ورود یک سیاره جدید به منظومه شمسی!

اوموآموا در سال ۲۰۱۷ از منظومه شمسی ما عبور کرد تا رسماً اولین جرم بین ستاره‌ای تائید شده‌ای لقب گیرد که وارد منظومه ما شده است. دو سال بعدازآن و در سال ۲۰۱۹، Comet ۲l و Borisov نیز دو جرم بین ستاره‌ای (ISO) تائید شده‌ای عنوان گرفتند که به منظومه شمسی ما سرزده‌اند.

سفر ISO ها به منظومه شمسی

طبیعتاً در تاریخچه طولانی منظومه شمسی ISO های بیشتری از منظومه ما بازدید کرده‌اند و قطعاً در آینده نیز بازدیدهای بیشتری را شاهد خواهیم بود. بدیهی است که تعداد بیشتری از این اشیای بین ستاره‌ای در کیهان وجود دارند و انتظار می‌رود که رصدخانه ورا روبین در آینده تعداد بیشتری از این اجرام را رصد و کشف کند.

دراین‌بین، این احتمال هم وجود دارد که خورشید بتواند یک ISO یا یک سیاره سرگردان (سیاره بی‌ستاره) را به همان روشی که برخی از سیارات قمرهایشان را جذب کرده‌اند، به داخل منظومه شمسی کشیده و بدین ترتیب شاهد معرفی سیاره دیگری در منظومه شمسی باشیم.

همه‌چیز به فضای فاز بستگی دارد

درصورتی‌که ناگهان عضو جدیدی به منظومه شمسی بالغ و آرام ما بپیوندد، چه اتفاقی می‌افتد؟ همه‌چیز به جرم این جسم و مداری که در آن قرار خواهد گرفت بستگی دارد.

این، ‌یک آزمایش فکری جالب است. در موقعیت‌های قبلی، Borisov و اوموآموا اجرام کوچک‌تری بودند؛ اما اگر یک سیاره سرگردان حجیم‌تر به منظومه شمسی ما وارد شود، ممکن است هرج‌ومرج‌های مداری ایجاد کرده و به‌صورت بالقوه مسیر زندگی روی زمین را تغییر دهد؛ هرچند که این اتفاقی تقریباً غیرممکن است.

اگر می‌پرسید که این سناریو چقدر محتمل است، باید به یادداشت تحقیقاتی جدید در مکانیک آسمانی و نجوم دینامیکی اشاره‌کنیم که نشان می‌دهد که چگونه منظومه شمسی ما می‌تواند یک ISO  را جذب کند.

تیتر این مقاله “اسیر کردن دائمی در منظومه شمسی” است و نویسندگان آن از اعضای سابق ناسا و اعضای فعلی تیم تلاش‌های علوم فضایی هستند.

فضای فاز، عبارتی ریاضی است که وضعیت یک سیستم دینامیکی مثل منظومه شمسی ما را توصیف می‌کند و در آن از مختصاتی استفاده می‌شود که موقعیت و حرکت را نشان می‌دهند. فضای فاز درواقع مثل یک فضای چندبعدی است که شامل تمام تنظیمات مداری ممکن به دور خورشید است و وضعیت یک سیستم دینامیکی را با ردیابی هر دو ویژگی موقعیت و تکانه ثبت می‌کند.

فضای فاز منظومه شمسی ما دارای نقاطی است که ISO می‌تواند خود را ازنظر گرانشی به خورشید متصل کند. این فضا، پیچیده است و براساس مکانیک همیلتونی بنا شده؛ چیزهایی شبیه به گریز از مرکز مداری، محور نیمه‌اصلی و میل مداری همگی در آن نقش دارند و درنتیجه فضای فاز درواقع به‌عنوان یک منظره چندبعدی درک می‌شود.

آشنایی با فضای فاز منظومه شمسی

این فضا در منظومه شمسی ما، شامل دو نوع نقطه جذب (اسیر کردن اجرام) است: ضعیف و دائمی.

