نگاه نزدیک به ارباب حلقه‌ها: حلقه‌های زحل از کجا آمده‌اند؟

زحل بدون حلقه‌هایش واقعاً خسته‌کننده است. تصویر پایین از «جیسون کوتکه» (Jason Kottke) بلاگر را ببینید؛ زحل ساده‌ترین ظاهر را در منظومه شمسی دارد. البته یک طوفان شش‌ضلعی و چند سیکلون جذاب در قطب‌ها دیده می‌شود، اما ظاهر رنگ‌پریده سیاره نه رنگ‌آمیزی مشتری را دارد، نه آبی جذاب نپتون، نه تیرگی خفه‌کننده زهره.

حتی مریخ زنگ‌زده از این جالب‌تر است. خوشبختانه جایی در ۴٫۵ میلیارد سال گذشته کیهان این همسایه ما را به‌روزرسانی کرد؛ با یک منظومه حلقه‌ای یخی بزرگ و روشن دور آن. اما دانشمندان روی زمان شکل‌گیری این حلقه‌ها توافق ندارند؛ همچنین چگونگی پیدایش آن‌ها. دهه‌هاست که این مشکل وجود دارد؛ گویا ریشه‌های یکی از خاص‌ترین پدیده‌های منظومه شمسی یک راز حل‌نشده است.

«مریم المعتمد» (Maryame El Moutamid)، اخترفیزیکدان دانشگاه کرنل، می‌گوید «این سیاره در نقطه‌ای هنگام شکل‌گیری منظومه شمسی شکل گرفت و ما نمی‌دانیم حلقه‌ها همان موقع پیدا شدند یا بعداً. دلیل جذابیت موضوع تنها دانستن این پاسخ نیست، بلکه فهم منظومه زحل است ـ ما یک سیاره، یک منظومه حلقه و یک منظومه قمری داریم و فکر می‌کنیم که ارتباطی بین حلقه‌ها و ماه‌ها وجود دارد.»

این معما جذابیت منحصربه‌فردی دارد. در اکثر موارد دانشمندان دانش خوبی درباره منشأ پدیده‌های دیدنی منظومه شمسی دارند: بریدگی روی مریخ که گرند کنیون در برابر آن هیچ است، دایره قرمز بزرگ روی مشتری و حوضه آبی بزرگ جنوب ماه. اما حلقه‌های زحل رازی حل‌نشده باقی مانده است.

«جف کازی» (Jeff Cuzzi)، از مرکز تحقیقاتی ایمز ناسا، می‌گوید «حلقه‌های زحل منحصربه‌فرد هستند. آن‌ها تنها حلقه‌های بزرگ و خیلی خیلی درخشان هستند که بسیار نامعمولند. این معمایی است که با آن روبه‌روییم.»

دانشمندانی که با این معما سروکار دارند معمولاً در دو گروه قرار می‌گیرند. گروه اول می‌گویند حلقه‌های زحل ازلی بوده‌اند؛ یعنی بیش از چهار میلیارد قبل همراه با خود سیاره شکل گرفته‌اند و زحل هیچ‌گاه یک سیاره کسل‌کننده نبوده است.

گروه دوم گمان می‌کنند که حلقه‌ها بسیار جوان‌تر هستند و در چند صد میلیون سال گذشته شکل گرفته‌اند. طبق این نظریه، حلقه‌ها چنان جوان هستند که اگر دایناسورها یک برنامه فضایی داشتند، با تلسکوپ‌های خود یک زحل بدون حلقه می‌دیدند (و شاید می‌توانستند جلوی برخورد آن سیارک نابودگر را نیز بگیرند).

المعتمد می‌گوید «هر دو سناریو دلایل محکم، اما ضعف‌هایی نیز دارند.»

