاره‌ها تقریباً عمود بر صفحه مداری آن‌هاست، اورانوس انحراف محوری بسیار شدیدی دارد؛ به‌طوری‌که چرخش آن بیشتر به غلتیدن شباهت دارد. علت دقیق انحراف محوری غیرمعمول اورانوس از مدت‌ها پیش اخترشناسان را سردرگم کرده است.

آن‌ها هنوز درباره‌ی عواملی که وضعیت کنونی این سیاره را شکل دادند، بحث می‌کنند و به پاسخ قطعی نرسیده‌اند. بااین‌حال، پژوهشی جدید نشان می‌دهد که برهم‌کنش میان اورانوس و قمری فرضی که مدت‌ها پیش از دست رفته است، شاید کلید حل این معمای سیاره‌ای باشد.

غول یخی نامتعارف اورانوس در مقایسه با سیاره‌های همسایه‌اش، جرمی کاملاً استثنایی است. این غول یخی نه‌تنها سردترین سیاره منظومه شمسی است، بلکه دست‌کم ۲۷ قمر دارد که همگی انحراف محوری غیرمعمول آن را به ارث برده‌اند.

افزون‌براین، شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد ممکن است قمرهای دیگری نیز در اطراف اورانس وجود داشته باشند که هنوز شناسایی نشده‌اند. قدیمی‌ترین مشاهدات ثبت‌شده از اورانوس به اواخر قرن هفدهم میلادی بازمی‌گردد؛ زمانی که تصور می‌شد این جرم آسمانی یک ستاره است.

در سال ۱۷۸۱، ویلیام هرشل، اخترشناس بریتانیایی، براساس مشاهدات اولیه با تلسکوپی که خودش ساخته بود، به این نتیجه رسید که اورانوس به‌احتمال زیاد دنباله‌دار است. اما رصدهای پیوسته در نهایت تأیید کرد که جرم مرموز نه ستاره و نه دنباله‌دار، بلکه هفتمین سیاره‌ی منظومه شمسی است.

هرشل در جریان مشاهدات اولیه‌اش متوجه مسیرهای عجیب حرکت قمرهای اورانوس شد؛ موضوعی که از نخستین نشانه‌های جهت‌گیری نامتعارف این سیاره بود. بااین‌حال، نخستین تلاش‌های جدی برای اندازه‌گیری چرخش این غول یخی تا اوایل قرن بیستم انجام نشد و تأیید نهایی وضعیت چرخشی غیرمعمول و متمایل آن نیز به دنبال همین بررسی‌ها صورت گرفت.

درحالی‌که محور چرخش زمین حدود ۲۳٫۵ درجه انحراف دارد، این زاویه در اورانوس به عدد چشمگیر تقریباً ۹۸ درجه می‌رسد و پیامدهای غیرمنتظره‌ای به دنبال دارد. برای مثال، طبق اعلام ناسا، اورانوس برای تکمیل یک دور گردش به دور خورشید به حدود ۸۴ سال زمینی نیاز دارد؛ بنابراین، هر قطب این سیاره نزدیک به یک‌چهارم سال اورانوسی را در معرض تابش مستقیم خورشید می‌گذراند، درحالی‌که قطب مقابل زمستانی ۲۱ ساله را تجربه می‌کند و در سرمای طولانی‌مدت فرو می‌رود.

تغییرات فصلی اورانوس از جنبه‌ای دیگر نیز با زمین تفاوت دارد: هنگام اعتدالین، نور خورشید تقریباً به‌طور مستقیم به ناحیه استوایی این سیاره می‌تابد. چرخش نامتعارف اورانوس هرچند پیامدهای فصلی چرخش نامتعارف اورانوس به‌خوبی شناخته شده‌اند، علت اصلی قرارگرفتن اورانوس در چنین وضعیتی همچنان موضوع بحث میان اخترشناسان است.

یکی از توضیح‌های رایج این است که اورانوس در مراحل ابتدایی و پرآشوب تاریخ منظومه شمسی با جرمی بزرگ در ابعاد سیاره برخورد کرده است. در مقابل، نظریه‌های دیگر می‌گویند لزوماً نیازی به یک برخورد منفرد نبوده و برهم‌کنش‌های گرانشی باستانی میان سیاره‌های غول‌پیکر ممکن است به‌تدریج جهت‌گیری اورانوس را تغییر داده باشند.

در سال ۲۰۲۲، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی ملاین ساین‌فست، اخترشناس رصدخانه پاریس، بار دیگر این فرضیه را بررسی کردند که اورانوس در گذشته‌های دور، تحت تأثیر وجود جرمی بزرگ، به‌تدریج کج شده باشد. بااین‌حال، ساین‌فست و همکارانش براساس شبیه‌سازی‌های خود پیشنهاد کردند که به‌جای جرمی در ابعاد سیاره، قمری باستانی و به‌اندازه کافی بزرگ می‌توانسته از طریق برهم‌کنش‌های گرانشی، انحراف محوری اورانوس را افزایش دهد و سرانجام با خود سیاره برخورد کند.

ساین‌فست درباره‌ی فرضیه خود می‌گوید: «مهاجرت یک قمر، بسامد حرکت تقدیمی محور چرخش سیاره را تغییر می‌دهد. با افزایش یا کاهش این بسامد، در مقطعی مقدار آن با بسامد حرکت تقدیمی صفحه مداری سیاره یا یکی از مضرب‌های آن برابر می‌شود.