نقاط جذب ضعیف، مناطقی در فضا هستند که در آن یک جسم می‌تواند به‌صورت موقت، به یک مدار نیمه پایدار کشیده شود. این نقاط اغلب جایی هستند که لبه‌های بیرونی مرزهای گرانشی اجسام به هم می‌رسند و بیشتر شبیه تلنگرهای گرانشی هستند تا پذیرش مداری.

اما نقاط جذب دائمی، مناطقی در فضا هستند که در آن یک جسم می‌تواند به شکل دائم در یک مدار ثابت گرفتار و اسیر شود. تکانه زاویه‌ای و انرژی یک جسم، پیکربندی‌های دقیقی هستند که به آن کمک می‌کند تا مدارش را حفظ کند. در منظومه‌های سیاره‌ای، این نقاط جذب دائمی، پیکربندی‌های مداری پایداری هستند که برای دوره‌های زمانی بسیار طولانی باقی می‌مانند.

ازآنجاکه فضای فاز منظومه شمسی ما، بسیار پیچیده است و شامل بسیاری از اجسام متحرک و مختصات متغیر آن‌ها می‌شود، تغییرات ظریف در مختصات فضای فاز می‌تواند به اجسام اجازه انتقال بین حالت‌های جذب دائمی و ضعیف را بدهد. به‌علاوه تفاوت‌های ظریف در ISO یا سیارات سرگردان (بی‌ستاره) می‌تواند آن‌ها را به این نقاط هدایت کند.

نویسندگان این مقاله، اسیر شدن دائمی یک ISO در منظومه شمسی را بدین ترتیب توصیف می‌کنند: «اسیر شدن دائمی یک جسم کوچک (بانام فرضی P) از فضای بین ستاره‌ای، در مدار خورشید (که به‌اختصار S نامیده می‌شود) زمانی اتفاق می‌افتد که P هرگز نتواند به فضای بین ستاره‌ای برگردد و در آینده در منظومه شمسی اسیر می‌ماند و بدون برخورد با خورشید به حرکتش ادامه می‌دهد.»

دراین‌بین، محققان دیگری هم به بررسی این سناریو پرداخته‌اند، اما گام را فراتر گذاشته‌اند: «P علاوه بر آنکه برای همیشه اسیر می‌شود، ضعیف نیز خواهد شد.» این موضوع، حول محور مشکل دشوار سه‌بدنه می‌چرخد. برخلاف تحقیقات قبلی که از سیاره مشتری به‌عنوان جسم سوم استفاده می‌شد، در این بررسی از نیروی جزر و مدی کهکشان به‌عنوان جسم سوم، همراه با P و S استفاده‌شده است. در توضیح این مقاله می‌خوانیم: «این نیروی جزر و مدی تأثیر قابل‌توجهی بر ساختار فضای فاز در محدوده سرعت و فاصله‌ای از خورشید که در نظر داریم، دارد.»

تمرکز این مقاله بر ماهیت نظری فضای فاز و اسیر شدن ISO است و به مطالعه درباره خواص دینامیکی و توپولوژیکی نوع خاصی از اسارت دائمی به نام جذب ضعیف دائمی که برای زمان بی‌نهایت رخ می‌دهد می‌پردازد. جسمی که دائماً به شکل ضعیفی اسیر می‌شود، گرچه هرگز فرار نمی‌کند، اما به مدار ثابت و پایداری هم نمی‌رسد و بدون آنکه با ستاره‌ای برخورد کند، به اسارت نزدیک می‌شود.

بحث‌های زیادی درباره وجود سیارات سرگردان وجود ندارد. ستارگان در گروه‌هایی تشکیل می‌شوند و درنهایت در منطقه وسیع‌تری پراکنده می‌شوند و ازآنجاکه ستارگان میزبان سیارات هستند، برخی از سیارات قبل از آنکه ستاره‌ها از هم جدا شوند، از طریق فعل‌وانفعالات گرانشی پراکنده خواهند شد. طبق توضیح نویسندگان این مقاله، معماری نهایی هر منظومه شمسی با پراکندگی سیاره-سیاره، علاوه بر پروازهای ستاره‌ای منظومه‌های ستاره‌ای در حال شکل‌گیری مجاور شکل می‌گیرد؛ چراکه برخوردهای نزدیک ممکن است سیارات و اجرام کوچک را از منظومه بیرون بکشد و این‌ها سیارات سرگردان یا بی‌ستاره نامیده می‌شوند.

