چرا اجرام آسمانی در اندازه‌های گوناگون وجود دارند؟

قطر خورشید تقریبأ 1.5 میلیون کیلومتر و قطر زمین 12745 کیلومتر است. از یک گوشه تا گوشۀ دیگر خورشید می‌توانید 109 زمین را کنار هم بگذارید. اگر خورشید یک توپ باشد، در آن صورت داخل آن بیش از یک میلیون زمین جا می‌گیرد. زمین از نظر اندازه در میان سیارات منظومه شمسی جایگاه پنجم را دارد و چندان بزرگ به نظر نمی‌رسد.

اما چرا و به چه دلیلی اجرام کیهانی در اندازه‌های مختلف یافت می‌شوند؟ چرا سیارات منظومۀ شمسی از نظر اندازه تا این حد با یکدیگر تفاوت دارند؟ این پرسش‌ها برای چندین دهه اخترشناسان را کلافه کرده بود. دانشمندان از قرن هجدۀ میلادی بدین سو می‌دانستند که جاذبه سبب می‌شود تا اجرام در فضا بزرگ و بزرگتر شوند؛ اما این رویداد جاذبه‌یی نمی‌تواند روند دیگری را که به نام «سلسله مراتب» یاد می‌شود، توضیح دهد. بر اساس پدیدۀ سلسله مراتب در کیهان، اجرام آسمانی به تدریج و پشت سر هم بزرگ و بزرگتر می‌باشند.

برای درک بهتر به گذشتۀ منظومۀ شمسی اشاره‌یی کوتاه می‌کنیم. حدود 5 میلیارد سال پیش، یک ابر عظیم از گاز و غبار کیهانی – عمدتأ گاز هایدروجن – در جایگاه فعلی منظومۀ شمسی قرار داشت که به دلیل انفجار یک ستارۀ نزدیک آشفته می‌شود و ذرات داخل آن در مسیرهای مختلف به حرکت می‌افتند. در نهایت بر اثر جاذبه، ذرات در مرکز این ابر به حدی روی هم انباشته می‌شوند که بزرگترین جرم در منظومه شمسی ـ خورشید ـ را می‌سازند و در فاصله‌های دورتر از خورشید، سیارات شکل می‌گیرند. مثلاً چهار سیارۀ سنگی – عطارد، زهره، زمین و مریخ نزدیکتر به خورشید و کوچکتر از دیگر سیارات هستند. اما مشتری، زحل، اورانوس و نپتون به عنوان بزرگترین سیارات منظومه، گازی شدند. این سیارات به نام سیارات بیرونی یاد می‌شوند. اخترشناسان در دهه‌های پیش بسیار تلاش کردند تا دلیل این تفاوت اندازه را بدانند. برای آن‌ها این پرسش وجود داشت که چه‌گونه ممکن است روند سلسله مراتب، به این گونه تفاوت‌ها در اندازۀ سیارات ختم شود؟

دانشمندان علوم سیاره‌یی، تحقیقات‌شان در این راستا را با محاسبۀ فشار و تنشی که در اثر کشش گرانشی میان اجرام هم‌اندازه به وجود می‌آید، آغاز کردند. درست شبیه شکل‌گیری یک گلولۀ برفی و یا تکامل شُش در وجود یک انسان که هر کدام بر اساس قانون ساختار تدریجی، بزرگ و بزرگتر می‌شوند، چنین قانونی بر شکل‌گیری اجرام آسمانی نیز حکم می‌راند.

در نتیجۀ آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های کمپیوتری مشخص شد که اگر یک جرم آسمانی با یک جرم هم‌اندازۀ خودش و یا با چند جرم کوچکتر درآمیزد، در آن صورت تنش ناشی از چنین برخوردی بسیار سریع فروکش می‌کند.

اما اگر به زبان ساده بیان شود، دلیل تفاوت در اندازه سیارات به دو چیز وابسته است: مواد تشکیل دهندۀ سیارات و فاصلۀ سیارات از ستارۀ مادر؛ یعنی مواد مختلف مانند سیلیکات، آهن، نیکل سیارات سنگی کوچک و متان، هیلیوم، ایتان و چندین گاز دیگر سیارات گازی بزرگ را شکل دادند. زمین یکی از سیارات سنگی است که بیشتر از سنگ سیلیکات، یک هسته آهنی با ترکیبی از نیکل و لایۀ بسیار نازک گاز ـ اتموسفیر ـ تشکیل شده است. در میان سیارات سنگی، ویژه‌گی زمین این است که در سطح خود آب نیز دارد و این پدیده سبب شده تا کرۀ ما به شکل یک «نقطه آبی» در منظومۀ شمسی دیده شود. پس سیاراتی که بسیار چگال و متراکم اند، در فاصلۀ نزدیکتر از خورشید قرار گرفتند.

