سیارۀ مریخ چگونه شکل گرفت؟

بیگ بنگ: سیاره مریخ به همراه دیگر سیارات منظومه شمسی حدود ۴٫۶ میلیارد سال پیش شکل گرفت. اما اینکه این سیارت دقیقا چگونه به وجود آمدند هنوز هم محل بحث بسیاری از محافل علمی دنیاست. در حال حاضر دو نظریه در این رابطه وجود دارد.

تصویری هنری از سحابی منظومه شمسی ما که سیارات از آن شکل گرفتند.

به گزارش بیگ بنگ، اولین نظریه که به طور گسترده مورد پذیرش قرار گرفته است، نظریه برافزایش هسته است که تشکیل سیارات خاکی مانند مریخ و زمین را به خوبی توضیح می دهد، اما در توضیح چگونگی شکل گیری سیارات غول پیکر منظومه شمسی به مشکل بر میخورد. نظریه دوم، که بی ثباتی دیسکی نام دارد، احتمالا فرایند تشکیل این سیارات غول پیکر را بهتر توضیح می دهد. دانشمندان در حال بررسی سیارات درون و بیرون منظومه شمسی برای درک بهتر آنها هستند تا بتوانند تشخیص دهند که کدام یک از این دو نظریه دقیق تر است.

مدل برافزایش هسته

نظریه ای که در حال حاضر در محافل علمی به طور گسترده ای مورد پذیرش قرار گرفته است با عنوان برافزایش هسته شناخته می شود، این نظریه بیان می دارد که منظومه شمسی از ابرگسترده ای از گاز و گرد غبار شکل گرفت، که به آن سحابی خورشیدی گفته می شود. این سحابی تحت تاثیر نیروی گرانش در خود فرو رفته و به شکل یک دیسک حلقوی چرخان درآمد. مواد به سمت مرکز دیسک جمع شده و خورشید را به وجود آوردند.

ذرات باقی مانده ی ماده به یکدیگر چسبیده و توده هایی را به وجود آوردند که خرده سیاره نامیده می شود. برخی از این ترکیبات به شکل سیارک ها درآمدند، بخشی دیگر به دنباله دارها، اقمار و بعضی از آنها به سیارات تبدیل شدند. طوفان های خورشیدی (جریانی از ذرات یونیزه شده که از خورشید به فضا ساتع می شود) عناصر سبک تر مانند هیدروژن و هلیم را به بیرون می راند و به این ترتیب در نزدیکی خورشید سیارات کوچک صخره ای شکل گرفتند. و در مناطق بیرونی که جریان طوفان های خورشیدی ضعیف تر بود، هلیم و هیدروژن فراوان تر بود و به این ترتیب در آنجا سیاراتی غول پیکر و گازی شکل به وجود آمدند.

مشاهداتی که تاکنون بر روی سیارات فرا خورشیدی انجام شده، اغلب فرایندهای تشکیل سیارات از نظریه ی برافزایش هسته را تایید کرده است. ستاره هایی که در هسته خود فلزات بیشتری دارند سیارات غول پیکر بیشتری هم دارند. بر اساس نظر محققان ناسا، نظریه برافزایش مرکزی اشاره می کند که سیارات کوچک صخره ای شایع تر از غول های گازی هستند.

برداشتی هنری از شکل گیری سیارات در دیسک ستاره ای

در سال ۲۰۰۵ سیاره ی غول گازی کشف شد که به دور ستاره HD 149026 می گردد. این سیاره فراخورشیدی مثال خوبی برای تقویت نظریه برافزایش هسته بود. “گِرگ هنری” ستاره شناس دانشگاه ایالتی تنسی در این باره بیان داشت: «این کشف به نوعی نظریه برافزایش هسته را درباره تشکیل سیارات مورد تایید قرار داد و همچنین شواهدی وجود دارد که نشان می دهد این نوع سیارات به وفور یافت می شوند.» در سال ۲۰۱۷ آژانس فضایی اروپا قصد دارد ماهواره سیاره یاب چئوپس(CHEOPS) را راه اندازی کند که مشخصا بر روی سیارات فرا خورشیدی به مطالعه خواهد پرداخت. وقتی که این تحقیق آغاز شود احتمالا کمک زیادی به کشف راز تشکیل سیارات منظومه شمسی خواهد کرد.