این وضعیت نوعی تشدید میان دو بسامد ایجاد می‌کند.» ساین‌فست افزود: «وقتی این دو بسامد در چنین تشدیدی قفل شوند، برابر باقی می‌مانند و هرچه قمر بیشتر از سیاره دور شود، انحراف محوری سیاره نیز افزایش می‌یابد.» به گفته ساین‌فست، وجود یک قمر فرضی و مهاجرت تدریجی آن به مدارهای دورتر می‌توانسته انحراف محوری اورانوس را به حدود ۹۰ درجه برساند؛ اما عبور از این زاویه به مرحله‌ای دیگر نیاز داشته است. پژوهشگران در مطالعه‌ی سال ۲۰۲۲ خود پیشنهاد کردند که نزدیک‌شدن انحراف محوری اورانوس به ۹۰ درجه، مدار قمر را ناپایدار می‌کرد.

حرکت حاصل از این ناپایداری به‌اندازه‌ای آشفته می‌شد که انحراف محوری سیاره را بیش‌ازپیش افزایش می‌داد و آن را به زاویه حدود ۹۸ درجه امروزی می‌رساند. ساین‌فست گفت: «در این مرحله ناپایدار، انحراف محوری سیاره به‌شکلی آشفته تغییر می‌کند و می‌تواند از ۹۰ درجه فراتر برود و به وضعیت مشاهده‌شده‌ی کنونی اورانوس برسد.» سناریوی پیچیده‌ای که پژوهشگران ترسیم می‌کنند، در پرده آخر با برخورد قمر فرضی به اورانوس به پایان می‌رسد؛ اما ساین‌فست باور دارد که این رویداد فاجعه‌بار احتمالاً نقش چشمگیری در فرایند کج‌شدن سیاره نداشته است.

ساین‌فست گفت: «آن قمر چنان کوچک است که خودِ برخورد به‌تنهایی نمی‌تواند محور چرخش اورانوس را به‌شکل محسوسی تغییر دهد.» بااین‌حال، وی تأکید می‌کند که برای درست‌بودن سناریوی گروه پژوهشی، قمر گمشده باید در نهایت با سیاره برخورد کرده باشد. ساین‌فست افزود: «دلیل این موضوع آن است که امروزه هیچ‌یک از قمرهای اورانوس جرمی در محدوده موردنیاز برای عملکرد این سازوکار ندارند.» به گفته او، قمرهای کنونی این سیاره بیش‌ازحد کوچک‌اند و نمی‌توانند اثراتی را توضیح دهند که او و همکارانش در شبیه‌سازی‌های خود بررسی کرده‌اند.

معما همچنان پابرجاست در نهایت، گروه پژوهشی دریافت که در شبیه‌سازی‌هایی که قمر ناپایدار به‌مرور بر اورانوس نیرو وارد و سرانجام با آن برخورد می‌کند، انحراف محوری سیاره به حدود ۹۸ درجه می‌رسد؛ یعنی دقیقاً همان زاویه‌ای که درحال حاضر مشاهده می‌شود. ساین‌فست این نتیجه را «بسیار جالب‌توجه» توصیف می‌کند.

ساین‌فست افزود: «برای اینکه انحراف محوری اورانوس از ۹۰ درجه فراتر برود، قمر فرضی این سیاره باید مسافت بسیار زیادی را در جریان مهاجرت مداری خود پیموده باشد؛ بدین معنی که فرایندهای درونی اورانوس باید قادر باشند مقدار زیادی انرژی را به شکل گرما تلف کنند.» ساین‌فست و همکارانش دو راه اصلی برای آزمودن فرضیه قمر باستانی پیشنهاد می‌کنند. نخست اینکه اگر مشاهدات قمرهای اورانوس نشان دهند که آن‌ها هر سال چند سانتی‌متر از سیاره دور می‌شوند، این یافته می‌تواند شواهدی از اتلاف انرژی درون اورانوس فراهم کند.

چنین فرایندی بدین معناست که یک قمر باستانی نیز ممکن است آن‌قدر از سیاره دور شده باشد که در کج‌شدن آن نقش داشته باشد. مهاجرت سریع قمرها همچنین می‌تواند نشان دهد که قمرهای امروزی اورانوس درواقع بقایای ناشی از فروپاشی پیشین سامانه قمری این سیاره هستند.

ساین‌فست می‌گوید: «این موضوع از این ایده پشتیبانی می‌کند که آن‌ها ممکن است نسل دومی از قمرها باشند که احتمالاً از بقایای قمر قبلی شکل گرفته‌اند.» به گفته او، این قمرها پس از شکل‌گیری به‌تدریج از اورانوس دور شده‌اند و به موقعیت‌های کنونی خود رسیده‌اند. دومین راه برای بررسی این فرضیه، تعیین سن قمرهای فعلی اورانوس است.

برآوردهای کنونی نشان می‌دهند که این قمرها ممکن است تقریباً به‌اندازه خود منظومه شمسی قدمت داشته باشند؛ هرچند این تخمین‌ها هنوز قطعی نیستند. اگر مشخص شود که قمرهای امروزی اورانوس جوان‌ترند، چنین یافته‌ای می‌تواند از این فرضیه حمایت کند که آن‌ها بقایای برخوردی باستانی با قمری بزرگ‌تر هستند.

برای تأیید نقش احتمالی این برخورد فرضی، به مشاهدات بیشتری نیاز است؛ اما ساین‌فست و همکارانش به یافته‌هایی که داده‌های آینده ممکن است آشکار کنند، امیدوارند. او می‌گوید: «اگر در آینده برآورد سن قمرهای اورانوس به‌گونه‌ای اصلاح شود که نشان دهد قمرهای کنونی این سیاره به‌طور قابل‌توجهی جوان‌تر از منظومه شمسی هستند، این موضوع سرنخی دیگر خواهد بود.»