العلماء يقترحون نموذجًا لشرح منطقة تكوين "أورانوس" و"نبتون"

قام فريق من الباحثين الفرنسيين والأمريكيين، تحت إشراف من معهد UTINAM (CNRS / جامعة فرانش-كومبتيه)، بوضع نظرية جديدة كحل لمشكلة التركيب الكيميائي لكوكبي أورانوس ونبتون، ما يوفر أدلة جديدة لفهم تكوينهما . وقد ركز الباحثون على موقع هذين الكوكبين الأكثر بعداً في النظام الشمسي، واقترحوا نموذجاً جديداً يشرح الكيفية والمنطقة التي تشكلا فيها وقد نشروا نتائج ما توصلوا إليه في 20 أيلول/ سبتمبر الماضي في مجلة الفيزياء الفلكية .

لكي نفهم المشكلة ينبغي أن نرجع في الزمن إلى بداية تشكل النظام الشمسي قبل 4 .4 و6 .4 مليار سنة حين تشكلت الشمس وحاشيتها الكوكبية من خلال انهيار(السديم البدائي) السحابة الكبيرة من الغبار والغاز على نفسها، حيث اتخذت السحابة شكل القرص ونتج عن ذلك تجمع نحو 99% من المادة في مركزها (الشمس المتشكلة فيما بعد) .

أما المادة المتبقية فقد شكلت الكواكب . وفي مركز تلك السحابة بلغ الضغط مبلغا أدى إلى عملية اندماج بين ذرات الهيدروجين الأمر الذي نتج عنه ظهور الشمس وتسخين ما حولها من مادة ولذا نجد أن الغازات الأخف وزناً (جزأي الهيدروجين والهيليوم) دفعت نحو تخوم النظام الشمسي المتشكل . وبالطبع كلما ابتعدنا عن المركز كانت درجات الحرارة تنخفض ولذا كانت المواد الموجودة في القرص (صخور، معادن، بخار ماء، وعدد من الغازات الثقيلة) تتحول كلما بردت من الحالة الغازية إلى الصلبة واحدة تلو الأخرى، وقد تكثفت أولى المواد التي كانت من الصخور والمعادن عند درجة حرارة بلغت 800 درجة مئوية وشكلت حبيبات تجمعت بدورها عن طريق التصادم المتتابع إلى أن عظم حجمها لتشكل فيما بعد خلال 100 مليون سنة الكواكب الصخرية (عطارد، الزهرة، الأرض، المريخ) . وكلما ابتعدنا عن الشمس، انخفضت الحرارة . إلا أن المرحلة المهمة حدثت على مسافة بلغت 800 مليون كم من الشمس حين انخفضت درجة الحرارة إلى 120 درجة مئوية تحت الصفر حيث تكثف بخار الماء ليشكل جليداً ولكن ليس عند الصفر المئوي لأنه لا يوجد غلاف جوي كما هو الحال على الأرض .

في هذه المنطقة تشكلت نواة الكواكب الغازية (المشتري، زحل) ولكن بما أن المنطقة تحتوي أيضاً على كمية كبيرة من غازي الهيدروجين الثنائي (H2) والهيليوم اللذين أبعدتهما الشمس، فإن الأنوية الجليدية ستحاط بسرعة كبيرة خلال ألف سنة على الأكثر برداء غازي ضخم بفعل الجاذبية . هذا الرداء الغازي بلغ سمكه 36 ألف كم بالنسبة للمشتري وبالطبع حدث السيناريو ذاته بالنسبة لزحل الذي احتاج بدوره كمية أقل من الغاز كي يتشكل لأن تشكل المشتري استهلك كمية كبيرة من الغاز حتى تشكل . ولكن ماذا عن كوكبي "أورانوس" و "نبتون"؟

الواقع أن بعدهما عن الشمس لم يبق لهما سوى شذرات من أنوية المذنبات، أي كتل كبيرة متبعثرة، . فهل تجمعت هذه الشذرات بالتصادم لتشكل أجساماً كبيرة تكفي كي تجذب إليها الغازات المحيطة؟ ذلك ما بقي حتى فترة طويلة بمثابة الفرضية الوحيدة عند العلماء . لكن يبدو أن هذه الفرضية كانت ضعيفة .

والمعروف أن لكل من "أورانوس" و "نبتون" كتلة تزيد بنحو خمس عشر مرة عن كتلة الأرض، ويتكون كلاهما بنسبة 90% من الجليد وكمية وافرة من الكربون . وبسبب الخصائص المميزة لكل منهما ، بقي السؤال الذي يتعلق بأصل الكوكبين من دون حل حتى يومنا هذا خاصة أن عمليات رصد النظام الشمسي الخارجي والنماذج السابقة التي تصف تشكل الكوكبين لم تكن كافية لشرح الكيفية التي أدت إلى تشكلهما في المنطقة التي يتواجدان فيها اليوم والتي تقع على مسافة بعيدة جدا عن الشمس، لأن هذه المنطقة لم تكن تحتوي على ما يكفي من اللبنات الأساسية لتشكيل اورانوس ونبتون وبالسرعة الكافية قبل تبدد السديم البدائي .