وقتی این سیارات کنار هم جمع می‌شوند، احتمالاً پرتاب سیاره از پراکندگی سیاره-سیاره اولیه و برخوردهای ستاره‌ای و در تکامل بعدی یک منظومه شمسی چند سیاره‌ای رخ می‌دهد و شواهد زیادی از تعداد بالای سیارات سرگردانی که آزادانه در فضای بین ستاره‌ای شناورند وجود دارد که این ادعایی بحث‌برانگیز است.

جمع‌بندی ماجرا چیست؟

محققان یک مقطع تصویری برای فضای فاز منظومه شمسی ایجاد کردند و به محاسبه این موضوع پرداختند که چند سیاره سرگردان در مجاورت منظومه شمسی ما قرار دارند.

در همسایگی خورشیدی ما تا شعاع شش پارسک (هریک پارسک معادل ۳۰٫۸۶ تریلیون کیلومتر یا ۳٫۲۶ سال نوری است) در امتداد خورشید، ۱۳۱ ستاره و کوتوله قهوه‌ای وجود دارند. اخترشناسان می‌دانند که حداقل چندین مورد از آن‌ها میزبان سیاره‌ها هستند و همه آن‌ها ممکن است میزبان سیاراتی باشند که هنوز شناسایی نشده‌اند.

هر یک‌میلیون سال، حدود دو تا از همسایگان ستاره‌ای ما در فاصله سال نوری زمین قرار می‌گیرند و انتظار می‌رود شش ستاره در پنجاه‌هزار سال آینده از نزدیکی زمین عبور کنند.

مرز بیرونی ابر اورت (نام مکانی که خیلی از دنباله‌دارها از آن سرچشمه می‌گیرند) حدود ۱.۵ سال نوری از زمین ما فاصله دارد و بدین ترتیب برخی از این برخوردهای ستاره‌ای ممکن است به‌راحتی اجرام را از این ابر جدا کرده و به سمت داخلی منظومه شمسی بفرستند. این اتفاق قبلاً بارها رخ‌داده است. حالا محققان روزنه‌هایی را در فضای فاز منظومه شمسی شناسایی کرده‌اند که می‌تواند به برخی از این اجرام، یا ISO ها و یا سیارات سرگردان اجازه دهد تا به اسیری ضعیف دائمی برسند. این روزنه‌ها در کره تپه خورشید هستند؛ منطقه‌ای که گرانش خورشید، نیروی گرانشی غالب برای گرفتن ماهواره‌ها است و در جهت مرکز کهکشان یا مخالف آن با خورشید ۳.۸۱ سال نوری فاصله‌دارند.

طبق گفته نویسندگان این مقاله، جذب و اسیر کردن ضعیف دائمی اجرام بین ستاره‌ای در منظومه شمسی از طریق این روزنه‌ها امکان‌پذیر است؛ چراکه آن‌ها به شکلی پر هرج‌ومرج در کره تپه حرکت می‌کنند تا با چرخه‌های بی‌نهایت‌شان جذب دائمی از خورشید را به‌طور خودسرانه انجام دهند.

این اجرام هرگز با خورشید برخورد نمی‌کنند و ممکن است به شکلی دائمی اسیر شوند؛ بنابراین یک سیاره سرگردان می‌تواند مدار سیاراتی را که ممکن است قابل‌تشخیص باشد، مختل کند.

ما هنوز در روزهای اولیه درک ISO و سیارات سرگردان هستیم و تنها می‌دانیم که آن‌ها وجود دارند؛ اما نمی‌دانیم چند تا یا کجا هستند. حالا رصدخانه ورا روبین ممکن است چشمان ما را به روی این اشیای سرگردان جذاب باز کند و حتی ممکن است نشان دهد که چگونه در برخی مناطق جمع می‌شوند و از برخی مناطق اجتناب می‌کنند. درعین‌حال می‌دانیم که اگر آن‌ها به هر یک از منافذ در کره تپه خورشید نزدیک باشند، ممکن است هر آن تصمیم به ماندن بگیرند و مهمان منظومه شمسی ما شوند.