آیا حلقه­‌های زحل هم سن دایناسور­ها هستند؟

بحث بر سر سن حلقه‌های زحل بسیار شدید است. حل این معما بهترین سرنخ برای رسیدن به ریشه‌ی عجیب و غریب این حلقه‌ها است. اینکه این حلقه‌ها در منظومه شمسی ما چگونه و با چه هدفی ایجاد شده‌اند؟ سوالی است که ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است البته زحل یکی از سیارات عجیب منظومه‌شمسی است زیرا کارشناسان ناسا اخیراً تخمین زده‌اند که سالانه بیش از ۱۰۰۰ تن الماس در اتمسفر سیارات گازی مانند زحل می‌بارد. این در حالی است که  الماس در زمین در عمق ۱۶۰ کیلومتری شکل می‌گیرد و فقط مقدار کمی از آن توسط مواد مذاب آتشفشانی به سطح زمین می‌رسد. دانشمندان همچنین به دنبال بررسی امکان حیات در ششمین قمر زحل نیز هستند. اگر می‌خواهید از این سیاره شگفت انگیز بیشتر بدانید با ما همراه باشید.

پایان کار کاسینی

سفینه فضایی کاسینی در ۱۵ سپتامبر سال ۲۰۱۷ در آتشی درخشان و با شکوه نابود شد، زمانی که سفر مطالعاتی ۱۳ ساله‌اش به زحل را در یک عمل انتحاری با ورود به جو چرخان عظیم گازی پایان داد. برخورد بعد از آخرین ماه‌های مطالعاتی‌اش رخ داد، زمانی که کاسینی آخرین گردش احساسی‌، با رقص مرگبارش را با شیرجه به فضای بین سیاره و حلقه‌هایش بعد از ۲۲ مرتبه انجام داد.

قبلا اینگونه تصور میشد که عمر حلقه‌های زحل به اندازه عمر منظومه شمسی است یعنی در حدود ۴.۵ میلیارد سال. اما مکاشفات و سرنخ‌های کیهانی از حلقه‌های زحل که از سفر کاسینی به دست آمد دانشمندان را وادار به تامل دوباره کرد. در مقاله‌ای که تابستان امسال در یک ژورنال علمی منتشر شد، گفته شد که عمر حلقه‌های زحل به اندازه عمر منظومه شمسی نیست. آن‌ها عمر این حلقه‌ها را بیشتر از ۱۰۰ میلیون سال تخمین نزدند، یعنی زمانی که دایناسورها در حال پرسه زدن روی زمین بودند.

ارتباط حلقه‌های زحل با دوران دایناسورها مانند یک بمب خبری در جهان صدا کرد و باعث شد که یافته‌های جدید به خوبی در دیدگان عموم جا بیفتد. اگر عبارت “سن حلقه‌های زحل” را در گوگل جست‌وجو کنید، گوگل به شما عدد ۱۰۰.۱ را پاسخ خواهد داد.

حلقه‌ها جوان هستند؟

آئورلین کریدا، دانشمند سیاره‌شناس در رصد خانه کوته د آذور، نسبت به این اظهارها بی اعتقاد بود. او گفته: «من با روش تعیین سن حلقه‌ها مخالف بودم، اینکه حلقه‌ها جوان هستند و تمام».

او و دیگر مخالفان اشاره کرده‌اند که مسائل بالقوه زیادی در مورد این بحث وجود دارد، از فیزیک آلودگی حلقه‌ها گرفته تا ریشه شکل‌گیری آن‌ها. ریوکی هیودو، دانشمند سیاره شناس در آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن بیان داشته: «حلقه‌ها جوان به نظر می‌رسند ولی این دلیل نمی‌شود که واقعا جوان باشند. برخی فرایندها وجود دارند که ما هنوز آن‌ها را در نظر نگرفته‌ایم».

