شکل گیری منظومه شمسی ما یک فرآیند مخرب بود!

سیارات چگونه تشکیل می شوند؟

هنگامی که یک ستاره برای اولین بار شکل می گیرد، توسط قرصی از گاز و غبار در حال چرخش احاطه می شود. در طی میلیاردها سال، این گاز و غبار به تدریج با هم جمع شدند و اجرام بزرگتر و بزرگتری را تشکیل دادند و در نهایت به یک سیستم “بالغ” از سیارات بزرگ در مدارهای پایدار تبدیل شدند. این فرآیند که در آن اجسام کوچک با هم برخورد می‌کنند و سیاره‌ها را تشکیل می‌دهند «برافزایش» نامیده می‌شود. در مراحل پایانی تشکیل سیاره، ممکن است برخورد بین خود سیارات بزرگ و در حال رشد رخ دهد! این ضربه‌های غول‌پیکر نتایج متفاوتی دارند، سیارات جدیدی با ویژگی‌های متفاوت ایجاد می‌کنند یا حتی سیاراتی را که با هم برخورد کرده‌اند کاملاً محو می‌کنند. یادگیری بیشتر در مورد این سناریوهای مختلف به ما بینشی در مورد منشا منظومه شمسی و سیارات درون آن می دهد. به عنوان مثال، تصور می شود که ماه خودمان از زباله های چنین برخوردی تشکیل شده است! درک برخوردهای غول پیکر همچنین به ما کمک می کند تا رصدهای تلسکوپ سیارات اطراف ستارگان دیگر را درک کنیم، که می تواند زمینه بیشتری را در جستجوی حیات در فضا به ما بدهد.

چگونه در مورد شکل گیری سیارات بیاموزیم؟

در علم، “مدلینگ” به معنای نشان دادن آخرین مد پاییزی نیست، بلکه به اجرای شبیه سازی های کامپیوتری اشاره دارد. همانطور که ما سعی می کنیم کلیدهای جهان را باز کنیم، مدل های کامپیوتری اولین گام به سوی درک ناشناخته ها هستند. کوبیدن سیارات به هم در مقیاس کامل در آزمایشگاه عملی نیست. بنابراین ما به جای آن به شبیه سازی های کامپیوتری روی می آوریم تا این شرایط شدید را در مقیاس سیاره ای کشف کنیم.

مدل سازی گام به گام

اگر می خواهید یک مدل کامپیوتری از برخورد در مقیاس سیاره بسازید، اصلاً از کجا شروع می کنید؟ ابتدا، دانشمندان به معادلات فیزیکی در مورد گرانش نگاه می کنند تا بفهمند که سیارات چگونه به دور ستاره ها در طول شکل گیری سیاره می چرخند. محاسبات رایانه‌ای این معادلات «دینامیک مداری» به مدل‌سازان ضربه کمک می‌کند تا انواع برخوردها، مانند سرعت‌های ضربه را که سیاره‌ها با بزرگ شدن به اندازه کامل با آن‌ها مواجه می‌شوند، درک کنند. مشاهدات تلسکوپ نیز برای تمرکز این مطالعات دینامیک مداری کلیدی است.

از محاسبات دینامیک مداری، کارشناسان متوجه می شوند که برخوردهای غول پیکر در طول شکل گیری منظومه شمسی بیشتر در زاویه دید و سرعت کمی کمتر بوده است، اما برای هر قاعده استثنائاتی وجود دارد! با استفاده از معادلات حاکم بر رفتار سنگ‌ها و سیالات در شرایط شدید، مدل‌های «هیدروکد» (شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای) ابزار اصلی مورد استفاده برای درک تأثیرات غول‌پیکر هستند. از این شبیه‌سازی‌ها، دانشمندان دریافتند که سرعت‌های برخورد نسبتاً سبکی که ما انتظار داریم منجر به یک نتیجه جالب می‌شود: ادغام چرخشی دو سیاره با یک قرص زباله در اطراف آنها (ویدئو 1 را ببینید). اما اشتباه نکنید، این سبک های برافزایشی “ملایم” هنوز هم می توانند در سرعت های مافوق صوت رخ دهند! در این مقیاس های بزرگ، نیروهای گرانشی به شدت نتیجه را کنترل می کنند. این برخوردها می گیرند ساعت تکامل یابد!

برخی از برخوردها می‌توانند به سادگی «تصادف با نگاه» باشند (ویدئو 2 را ببینید)، که در آن هر دو بدن تقریباً سالم از برخورد خارج می‌شوند، که به آن برخورد ضربه و فرار نیز گفته می‌شود – به طور کلی از ازدحام دوری کنید. نتایج نادرتر و مخرب (ویدئو 3) نیز ممکن است، اما این بستگی نزدیک به جزئیات سیستم سیاره ای در حال رشد دارد. یادگیری ماشینی و آمار به طور فزاینده ای برای یافتن راه های جدید برای کشف روابط بین شرایط اولیه (سرعت ضربه، زوایا، و غیره) و نتایج با یافتن الگوها در داده های شبیه سازی مورد استفاده قرار می گیرد.