تیم تحقیقاتی چئوپس اظهار داشتند: «در سناریوی برافزایش هسته، یک سیاره برای اینکه بتواند حجم زیادی از گازهای فرّار را به دور خود جمع کند باید ابتدا هسته اش به جرم قابل توجهی برسد. میزان این جرم خاص به متغیرهای فیزیکی بستگی دارد، که مهمترین آنها نرخ خرده سیاره های برافزایشی پیرامونش است.» با بررسی چگونگی اتصال مواد به سیارات، محققان ما را به این درک می رسانند که سیارات چگونه متولد شده و رشد می کنند. نظریه ی برافزایش هسته، اولین بار در قرن هجدهم میلادی توسط امانوئل کانت و پیر لاپلاس پیشنهاد شد. نظریه سحابی به توضیح چگونگی تشکیل سیارات در منظومه شمسی کمک کرد، اما با کشف سیارتی موسوم به «ابرزمین» در مدار ستاره های دیگر، نظریه ای جدید به نام «بی ثباتی دیسک» سر برآورد.

مدل بی ثباتی دیسک

اگرچه مدل برافزایش هسته تشکیل سیارات خاکی را به خوبی توضیح می دهد، اما در مورد سیارات غول پیکر گازی مشکلی وجود دارد، و آن هم این است که آنها برای نگه داشتن حجم قابل توجهی از گاز های سبک اطراف خود نیاز دارند که با سرعت بسیار زیادی به تکامل برسند، که شبیه سازی های انجام گرفته چنین سرعتی را تایید نکرده است. بر اساس این مدل های شبیه سازی شده، فرایند تشکیل این سیارات میلیون ها سال بیشتر از آنکه گازهای سبک در منظومه شمسی باقی بمانند طول کشیده است. در همان زمان مدل برافزایش هسته با یک مشکل اساسی مواجه شد، اینکه احتمالا سیارات اولیه در مدت کوتاهی مارپیچی به سمت خورشید بوده اند.

بر اساس نظریه ی نسبتا جدید بی ثباتی دیسک، در سالهای آغازین تولد منظومه شمسی، در محل فعلی سیارات غول پیکر، توده های دیسکی شکل از گاز و گرد و غبار وجود داشت این دیسک ها به تدریج سرد شده سرد شده و سیارات عظیم این منظومه را به وجود آوردند. اما نکته ای که تفاوت این دو نظریه را پررنگ تر می کند سرعت تشکیل سیارات است، در مدل برافزایش هسته، ابتدا باید هسته سیاره تشکیل شود و سپس گاز و گرد غبار به دور آن جمع شود، در حالی که در مدل بی ثباتی دیسک، دیسک توصیف شده در مدت زمانی کمتر از هزار سال می تواند به سیاره غول پیکر گازی تبدیل گردد. با توجه به اینکه گاز های سبک معلق در فضا بر اثر طوفان های خورشیدی به سرعت به بیرون از محدوده منظومه شمسی رانده می شدند این زمان کوتاه برای تشکیل این سیارات ضروری به نظر می رسد.

بر اساس نظر سیاره شناس “پائول ویلسون”، با نظریه بی ثباتی دیسکی وجود تعداد زیادی از سیارات بزرگ توجیه می شود. اینکه چهار عدد سیاره در مدارهایی در فواصل نسبتا دور از ستاره HD 9799 می گردند گواهی مبنی بر درست بودن نظریه بی ثباتی دیسک است. سیاره ی فم الحوتِ بی، نیز که هر ۲۰۰۰ سال به دور ستاره اش می گردد می تواند نمونه ی دیگری برای شکل گیری سیارات بر اساس نظریه بی ثباتی دیسک باشد. هر چند این امکان هم وجود دارد که این سیاره بر اثر تاثیر گرانش همسایگانش به بیرون رانده شده باشد.

برافزایش سنگریزه

مهمترین چالش برای نظریه برافزایش هسته، این است که غول های گازی عظیم باید آنقدر سریع شکل گرفته باشند که بتوانند اجزای بسیار سبکی که هنوز از منظومه شمسی خارج نشده بودند را حول خود جمع آوری کنند. تحقیقات اخیر نشان داده است که اشیاء ریزی در حد سنگریزه ها می توانند هزاران بار سریع تر از آنچه قبلا تصور می شد یک سیاره غول پیکر را به وجود بیاورند.