گرچه این دو داستان میلیاردها سال فاصله از هم دور هستند، یک چیز مشترک دارند: خشونت. شکل‌گیری حلقه‌ها نیازمند ویرانی یک جرم یخی بود؛ شاید یک دنباله‌دار یا یک ماه. این جرم به‌طور ناشناس به زحل نزدیک شد و گرانش سیاره آن را به تکه‌های کوچک یخ تبدیل کرد. اندکی از این تکه‌ها کمی بزرگ‌تر از یک خانه هستند، اما بقیه بسیار ریزند. اکثراً از جنس آب‌های تمیز منجمد و درخشان هستند، اما یک نوار در حلقه‌ها اندکی تیره‌تر است. در طول زمان، این خرده‌ها خود را در یک منظومه حلقه‌ای که امروز شاهدش هستیم، سامان دادند که حدود ۲۷۵٬۰۰۰ کیلومتر عرض و تنها حدود ۱۰ متر ضخامت دارد.

گروه «حلقه‌های قدیمی» می‌گویند این نابودی در روزهای آغازین زحل رخ داد (از لحاظ علمی محتمل‌تر است که یک شیء سرگردان در دوران جوانی منظومه شمسی وارد حفره گرانشی یک سیاره شود). یک نسخه از این داستان این‌طور است که سیاره‌های غول‌پیکر در جایی که امروز می‌بینیم، متولد نشده‌اند؛ بلکه به موقعیت کنونی خود مهاجرت و موجی از ناپایداری را در اجرام کوچک‌تر ایجاد کرده‌اند که باعث شده است مانند توپ‌های پینگ‌پونگ آسمانی همه جا پراکنده شوند.

در طول نوزادی منظومه شمسی، برای یک جرم یخی سخت نبود که تبدیل به حلقه‌هایی اطراف زحل شود. نظریه حلقه‌های قدیمی همچنین پیش‌بینی می‌کند که قمرهای زحل از تکه‌های جداشده حلقه تشکیل شده‌اند که به‌اندازه کافی از سیاره دور بوده‌اند تا خودشان یک توده مجزا تشکیل دهند. بنابراین تعدادی از ماه‌هایی که امروز نزدیک حاشیه‌های حلقه‌ها می‌گردند، از همان مواد ساخته شده‌اند.

المعتمد می‌گوید «حقیقتاً و بدون تلاش برای بی‌طرف بودن، نظریه حلقه‌های قدیمی بیشتر از نظریه حلقه‌های جدید برای من منطقی است. این باور من تا به الان بوده، اما خوشحال می‌شوم اگر کسی نظرم را تغییر دهد.»

مشکل این است که حلقه‌های یخی بسیار سفیدتر از آن هستند که میلیاردها سال سن داشته باشند؛ حداقل این یکی از استدلال‌هایی است که گروه «حلقه‌های جوان» روی آن تمرکز دارد. این مسئله که استدلال آلودگی نام دارد، به نرخی متکی است که با آن غبار تیره منظومه شمسی بیرونی با حلقه‌ها برخورد و آن‌ها را کم‌فروغ می‌کند. به زبان ساده، نزدیک به چهار میلیارد سال بارش خاکستری کیهانی باید حلقه‌های زحل را مانند حلقه‌های مشتری کثیف و بی‌اهمیت می‌کرد؛ مگر اینکه حلقه‌ها سنگین یا جوان باشند.

در سال ۲۰۱۷ دانشمندان با استفاده از فضاپیمای کاسینی جرم حلقه‌های زحل را اندازه‌گیری کردند و دریافتند که ماده کافی برای جذب‌کردن غباری به قدمت منظومه شمسی و تمیز ماندن وجود ندارد. کاسینی همچنین داده‌هایی درباره میزان غباری که وارد منظومه زحل می‌شود، جمع‌آوری کرد و آن‌ها نیز ایده جوان بودن حلقه‌ها را پشتیبانی می‌کنند.

بااین‌حال، بسیار بعید است جرمی به آن بزرگی که می‌توانسته حلقه‌ها را ایجاد کند به محدوده زحل نزدیک شده باشد (مگر در آشوب ابتدای منظومه شمسی).

اگر زحل به‌جای تکه‌تکه کردن یک جرم بیرونی، یکی از قمرهای خود را نابود کرده باشد چه؟ دو نظریه جدید نشان می‌دهند که درست مانند شاهکار خونین نقاش اسپانیایی، فرانسیسکو د گویا (Francisco de Goya)، زحل درواقع یکی از فرزندان خود را بلعیده است.

