گلوله های برفی کثیف

در سال ۱۳۲۹ خورشیدی, دانش مربوط به دنباله دارها برای همیشه تغییر یافت در آن سال دو مقاله برجسته برای همیشه درک ما را از اجرام سرگردان منظومه شمسی دگرگون ساخت

● بررسی نظریه های رایج در مورد دنباله دارها

در سال ۱۳۲۹ خورشیدی، دانش مربوط به دنباله دارها برای همیشه تغییر یافت. در آن سال دو مقاله برجسته برای همیشه درک ما را از اجرام سرگردان منظومه شمسی دگرگون ساخت. نخستین مقاله توسط «جان اورت» (۱۳۷۱-۱۲۷۹ خورشیدی) بیانگر آن بود که ابری متشکل از هسته های منسوب به دنباله دارها فاصله بین ستاره ای نزدیک اطراف منظومه خورشیدی را احاطه کرده است.

دومین مقاله توسط «فرد ویپل» (۱۳۸۵-۱۲۸۵ خورشیدی) مدل جدیدی در مورد ماهیت هسته دنباله دارها ارائه داد.هر دو مقاله تفکر علمی در مورد دنباله دارها را به کلی تغییر داد و با هم به عنوان اساس تحقیقات جدید در نظر گرفته شد. در سال های اخیر هرجا که صحبت از اکتشاف های جدید باشد، مقاله «ویپل» مطرح است. مدل«یخ جوش» (icy conglomerate) او به این اندیشه منجر شد که هسته دنباله دارها «گلوله های برفی کثیف» است. با این همه ده ها سال طول می کشد (از راه مشاهده نزدیک دنباله دارها توسط فضاپیما ها) تا نظر «ویپل» اثبات شود، گرچه امروزه مشاهداتی که آن را تایید کند، در دست انجام است.

● ساحل شنی یا جامد

به گفته «ویپل» هسته دنباله دارها یک جرم توپر متشکل از یخ و مواد شهاب سنگی است. این عقیده با مدل رایج ماسه ای (مبنی بر اینکه دنباله دارها ابرهایی از ذرات گرد و غبار بوده و توسط کشش جاذبه ای به یکدیگر چسبیده اند و با نزدیک شدن به خورشید گاز و بخارهای جذب شده را آزاد می سازند) کاملاً مغایر است و آن را رد می کند.

مدل ماسه ای حتی در زمان مطرح شدن در اواسط قرن نوزدهم با اشکال هایی روبه رو بود. به عنوان مثال، اگر دنباله دارها اجرام سخت توپر نباشند، پس چگونه در زمان عبور از نزدیکی خورشید بقای خود را حفظ می کنند؟ «ویپل» در جست وجوی مدل جدیدی که پدیده دنباله دارها را بهتر تشریح کند، ادعا کرد که هسته دنباله دارها از آب منجمد، آمونیاک، متان، دی اکسیدکربن، مونواکسیدکربن و ذرات ریز شهاب سنگی (که در دمای بسیار پایینی گردهم آمده اند تا یک گلوله برفی بزرگ کثیف را به وجود آورند) تشکیل شده است.

درخشندگی عقیده «ویپل» حاصل تلاش بسیار او در به هم بافتن بسیاری نظریات موجود درباره دنباله دارها به شکل پرده نمایانی بود که می توانست پدیده های مشاهداتی بسیاری را توجیه کند. به عنوان مثال یک منجم روسی« S.K.Vsekhsvyatsrcii» در سال ۱۳۲۷ اعلام کرد که دنباله دارها حاوی یخ هستند.