در پاسخ به فرضیه‌ها، کریدا با همکاری، تفسیری درباره نجوم طبیعت در ماه سپتامبر منتشر کرد و ابهاماتی در مورد عدم‌قطعیت ارائه کرد. در این نوشته اظهار داشت که ارتباط سن حلقه‌ها با دوره‌ی دایناسورها یک ادعای چشم‌نواز است، اما از یک حقیقت تلخ چشم‌پوشی می‌کند: تعداد زیادی عدم‌قطعیت وجود دارد که اجازه تخمین درستی درباره عمرحلقه‌ها را نمی‌دهد. برخلاف موفقیت کاسینی، لوک دونز، دانشمند سیاره‌شناس در کانون تحقیقات جنوب غرب در کولورادو می‌گوید: «در واقع ما خیلی از جایگاهی که ۴۰ سال پیش قرار داشتیم فاصله نداریم»، مربوط به زمان یافته‌های وویجر از اولین بررسی‌ها در مورد زحل.

عمر حلقه‌ها تعیین کننده حیات روی قمر زحل

اما مدافعان جوان بودن حلقه‌ها استدلال‌های خودشان را دارند. بورخارد میلیتزر ، دانشمند سیاره‌شناس در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و نویسنده مقاله دانش، بیان می‌دارد، «هر نظر هیجان انگیز جدیدی چالش‌ بر انگیز است. این راه طبیعی برای پیشرفت است».

انسلادوس جهانی یخی است که اقیانوس زیرزمینی از آب شور را پنهان می‌کند.

بحث فراتر از پرسش در مورد عمر حلقه‌ها است. عمر حلقه‌های زحل چگونگی بررسی بسیاری از قمر‌های زحل، شامل قابلیت امکان حیات روی انسلادوس (ششمین قمر بزرگ زحل) با اقیانوس‌های یخ زده‌اش را تحت تاثیر قرار می‌دهد. و همچنین این ما را به پاسخ جامع به سوال در مورد حلقه‌های زحل، سوالی که ذهن انسان را به خود مشغول کرده از زمانی که گالیله برای اولین بار ۴۰۰ سال پیش با حیرت در مورد آن‌ها بیان داشت، نزدیک‌تر می‌کند: در وهله اول آن‌ها از کجا آمده‌اند؟

عمر بر اساس یک مقیاس

ما عمر زمین را می‌دانیم چرا که می‌توانیم با استفاده از مواد رادیواکتیو میزان پوسیدگی و به طبع عمر آن‌ها را تشخیص بدهیم. زمین‌شناسان سیاره‌ای با استفاده از همین روش عمر سنگ‌های ماه و مریخ را براورد کرده‌اند.

متیو هدمن، دانشمند سیاره شناس در دانشگاه ایداهو بیان می‌دارد که حلقه‌های زحل، عمدتا از قطعات یخی با مقدار کمی از ماده سنگی تشکیل شده‌اند و با این تجزیه و تحلیل‌ها نمی‌توان تخمین درستی از عمر آن‌ها زد. این بدین معنی است که تخمین عمر باید بر اساس شواهد محتمل باشد.

آن شواهد از گرد و خاک به دست می‌آید. حلقه‌های یخی را مانند یک زمین برفی در نظر بگیرید: بعد از پیدایش آن‌ها، دوده‌ها از دوردست‌ها روی آن‌ها می-نشینند. برای تخمین عمر برف، دانشمندان باید نرخ نشست دوده را نسبت به کل دوده موجود در آنجا اندازه بگیرند.

کاسینی اولین بخش را با آنالیزگر گرد کیهانی انجام داد، که بدان وسیله دریافت که حلقه‌های زحل با یک ماده مشکی‌تر آلوده شده است که مخلوطی از گرد سنگی و ترکیبات ارگانیکی است. بیشتر این مواد از طریق میکرومتروئیدها از کمربند کوپر، یک منبع دور از اشیای یخی اطراف مدار نپتون، آمده‌اند. سفینه فضایی همچنین دریافت که مواد دوده‌ای در حال حاضر حدود یک درصد از حلقه‌های یخی زحل را تشکیل می‌دهند.