اما آن‌سوتر از کمربند سیارک‌ها، محدوده‌یی آغاز می‌شود که در اخترشناسی به آن «خط برف» می‌گوییم. یعنی آهن و سنگ، سیارات درونی را در این سوی خط برف ساخته اند و هایدروجن و هیلیومی که در ساختن خورشید مصرف نشده بود با میتان و ایتان و چندین گاز ناپایدار دیگر، در آن سوی خط برف سیارات گازی را ساخته اند.

سیارات گازی در زمان شکل‌گیری حتا بر روند شکل‌گیری سیارات سنگی نیز تأثیر گذاشتند. مثلاً مشتری روند شکل گیری مریخ را مختل کرد و نگذاشت تا از حد و اندازۀ فعلی بزرگتر شود. زمین ما نیز اگر با یک سیاره به اندازۀ خودش در اوایل شکل گیری برخورد نمی‌کرد، این قدر بزرگ نبود و مانند مریخ بعد از یک یا یک‌ونیم میلیارد سال از زمان شکل گیری سرد می‌شد و هرگز شرایط حیات در سطح آن به وجود نمی‌آمد. زهره نیز به علت برخورد یک جرم آسمانی دیگر اندازه‌اش نسبت به عطارد و مریخ بزرگتر است. عطارد در واقع هستۀ باقی مانده از یک برخورد آسمانی است.

تصور کنید در اوایل شکل‌گیری منظومۀ شمسی، یک سیارک با چنان شدتی با عطارد برخورد نمود که در سراسر این دنیای سرد کوچک که به دور خورشید می‌رقصد، یک شکاف عظیم ایجاد شد و حتا رشته‌کوهایی از آنسوی محل برخورد در سطح سیاره قد برافراشتند. تصویربرداری‌های سفینۀ فضایی «مسینجر» نشان داد که عطارد به علت سرد بودن در حال کوچک شدن است و از سه میلیارد سال بدین‌سو، قطرش 13 کیلومتر کمتر شده است.

اما در قضیۀ شکل‌گیری سیارات گازی نباید فراموش کرد که در فاصله‌های دور از خورشید، گازهای تشکیل دهندۀ این سیارات بسیار سرد بودند و به جای پخش شدن در فضا در اثر جاذبه به دور هم تنیدند و لایه‌های مختلفی از گاز را شکل دادند. هنوز ما به درستی نمی‌دانیم، ولی اخترشناسان می گویند، در دل سیارات گازی به ویژه مشتری و زحل یک هستۀ سنگی به اندازۀ زمین یا حتا بزرگتر از آن وجود دارد. گاز متان که در ترکیب اکثر سیارات گازی و اقمار آن‌ها وجود دارد، حتا به شکل باران از آسمان آن‌ها می‌بارد. به علت ساختار لایه‌های بالایی یا اتموسفیر چنین سیاراتی، رنگ آن‌ها تغییر می‌کند. مثلاً لایۀ بالایی اتموسفیر نپتون از گاز متان تشکیل شده و متان هم به نوبۀ خود طیف سرخ نور خورشید را جذب و اما طیف آبی را بازتاب می‌دهد و در نتیجه وقتی به نپتون نگاه کنید، به شکل یک سیارۀ آبی پررنگ دیده می‌شود و این ویژه‌گی دیگر گاز متان است.

از سوی دیگر مواد تشکیل دهندۀ سیارات گازی ـ به ویژه مشتری – به حدی کم بود که واکنش هسته‌یی در مرکز آن رخ نداد و در نتیجه به شکل یک سیارۀ بزرگ گازی بادکرده باقی ماند. سیارۀ زحل و به خصوص مشتری چون از گازهای مختلف ترکیب شده اند، لایه‌های بالایی اتموسفیر آن‌ها مانند کمربندهای رنگارنگ دیده می‌شود. در سطح مشتری یک گردباد همیشه‌گی به اندازۀ سیارۀ زمین وجود دارد که در واقع بزرگترین طوفان در منظومۀ شمسی محسوب می‌شود.

از سوی دیگر، چون سیارات گازی می‌توانند به راحتی گازهای اطراف خود را در مقایسه با سنگ‌های آسمانی به سمت خود بکشانند، در چنین اندازه‌های بزرگی قرار دارند و هر قدر یک سیاره بزرگتر شود، به همان اندازه جاذبۀ بیشتری دارد و می‌تواند گاز بیشتری را به سمت خود بکشاند. این اتفاق فقط در فاصله‌های دور – مشتری 800 میلیون کیلومتر از خورشید فاصله دارد – از خورشید می‌تواند رخ دهد، زیرا در نزدیکی خورشید یک سیارۀ گازی می‌جوشد و نابود می‌شود و یا هم در اثر وزش بادهای خورشیدی به فضا پخش می‌شود. هرچند زمین ما یک اتموسفیر گازی دارد، اما خوشبختانه به دلیل داشتن میدان مغناطیسی توانسته این پوشش حیاتی گازی را مانند لحافی به دور خود حفظ کند تا موجودات زنده به شمول انسان از گزند برخورد ذرات کشندۀ خورشید و تابش‌های کیهانی در امان باشند. از گزند روزگار در امان باشید.