نظریه شماره یک که در سال ۲۰۱۶ ارائه شد، می‌گوید تقریباً صد میلیون سال قبل، منظومه زحل وارد موقعیتی شد که گرانش خورشید قمرهای درونی سیاره را وارد مداری برخوردی کرد که درنهایت حلقه آوار را ایجاد کردند. این ایده ظاهر جوان سطح تعدادی از قمرهای زحل را نیز توضیح می‌دهد، زیرا واقعه حلقه‌ساز می‌توانسته است که تعدادی از قمرها را نابود و تعدادی را از نو ایجاد کند.

نظریه شماره دو متعلق به اواخر ۲۰۲۲، تقصیر حلقه‌ها را بر گردن ابرماه زحل، تایتان، می‌اندازد که به‌آرامی از سیاره خود دور می‌شود. حدود دویست میلیون سال قبل، هجرت آهسته ماه آن را در یک رزونانس (اعمال یک اثر گرانشی) با یک قمر فرضی قرار داد که دانشمندان آن را کریسالیس (Chrysalis) می‌نامند. درنتیجه کریسالیس به‌سمت زحل پرتاب و به حلقه تبدیل شد. (این نظریه زاویه دوران جالب زحل را نیز توضیح می‌دهد: اثر یک تعامل گرانشی با مدار نپتون.)

نیاز نیست بگوییم که هیچ‌کدام از این دو سناریو را به این سادگی نمی‌پذیریم، اما به‌نظر کازی «مجادله برای علم خوب است؛ اینکه همه قانع نشده‌اند بد نیست.»

حلقه‌های زحلی جوان ایده ساده‌انگارانه ما درباره تداوم کیهانی (حتی با وجود انفجار ستاره‌ها و برخورد شهاب‌سنگ‌ها به آسمان ما) را به‌چالش می‌کشند. اینکه شاید یکی از آشناترین مناظر منظومه شمسی، یعنی حلقه‌های شگفت‌انگیز زحل همیشه این‌طور نبوده‌اند، هیجان‌انگیز است؛ درست مثل زمانی که ستاره ابط‌الجوزا به‌شدت کم‌نور شد و طرح صورت‌فلکی شکارچی را تغییر داد؛ همان‌طور که کازی می‌گوید: «اشیایی که در آسمان شب می‌شناسیم و دوست داریم، قرار نیست این‌گونه تغییر کنند.»

بااین‌حال، حلقه‌های زحلی جوان این را نیز نشان می‌دهند که حیات روی زمین بسیار خوش‌شانس بوده است. به‌طور تصادفی، تکامل ما را (گونه‌ای که می‌تواند تلسکوپ بسازد) هم‌زمان با منظره کیهانی شگفت‌انگیز زحل به‌وجود آورد.

در طول عمر انسان، آسمان شب شاید تغییر زیادی نکند

سیاره‌ها در مدارهایی قابل‌پیش‌بینی حرکت می‌کنند، صورت‌های فلکی طبق برنامه طلوع و غروب می‌کنند، گذر زمان را می‌توان با تغییر چهره ماه مشخص کرد؛ این اطمینان‌بخش است، زیرا نشان می‌دهد موجوداتی کوچک مانند ما، سرگردان در دریای بی‌انتهای فضا روی یک جزیره سرسبز، به درجه‌ای از دانش آسمانی رسیده‌اند.

ما نظم حرکات سیاره‌ای را رمزگشایی کرده‌ایم؛ می‌توانیم با دقت وقوع پدیده‌ای جادویی مانند تاریک‌شدن خورشید در میانه روز را محاسبه کنیم و تا حدی می‌دانیم که چیزها (به‌جز خودمان) چطور به‌وجود آمده‌اند. در یک جهان بی‌پایان، به چیزی که می‌دانیم چسبیده‌ایم.

جف کازی می‌گوید: «ذهن شما فقط می‌خواهد همه‌چیز پایدار و همیشگی باشند. اشیای آسمانی قرار نیست در مقابل چشمان ما تغییر کنند. اما این همان چیزی است که فضاپیمای کاسینی هنگام رسیدن به زحل به ما نشان داد… ما می‌دانیم چه چیزهایی در تمام مقیاس‌های زمانی آن‌جا ظاهر می‌شوند. این برای ما یک تغییر چشم‌انداز مفید است.»