محاسبه وزن حلقه‌ها

برای تعیین مقدار کامل دوده‌ی کیهانی در حلقه‌ها، محققان باید وزن خود حلقه‌ها را تعیین می‌کردند. خوشبختانه، گردش آخر کاسینی این امکان را فراهم نمود. زمانی که این سفینه وارد حلقه‌ها شد، به طور دقیق کشش گرانشی خالص را در هر نقطه اندازه گیری کرد. با توجه به اینکه جاذبه زمینه‌ها به جرم اشیاء وابسته هستند، این ویژگی به دانشمندان اجازه داد تا به طور مستقیم وزن کل سیستم حلقه را محاسبه کنند.

با دانستن این داده‌ها، یعنی مقدار دوده و نرخ نشست آن‌ها، دانشمندان تخمین زدند که بین ۱۰ تا ۱۰۰ میلیون سال از تشکیل این لایه کثیف بر روی زمینه برفی می‌گذرد. یافته‌ها به خوبی دریافت شدند. لوسیانولس، متخصص مهندسی هوافضا در دانشگاه ساپینزای رم و نویسنده ارشد مجله ساینس (علم)، می‌گوید: «بیشتر انجمن‌ها امروز متقاعد شده‌اند که چیزی از تشکیل حلقه‌ها نمی‌گذرد».

آلودگی حلقه‌ها

اما هنوز بحث بر سر آلودگی تکمیل نشده است. دانس یا دونس به این نکته اشاره دارد که آنالیز تیم کاسینی در مورد نرخ آلودگی به طور دقیق مشخص نشده است. مقادیر متفاوتی در کنفرانس‌های مختلف بیان شده‌اند و یک مقدار نهایی هنور اعلام نشده است. در مقاله‌ی ساینس، محققان یکی از این مقادر را انتخاب کردند و به یک عدد برای عمر حلقه‌ی جوان دست یافتند. اما پاول استرادا، دانشمند سیاره شناس مرکز تحقیقات امس ناسا و یکی از اعضای تیم آنالیز آلودگی کاسینی، بیان می‌دارد که این سردرگمی در محاسبه باعث شگفتی بسیاری است.

نرخ آلودگی ممکن است به طور نسبی تغییر کرده باشد. کریدا می‌گوید: «این می‌تواند به دلیل نرخ غیرعادی بالای بمباران کنونی باشد». حتی اگر نتوانیم بگوییم چه چیزی باعث ایجاد چنین نشانه‌ای می‌شود. از لحاظ تئوری، تریسی بکر دانشمند سیاره شناس در کانون تحقیقات جنوب غرب در سن آنتونیوی تگزاس می‌گوید: «ماموریت آتی به زحل، کندن یک قطعه سنگ از یک قمر قدیمی است که می‌تواند میزان فشار آلودگی را در طول زمان در خود نگه دارد». اما انجام چنین ماموریتی ممکن است دهه‌ها به طول بیانجامد.

در پس سیاهی حلقه‌های زحل

ما همچنین نمی‌دانیم از لحاظ علم فیزیک در پس سیاهی حلقه‌ چه می‌گذرد. میکرومتروئیدها از کمربند کوپر به تکه‌های یخی حلقه‌ها با سرعت زیاد وارد شده که اثرات آن شبیه انفجار‌های کوچک است، که این نشان‌دهنده‌ی این است که بسیاری از میکرومتروئیدها چسبندگی ندارند. این قضیه باعث شد تا به یک فاکتور پنهانی به صورتی تئوری دست یابیم که با استفاده از آن تخمین زده می-شود که ۱۰ درصد از مواد میکرومتروئیدی به یخ می‌چسبند و آن را آلوده ‌می‌کنند.