برخورد خشن سنگریزه ای برای شکل گیری سیاره ی مریخ

“هارولد لویژن” ستاره شناس و نویسنده این تحقیق گفت: «این اولین مدلی است که ما رابه این نتیجه رساند سحابی خورشیدی با یک ساختار ساده شروع شده و بعدا به منظومه ای با سیارت غول پیکر تبدیل شده است. در سال ۲۰۱۲ “میشل لامبرشت” و “آندرس جوهانسون” محققان دانشگاه لوند سوئد، برای اولین بار به متصل شدن سنگریزه های کوچک به عنوان کلید حل معمای ساخت سریع سیارات غول پیکر اشاره کردند. لویژن افزود: «آنها نشان دادند که وجود سنگریزه ها در فرایند تشکیل که سابقا بی اهمیت جلوه می نمودند، در واقع راه حل بزرگی برای مشکل شکل گیری سیارات هستند.»

لویژن و همکارانش تحقیقات دیگری را پایه ریزی کردند که به شکل دقیق تری نشان می دهد چگونه سنگریزه های کوچک باعث شکل گیری سیاراتی که امروز در کهکشان می بینیم شده اند. در شبیه سازی های قبلی اشیاء با اندازه های بزرگ و متوسط به یک میزان در نظر گرفته شده بودند، اما در شبیه سازی لویژن اشیاء بزرگتر مانند یک قلدر عمل کرده و اشیاء کوچکتر را به سرعت بهدور خود جمع کرده و تشکیل یک توده بزرگ را می دهند. “کاترین کرتک”، دستیار لویژن در این تحقیقات نیز اضافه کرد: «سنگریزه های بزرگتر با قلدری آنهایی که کوچکتر هستند را در خود می بلعند و آنقدر سریع رشد می کنند تا تبدیل به هسته یک سیاره غول پیکر می شوند.»

گرمایش و سرمایش

مریخ هم مانند بقیه سیارات در اثر انرژِی برخورد و اصطکاک میان ذرات تشکیل دهنده اش گرم شد. درون سیاره در اثر این گرما ذوب شده و عناصر چگال تر مانند آهن به مرکز سیاره فرو رفتند و هسته آن را تشکیل دادند. سیلیکات هم که سبک تر بود پوسته ی آن را شکل داد. مریخ احتمالا برای میلیون ها سال میدان مغناطیسی داشته است، اما پس از سرد شدن هسته سیاره این میدان مغناطیسی از بین رفت. مریخ در دوران جوانی آتشفشان های فعالی داشته است که آب و دی اکسید کربن از آنها به بیرون فوران میشده است. اما از آنجا که هیچ فعالیت تکنونیکی بر روی آن انجام نمیشده است، آتشفشان ثابت باقی می مانده تا فوران جدیدی رخ بدهد.

عکسی از سیاره ی مریخ در حال حاضر

این فعالیت های آتشفشانی احتمالا جو ضخیمی در سطح مریخ به وجود آورده بودند. میدان مغناطیسی مریخ سطح سیاره را از طوفان های خورشیدی محافظت می کرد. مطالعات نشان می دهد که احتمالا در گذشته بر روی سطح مریخ با توجه به وجود فشار بالای اتمسفر آن، آب مایع جریان داشته است. اما در حدود ۳٫۵ میلیارد سال پیش مریخ شروع به سرد شدن کرد. فوران آتشفشان ها کمتر شد و میدان مغناطیسی ناپدید شد و به این ترتیب طوفان های خورشید با تشعشات خورد سطح مریخ را بمباران کرد. بر روی سطح مریخ تحت چنین شرایطی آب نمی تواند مایع بماند مطالعات نشان داده اند مقادیری از آب باقی مانده از آن دوران به صورت آب های زیرزمینی و همچنین به صورت ورقه های یخ در قطب های مریخ هنوز وجود دارد. تمام موجودات زنده ای که ما می شناسیم به آب وابسته هستند، بنابراین ما علاقه زیادی به یافتن شواهدی از آب در مریخ داریم.