ماه ما – یک باقیمانده برخورد محبوب

از زمان آپولو، معمولاً تصور می شد که ماه نتیجه برخوردی مانند آنچه در ویدیو 1 بود، یک رویداد برافزایشی خارج از محور است. تاکنون دانشمندان دریافته‌اند که به نظر می‌رسد جسمی به اندازه مریخ (به نام Theia) که با زمین اولیه ما برخورد می‌کند، با بیشتر داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط فضاپیماهای در حال گردش و نمونه‌های آپولو که از ماه بازگردانده شده‌اند، مطابقت دارد. با این حال، تعداد سناریوهای برخورد احتمالی که به نظر می‌رسد با داده‌ها مطابقت دارند، در طول زمان افزایش یافته است و همچنان یک حوزه غنی از تحقیقات است. در محبوب‌ترین سناریوی پیشنهادی، تیا به زمین اولیه نگاه کرد و مقدار زیادی بخار گرم و زباله تولید کرد و دیسکی را در اطراف زمین ایجاد کرد که ماه از آن تشکیل می‌شد. با این حال، شبیه‌سازی‌های اخیر بهبود یافته از این رویداد نشان می‌دهد که ماه ممکن است مستقیماً از زباله‌ها تشکیل شده باشد، نه اینکه از یک دیسک غبار گازی برافروخته شود، که تفکر علمی مدرن را به چالش می‌کشد. همانطور که مدل‌ها تکامل می‌یابند، درک ما از شکل‌گیری زمین و ماه، و به طور بالقوه نحوه انتخاب ماه برای کشف ماه نیز افزایش می‌یابد – گواهی بر نیاز به بهبود مستمر شبیه‌سازی‌های کامپیوتری.

دکتر تراویس گابریل، فیزیکدان USGS و اولین بار، گفت: «با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای با کیفیت بالا، آزمایش‌های جدید و نمونه‌های بالقوه جدید بازگشته از ماه و مریخ، ما واقعاً می‌توانیم داستان‌هایی را که طبیعت باید با ما به اشتراک بگذارد، شروع کنیم.» نویسنده دست‌نویس اخیر در بررسی‌های سالانه با عنوان نقش ضربه های غول پیکر در شکل گیری سیاره. یافته‌های اخیر ما نشان می‌دهد که این ضربه‌های غول‌پیکر چنان رویدادهای شدیدی هستند که واقعاً محدودیت‌های ابزار شبیه‌سازی رایانه‌ای ما را از بین می‌برند.»

راه های زیادی برای رسیدن به همان مکان وجود دارد

گاهی در طبیعت می توان چیزی را دید و فهمید که چگونه شکل گرفته است. وقتی به یک گل در باغ خود نگاه می کنید، می توانید چرخه زندگی آن را از دانه تا شکوفه تصور کنید. تنها یک راه برای به دست آوردن این گل وجود دارد. با این حال، دهه ها تحقیق نشان داده است که راه های زیادی برای تشکیل یک سیاره وجود دارد. برای مثال، شکل زیر مسیرهای مختلفی را نشان می‌دهد که یک سیاره غنی از آهن مانند عطارد می‌تواند ایجاد کند: با یک برخورد فاجعه‌بار، یک برخورد ضربه و فرار، و زنجیره‌ای از برخوردهای ضربه و فرار. در دست‌نوشته بررسی‌های سالانه، نویسندگان درباره این موضوع بحث می‌کنند که چگونه داده‌های مأموریت‌های آینده، پیشرفت‌ها در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، و یادگیری ماشینی می‌توانند به محدود کردن مکانیسم‌های تشکیل سیارات، قمرها و سیارک‌هایی که امروزه مشاهده می‌کنیم کمک کنند.

در آینده چه چیزی در انتظار ماست؟

هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری وجود دارد، به این معنی که هنوز کارهای زیادی برای انجام دادن وجود دارد! یکی از زمینه‌های امیدوارکننده در تحقیقات آینده، استفاده از یادگیری ماشین برای داده‌های شبیه‌سازی فیزیک برای کمک به اصلاح مدل‌ها، ایجاد مدل‌های جدید و به طور کلی کمک به ما در استفاده مؤثرتر از محاسبات و منابع علمی برای درک دنیای اطرافمان است. همچنین همیشه نیاز به داده های جدید برای محدود کردن مدل ها و نرم افزارهای کامپیوتری پیشرفته وجود دارد. این امر مستلزم ماموریت های فضایی جدید و زمان زیادی برای کدگذاری و آزمایش هیدروکدها است. بهبود درک ما از نحوه شکل گیری سیارات مستلزم همکاری بین بسیاری از زمینه های مختلف تخصص است: مهندسان برای ساخت جدیدترین ابزار برای ماه، مریخ و فراتر از آن. فیزیکدانان، دانشمندان کامپیوتر، زمین شناسان، شیمیدانان و ستاره شناسان. هر علاقه ای که داشته باشید، مسیرهای شغلی مختلفی برای کمک به مطالعه جهان ما وجود دارد.