دونس می‌گوید که آزمایش شتاب‌دهنده‌ی ذرات در دانشگاه کولورادو بولدر، احتمالا قادر خواهد بود اثر این فرایند را شبیه سازی کند و به ما ایده‌ی بهتری در مورد توان ماندگاری آلاینده‌ها ارائه دهد. اما در حال حاضر ما در وضعیت روشنی قرار نداریم.

کریدا نیز بیان می‌دارد که یک عامل پاک‌کننده‌ی سیاره‌ای ناشناخته ممکن است که آلودگی را از بین برده و باعث شود که حلقه‌ها برخلاف واقعیت جوان به نظر برسند. ما از زمان وویج می‌دانستیم که مواد از حلقه‌ها به سطح زحل می‌بارند. اما نمی‌دانستیم که آن ماده از چه چیزی ساخته شده است. کاسینی میزان بارش را با استفاده از دو دستگاه مجزا اندازه گیری کرد. نتیجه‌ی به دست آمده از هر دو دستگاه به طرز اعجاب آوری نشان‌دهنده‌ی اندکی یخ به میزان ۲۴ درصد بود. جیمز اودونوغ، دانشمند سیاره شناس در آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن، بیان داشته: «این بسیار گیج کننده است. چرا که بیشتر از ۹۵ درصد از حلقه‌ها از آب تشکیل شده است». ریزش، طبق انتظارات از میزان کثیفی می‌کاهد اما هیچ کس نمی‌داند چرا.

کریدا می‌گوید: «عاملی باعث تمیز شدن حلقه‌ها می‌شود. ما نمی‌دانیم که آن چیست، ولی این یک حقیقت مشاهده شده است و یک فرض و گمان نیست».

فرضیه کاهش آلودگی

کریدا حدس می‌زند که یخ‌های کنده شده به وسیله میکرومتروئیدها تمایل به دوباره چسبیدن به حلقه دارند، در حالی که آلودگی‌های کنده شده خیر. بکر حدس می‌زند که آلودگی طبق انتظار در اثر برخورد کنده می‌شوند، برخلاف تکه‌های یخ که تمایل به دوباره چسبیدن دارند. هیودو این سوال را مطرح می‌کند که آیا آتشفشانان قطب جنوب انکلادوس با افزودن آب، از غلظت آلودگی می‌کاهند. اما هیچ‌کس با اطمینان نمی‌داند.

هیچ کس اعتقادی به تمیز شدن زیادی ندارد. میلیتزر بیان ‌می‌دارد: «کثیف شدن آسان ولی تمیز کردن مشکل است».
از کجا می‌آیند.

چه می‌شود اگر بحث آلودگی که کریدا مطرح کرد درست باشد؟ چه می‌شود اگر حلقه‌ها همیشه تحت نشست دائمی آلودگی‌های کیهانی قرار داشته‌اند و عمر حلقه‌ها ۱۰۰ میلیون سال بیشتر نباشد؟ با این فرض، ما باید به دنبال توضیح چگونگی تشکیل یافتن حلقه‌ها باشیم که یک چشم‌انداز تامل بر انگیزانه است.

چگونگی شکل گیری حلقه‌های زحل

اول اینکه، ما هیچ ایده‌ای از چگونگی تشکیل حلقه‌ها نداشتیم، نسبت دادن یک داستان برای شکل‌گیری در یک زمان خاص مشکل است. این حلقه ها ممکن است بر اثر پاره شدن یک ستاره‌ی دنباله‌دار به وسیله جریان گرانشی زحل یا محصولی از برخورد یک ستاره دنباله‌دار و یک قمر یخی و یا نتیجه به هم خوردن مدار گردش چند قمر و برخورد آن‌ها با یکدیگر باشد.
میلیتزر می‌گوید در یک ماموریت مشابه-بازگشتی به حلقه‌های یخی زحل می‌توان باقی‌مانده‌های اجسامی که نابود و باعث ذوب حلقه‌ها شده‌اند را یافت. ولی چنین ماموریتی پیش‌بینی نشده است.