«ویپل» این عقیده را که با نظر او سازگار بود، پذیرفت و یخ را مرکز فرضیه یخ جوش خود قرار داد و سپس این نظریه را برای تشریح یکی از گیج کننده ترین مسائل در دانش مربوط به دنباله دارها یعنی حرکت غیرگرانشی به کاربرد.قوانین «کپلر» برای تقریباً ۳۰۰ سال نقش بسیار قابل ملاحظه ای در مورد حرکت سیاره ای و تشریح حرکت سیاره ها، قمرهای سیاره ای و سیارک ها ایفا کرده بود، لیکن دنباله دارها همیشه مشکل زا بودند. دنباله دارها این عادت بد را داشتند که هرگز در زمان مورد نظر مراجعت نمی کردند. به عنوان مثال، دنباله دار «هالی» مکرراً چهار روز دیرتر از زمان پیش بینی شده به نزدیکی زمین می رسید.

البته چهار روز برای دنباله داری که مدت گردشی آن ۷۶ سال است، اصلاً درخور توجه نیست، اما برای منجمان روز خطای بارزی است.چیزی به جز گرانش خورشید و سیاره ها موجب می شود که دنباله دار «هالی» به فاصله دورتر، مداری با مدت طولانی تر برود. گفته می شد که مساله مشابهی در مورد دنباله دار «انکه» (Eneke) که هر ۳/۳ سال برمی گردد، وجود دارد. اما برخلاف «هالی»، دنباله دار «انکه» زودتر از موعد به زمین می رسید.

اگر یک دنباله دار حاوی یخ باشد و اگر این یخ ها همزمان با نزدیک شدن دنباله دار به خورشید تبخیر شوند، گازهای خارج شونده از سطح آفتاب خورده داغ می تواند مانند موتور یک موشک کوچک عمل کرده و فشار کمی را به هسته دنباله دار اعمال کند.اجرام دوران کننده مانند زمین در طول روز گرم و در شب سرد می شود.

به علت آنکه سیاره ها حرارت را جذب و دوباره آن را برمی گردانند، گرم ترین ساعات روز به علت پدیده معروف به اینرسی حرارتی در حدود ساعت ۳ بعدازظهر است نه ظهر. به اعتقاد «ویپل» هسته دنباله دار ها نیز دارای وضعیت مشابه است و مانند سیاره ها و زمین به دور خود دوران می کند و نیمکره بعدازظهر آنها گرم تر است. لذا خروج گازها از آنها بعدازظهر به حداکثر می رسد.

بنابراین اگر هسته یک دنباله دار در همان جهتی دوران کند که دنباله دار به دور خورشید می گردد، فشار وارده ناشی از گازهای خروجی، مدار گردش آن را کمی وسیع تر کرده و منجر به بازگشت دیرهنگام آن (مانند آنچه در مورد دنباله دار «هالی» دیدیم) می شود.

برعکس چنانچه دنباله دار برخلاف جهت مدار گردشی خود دوران کند نیروی وارده به دنباله دار برخلاف حرکت آن عمل کرده و موجب انتقال آن به مدار کوچک تر و در نتیجه بازگشت زودهنگام (مانند دنباله دار «انکه») می شود.

● از فرضیه تا اثبات

در حالی که بسیاری از منجمان فرضیه «ویپل» را پذیرفته بودند، پاره ای دیگر با شک و تردید با آن برخورد می کردند. گذشته از همه اینها مدل ماسه ای برای یک قرن به طور گسترده مورد پذیرش قرار داشت. یکی از منجمان بر آن شده بود تا عقاید «ویپل» را آزمایش کند.

وی «برایان مارسدن» بود که مسوولیت ردگیری مدار کلیه سیارک ها و دنباله دارها را در مرکز سیاره های کوچک اتحادیه بین المللی اخترشناسی به عهده داشت. «مارسدن» در اواخر سال های ۱۳۴۰ خورشیدی تایید کرد که دنباله دارها در حقیقت با استفاده از حرکت کپلری (keplerian motion) در اطراف خورشید حرکت می کنند.