فبعد اختفاء ذلك السديم كان من المستحيل لهذين كوكبين تطوير أغلفتهما الغازية التي تحيط بهما الآن، والمعروف أيضاً أنه أينما وجدنا الهيدروجين وجدنا نظيره "الديوتريوم" ما يعني أن أي كوكب يمكن أن يميز بالنسبة بين هذين العنصرين من خلال معرفة المسافة التي تشكل عندها بالنسبة للشمس . وفي الآونة الأخيرة، ركز المرصد الفضائي "هيرشل" على تركيبة النظائر الكيميائية في جويَ "أورانوس" و "نبتون" وخصوصاً قياس نسبة "الديوتريوم" إلى الهيدروجين فهذه النسبة التي يشار إليها بالحرفين (D / H) هي أداة مستخدمة في علم الكواكب لمعرفة أصل العناصر التي شكلت النظام الشمسي، كما أن هذه النسبة النظائرية حساسة للغاية بالنسبة لدرجة حرارة السديم البدائي بمعنى أنها تكون منخفضة عند المسافات القريبة من الشمس وتتزايد على مسافات أكبر منها .

وتشير النماذج الديناميكية إلى أن "أورانوس" و "نبتون" تشكلا في المنطقة البعيدة نفسها التي توجد فيها المذنبات ، وبالتالي ينبغي أن تكون نسبة ال(D / H) عالية . لكن قياسات هيرشيل أظهرت بطريقة مستغربة أن نسبة (D / H)) في الكوكبين هي أقل بكثير من تلك التي قيست في جميع المذنبات فقد تبين أنها أقل ب 6 - 8 مرات من تلك الموجودة في المذنبات . والحقيقة أن هذه الأمر المستغرب لم يكن الوحيد بالنسبة للكوكبين بل تبين أنهما يحتويان على كمية من الكربون تزيد بعشر مرات على الكوكبين المجاورين (المشتري وزحل) .

وتشير الدراسة الجديدة إلى أن النموذج المقترح يستند إلى محاكاة رقمية مفصلة لعملية توزيع ونقل العناصر المتطايرة الأكثر وفرة في السديم الأساسي للنظام الشمسي وهي: الماء وأول أكسيد الكربون وغاز النيتروجين (H2O، CO وN2)، ويتساءل باحثون من مرصد "بيزنسون" عما جاء بغاز أول أكسيد الكربون البسيط إلى هذه المنطقة؟ الواقع أن هؤلاء قاموا بحساب المسافة عن الشمس التي تحول فيها غاز أول أكسيد الكربون من الحالة الغازية إلى الجليدية خلال فترة تشكل الكواكب في السديم البدائي .

وتبين المحاكاة وجود "قمم" في الرسم البياني تدل على وجود كثافة في المواد الصلبة في المناطق التي تصبح فيها درجة حرارة السديم منخفضة بما فيه الكفاية للسماح لعنصر غازي أن يتكثف وهو ما يسمى بخط الجليد . وتظهر النتائج أيضاً أن أورانوس ونبتون قد تشكلا عند خط الجليد لغاز أول أكسيد الكربون (CO) وهو ما يفسر سبب تشكلهما من مواد صلبة غنية بالكربون ولكنها فقيرة بالنيتروجين .

ويشير الباحثون إلى أن تراكم كميات كبيرة من أول أكسيد الكربون مع كمية صغيرة من ماء (H2O ) المذنبات هو الذي أعطى هذه القيمة المقاسة للنسبة (D / H ) في الغلاف الجوي للكوكبين أي أن أول أكسيد الكربون مثل المادة الأساسية التي تشكلت منها أنوية الكوكبين إلى أن كبرت كتلتها بشكل يزيد ب15 - 20 مرة على كتلة الأرض . وبما أن خط الجليد للنيتروجين وجد أبعد قليلاً، فقد تشكل الكوكبان بشكل طبيعي وهما فقيرين بالنيتروجين . والحقيقة أن النموذج المقترح يطرح كمية وافرة من الكربون والنيتروجين تتسق مع عمليات الرصد، وتجعلنا نستوعب سبب تشكل أورانوس ونبتون في هذه المنطقة النائية كما أن وفرة الكربون بشكل خاص تعني بالنسبة لكوكب نبتون مثلاً أنه من الممكن أن يكون مركزه قد تحول إلى عنصر الألماس . ونظراً لحالة الضغط والحرارة في أعماقه يعتقد الباحثون أن الضغط يبلغ مبلغاً يمكن أن يجعل الألماس يتواجد على حالته الصلبة والسائلة وهذا يعني إمكانية جريان أنهار، بل محيطات من الألماس وتطفو فوقها كتل ضخمة من الماس الصلب!

ويقول الباحث أوليفيه موسيس من جامعة "فرنش ذ كونتيه" الفرنسية إن هذه الفرضية تحل ألغازا ثلاثة تتعلق بأصل المادة الصلبة الوافرة التي شكلت أنوية الكوكبين بسرعة كبيرة وبأصل أول أكسيد الكربون الجليدي والكربون المشاهد في كلا الكوكبين، وأخيراً السبب الذي جعل النسبة (D / H) المقدرة للنواة لا تتوافق مع النسبة الموجودة في المذنبات وهو ان النواة مكونة من أول أكسيد لكربون وليس من جليد الماء .

وأخيرا وليس آخراً اكتشف الباحثون أيضا أن الكواكب العملاقة الشبيهة بنبتون تنتشر كثيرا في الأنظمة الشمسية الأخرى وأنها أحيانا تكون شديدة القرب من نجومها الأم وأحيانا أخرى تهاجر بعد تشكلها إلى أن تنتهي في قلب النجم نفسه ! وفي هذه الحالة ينقذف الغاز الخفيف في هكذا كوكب ويشكل ما يعرف ب "نبتون حار" أي الذي انقذف غلافه الجوي بعيدا عن نجمه الأم ولم يبق منه سوى النواة . وسائل الرصد المتوفرة حالياً لا تمكن العلماء من مشاهدة كوكب كهذا ولكن لا شك في أن الأجيال القادمة من التلسكوبات ستتمكن من رصد كواكب على غرار "نبتون الحار"