در لبه حلقه B زحل، سازه‌های عمودی به همان اندازه ۲.۵ کیلومتر بالاتر از صفحه حلقه‌ها بالا می‌روند و سایه‌های طولانی به خود می‌گیرند. ضخامت معمولی حلقه ها فقط در حدود ۱۰ متر است.

دوم اینکه، منظومه شمسی دو میلیارد سال پیش یا بیشتر مثل یک گوی آتشین بود، با مواد اولیه‌ی سیاره‌ای که دائما در حال برخورد با یکدیگر بودند. این روزها کریدا می‌گوید، با آرام گرفتن منظومه، احتمال برخورد فاجعه‌انگیزی که باعث تولید حلقه‌های زحل شود را بسیار کم‌تر می‌کند. او می‌گوید اگر چنین برخوردی باعث تشکیل حلقه‌های زحل شده بود شکل منظومه شمسی به حالت کنونی‌اش نبود: او اشاره دارد به این موضوع که در همسایگی سیاره ما اوضاع به شکل کنونی‌اش نبود و هنوز در حال سپری کردن روزهای اولیه‌ بعد از شکل‌گیری‌‌‌‌اش بود.

لیندا اسپیلکر، دانشمند پروژه کاسینی در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا اظهار می‌دارد که احتمال دارد سرنخ‌ها در قمرهای زحل قرار دارند چرا که توسعه‌ی آن‌ها با حلقه‌ها ارتباط دارد. اما یک سری عدم قطعیت‌‌هایی در رابطه با داستان شکل‌گیری آن‌ها وجود دارد که باعث سردرگمی شده است.

مدل ۲۰۱۶ چه می‌گوید؟

مدل ۲۰۱۶، که با استفاده از موقعیت کنونی قمرهای زحل در گذر زمان، بیان می‌دارد که سیستم فعلی حلقه‌ها و قمرهای داخلی به دلیل برخورد دو قمر متوسط با یکدیگر حدود ۱۰۰ میلیون سال پیش به وجود آمده است.

دونس می‌گوید، اما قابلیت چنین برخوردی برای تشکیل حلقه‌ها یک بحث مشاجره‌آمیز است؛ بر اساس مطالعه‌ای در سال ۲۰۱۷، این نتیجه گرفته شد که مواد کافی پس از برخورد برای تشکیل چنین حلقه‌هایی وجود نداشته است. کریدا نیز تشکیل حلقه‌ها پس از چنین برخوردی را یک معجزه می‌داند.

بکر می‌گوید: «سوال اینکه حلقه‌ها جوان یا پیر هستند، سرانجام روزی پاسخ داده خواهد شد. ولی اکنون، شواهد کافی برای نتیجه گیری نهایی وجود ندارد و جا برای بحث در مورد هر وجه بسیار است».

همان اندازه که گذشته نامعلوم است، آینده کاملا روشن به نظر می‌رسد. حلقه‌ها دائمی به نظر می‌رسند ولی خلاف آن نیز امکان وقوع خواهد داشت. مشاهدات تلسکوپ هاوایی ماونا کی در بالای کوه‌های آتشفشانی، ریزش سیل‌گونه از حلقه-ها را نشان داد. زمانی‌که دانشمندان این مشاهده‌ها را به مواد یافت شده توسط کاسینی افزودند، آن‌ها تخمین زدند که حلقه‌ها ۱۰۰ میلیون سال دیگر به طور کل از بین خواهند رفت.

کریدا: «به نظر می‌رسد که شمارش معکوس برای حلقه‌های زحل، به عنوان نمادی از نجوم و زیبایی کیهانی آغاز شده است». مشابه موارد دیگر، او همزیستی حلقه‌ها و انسان‌ها را یک خوش‌بختی می‌داند، چرا که یک فرصت فوق‌العاده برای انسان برای بحث در مورد رازهای آن است.