مدار آنها به وسیله نیروی کمتر از یک ده هزارم کشش گرانشی خورشید (نیروی کوچک ولی قابل اندازه گیری) تغییر می کند.«مارسدن» برای محاسبه این نیرو، در برنامه های کامپیوتری خود که نیروی ناشی از تبخیر یخ هسته توپر دنباله دار را شبیه سازی می کند، مشخصه ای را اعمال کرد.پس از آن وی با اطمینان کامل دریافت که بین محاسبه های او و مدارهای مشاهده شده، به طور اساسی هماهنگی به وجود آمده است.

اصلاحات مشابه، مشکلات مربوط به مدار های بلندمدت را رفع کرد.محاسبه های «مارسدن» در میان حجم فزاینده شواهد پشتیبانی کننده فرضیه یخ جوش «ویپل» قرار داشت. سرانجام در سال ۱۳۶۵ خورشیدی همزمان با بازگشت دنباله دار «هالی» این موضوع اثبات شد. در آن زمان ناوگانی از فضاپیماها در هنگام مراجعت «هالی» به زمین با آن روبه رو شدند.

شوروی، سازمان فضایی اروپا و ژاپن هر یک با ارسال کاوشگری آن را بررسی کردند. کاوشگر روسی vega۱ در ۱۵ اسفند اولین تصاویر را از یک هسته توپر ثبت کرد. در روز بعد تصاویر بهتری توسط کاوشگر vega۲ثبت شد.در ۲۳ اسفند نوبت به کاوشگر اروپایی رسید. کاوشگر Giotto به سرعت تا فاصله ۵۹۶ کیلومتری هسته «هالی» نزدیک شد و تصاویر واضحی ارسال کرد که مدرک انکارناپذیری برای اثبات فرضیه «ویپل» شمرده می شد.

نیمرخ «هالی» در مقابل گیسوی (coma) روشن به خوبی دیده می شد؛ یک جرم تاریک نامنظم به طول ۱۶ و به عرض ۸ کیلومتر از سمت روشن هسته که آمیزه ای از تپه ها و پشته ها بود و گاز و غبار به شدت از آن فوران می کرد. به علاوه دستگاه های نصب شده بر روی Giotto ترکیبی را که «ویپل» پیش بینی کرده بود، تایید می کرد.

قسمت اعظم گازهای تبخیرشونده، از بخارآب تشکیل شده بودند. غبار مشابه ترکیبی بود که در chondrites کربن دار (ابتدایی ترین نوع سنگ های آسمانی) یافت می شد. «فرد ویپل» در سن ۷۶ سالگی عضو گروه عکسبرداری Giotto بود. تصور کنید در آن شبی که تصاویر را از آسمان دریافت کرد و جشن گرفت، چه احساسی داشت. بیش از سه دهه کار بر روی هسته دنباله دارها در یک شب به اثبات رسید. این اثبات اوج موفقیت کاری او محسوب می شد.

● ادامه بررسی هسته دنباله دارها

ناوگان کاوشگر «هالی» فقط یک گام در بررسی دنباله دارها محسوب می شد. اگرچه فرضیه مدل شنی (sandbank) مرده است، اما دانشمندانی که دنباله دارها را بررسی می کنند، هنوز در حال بررسی ماهیت گلوله برفی سفید «ویپل» هستند.

دو تن از اخترشناسان به نام های «برترام دان» از مرکز فضایی گدارد ناسا و «دیوید هیوز» از دانشگاه شفیلد انگلستان، در سال ۱۳۶۴ خورشیدی این نظریه را مطرح ساختند که هسته دنباله دارها از مصالح دانه ای پف کرده (fluffy oggregates) از غبار و یخ به وجود آمده است که به تدریج در سحابی خورشیدی (solar nebula) تشکیل شده است.

من در همان زمان گفتم که هسته دنباله دارها توده های قلوه سنگی بسیار کهن (primordial rubble piles) مجموعه ای از یخ جوش های قلوه سنگی با چسبندگی ضعیف هستند. هر دو مدل در واقع نگرش مختلف به یک موضوع است. (هر دو نگرش از راه بررسی چگونگی تشکیل دنباله دارها با موضوع روبه روشده است.) فرضیه متداول چنین است که دانه های گرد و غبار و ذرات یخ بین ستاره ای در سحابی خورشیدی به یکدیگر برخورد کرده و آهسته آهسته رشد کرده و اجرام بزرگ و بزرگتری را تشکیل داده اند.

لیکن تا زمانی که این اجرام به حد بسیار بزرگی رسیده باشند، هیچ منبع انرژی زا وجود نداشته تا آنها را به شکل یک توده به هم چسبیده فشرده سازد. گرانش بسیار ضعیف و دمای ناشی از برخوردها بسیار ناچیز بود. بنابراین هسته دنباله دار شکل و ساختار اولیه خود را حفظ کرده است. توجه داشته باشید که این مدل ها هیچ کدام جایگزینی برای مدل یخ جوش «ویپل» محسوب نمی شوند. آنها صرفاً جزئیات دقیق تری در مورد تصویر گسترده ای که «ویپل» برای اولین بار مطرح ساخت، ارائه می دهند.

تصاویر به دست آمده از «هالی» جزئیات امیدوارکننده ای را در مورد آنچه ممکن است در یک ساختار قلوه سنگی قابل توجه باشد، فراهم ساخت. اما تصاویر مزبور فاقد آنچنان کیفیتی بود که اطمینان لازم را به وجود آورد. دیگر هیچ کس برای بررسی دنباله دارها ماموریتی را اجرا نکرد. تعجب آور آنکه نشانه ها و اطلاعات بعدی، از اجزای سرگردان یک دنباله دار قدیمی گرفته شد.در سال ۱۳۷۲ خورشیدی، ستاره شناسانی به نام های «یوجین» و «کارولین شومیکر» و «دیود لوی» یک شیء غیرعادی را در نزدیکی سیاره مشتری کشف کردند.

در آغاز به نظر می رسید که دنباله دار «شومیکر- لوی۹» با دنباله باریک و طویلی از گاز و گرد و غبار کوبیده شده باشد. اما بررسی های دقیق تر آشکار ساخت که رشته ای بیش از ۲۰ هسته جداگانه در یک صف در پرواز هستند.ستاره شناسان با ادامه مشاهدات این شیء جدید، کشف های ارزشمندتری به دست آوردند.

رد یابی موثر «شومیکر- لوی۹» به سمت گذشته نشان می داد که دنباله دار در سال ۱۳۷۱ خورشیدی از فاصله بسیار نزدیک مشتری گذشته است، آنقدر نزدیک که گرانش عظیم سیاره مشتری هسته آن را از هم گسست و زمانی که حرکت تکه های آن را تحلیل کردند، معلوم شد که دنباله دار مستقیماً به طرف مشتری می رفته است. در خردادماه سال ۱۳۷۳ خورشیدی برای اولین بار اخترشناسان یک برخورد بین سیاره ای را مشاهده کردند.

«شومیکر- لوی۹» امکان تحقیق در این مورد که چگونه دنباله داری به اسارت سیاره «برجیس» درآمد و چگونه در اثر گرانش آن از هم گسسته شد، فراهم ساخت. توضیحات بیشتر و بهتر برای گسسته شدن آن توسط «اریک اسفوگ» و «ویلی بنز» دانشمندان دانشگاه آریزونا ارائه شد. آنها چنین بیان کردند که اگر دنباله دار توده ای از ذرات و تکه های ریز با چسبندگی ضعیف بود، برجیس می توانست به آسانی تکه ها را از یکدیگر جدا سازد.جالب ترین بخش مدل «اسفوگ» و «بنز» به آنچه بر سر تکه های جداگانه آمد، مرتبط می شد.

پل ویستمان

مترجم : منصور خلدی حقیقی

Sky&Telescope, Jan.۲۰۰۶

---