التصادمات العملاقة تكشف سر احتفاظ الكواكب بأغلفتها الجوية
تغير دراسة جديدة فهمنا للتصادمات العملاقة بين الكواكب الصخرية فقد تساعد في احتفاظها بأغلفتها الجوية بدلاً من فقدانها. هذا يفسر اختلاف أغلفة الكواكب مثل الأرض الفائقة والنبتون الأصغر ويكشف أسرار تكوين الكواكب عبر وورلد برس عربي.
قد لا تكون التصادمات العملاقة التي شكّلت الكواكب الصخرية عاملاً يجرّدها من أغلفتها الجوية الأولى كما ساد الاعتقاد عقوداً، بل قد تساعدها على الاحتفاظ بها. هذا ما تخلص إليه دراسة نُشرت في مجلة Nature Astronomy، وتقدّم تفسيراً محتملاً لسؤال يشغل علماء الكواكب خارج المجموعة الشمسية: لماذا تحتفظ بعض الكواكب بأغلفة غازية كثيفة بينما تفقدها كواكب أخرى؟
الدراسة بعنوان «احتفاظ الأغلفة الجوية الأولية عبر التصادمات العملاقة» (Retention of primordial atmospheres through giant impacts)، وكتبها Darius Modirrousta-Galian وJun Korenaga. كان Modirrousta-Galian باحثاً بعد الدكتوراه في جامعة Yale، وهو اليوم في جامعة Shanghai Jiao Tong. أما Korenaga فأستاذ علوم الأرض والكواكب في كلية الآداب والعلوم بجامعة Yale. وكان الباحثان قد نشرا عدة أوراق عن تطوّر البنية الداخلية للكواكب وأغلفتها الجوية معاً. ويمكن الاطلاع على الدراسة المنشورة في Nature Astronomy.
لماذا افترض العلماء أن التصادمات تُفقد الكواكب غلافها الجوي؟
تكوّنت الأرض قبل نحو 4.5 مليار سنة في المجموعة الشمسية الفتية، حين اصطدمت كويكبات صخرية أولية (planetesimals) ببعضها واندمجت معها. وكانت التصادمات العملاقة شائعة في المراحل المتأخرة من تكوّنها، أي بعد أن تلاشى القرص الكوكبي الأولي إلى حدّ بعيد واكتمل تراكم الغلاف الجوي. وأطلقت هذه التصادمات حرارة هائلة يمكن أن تدفع الغلاف الجوي إلى الهروب.
لذلك كان التوقع التقليدي أن حرارة هذه التصادمات تطرد الأغلفة الأولية من الهيدروجين والهيليوم، وتساءل العلماء كيف تستطيع الكواكب الفتية الاحتفاظ بأغلفتها قرب نهاية التراكم. وتتناول الدراسة تراكم الكواكب الصخرية في تلك المرحلة تحديداً، حين كانت كويكبات أخرى قد كبرت بدورها، فأطلق اصطدامها بكواكب مثل الأرض طاقة ضخمة.
يقول Korenaga، المشارك في الدراسة: «التصادمات العملاقة جزء أساسي من كيفية نمو الكواكب الصخرية». ويضيف: «يُتوقع أن تتكوّن الكواكب بحجم الأرض أو أكبر عبر تصادمات بين أجرام كوكبية أصغر. وتضيف هذه التصادمات كتلة وتُطلق كميات هائلة من الحرارة يمكن أن تدفع الغلاف الجوي إلى الهروب. ويعتمد أثرها في الغلاف الجوي على كيفية تضافر هذين التغيّرين».
ماذا يحدث للحرارة والكتلة عند الاصطدام؟
يحدد الباحثون في كل تصادم مكوّنين: الحرارة والكتلة. تنقسم حرارة التصادم إلى جزء يُدفع إلى أعماق الكوكب بعيداً عن غلافه الجوي، وجزء يسخّن الوشاح (mantle)، وهو الطبقة الصخرية بين القشرة واللب، وهذا الجزء هو الذي يمكن أن يدفع الغلاف الجوي إلى الهروب. أما كتلة الكويكب المتراكمة فتزيد قدرة الكوكب على الإمساك بغلافه الجوي، أي ترفع طاقة الارتباط الجاذبي (gravitational binding energy).
ويفسّر المؤلفان الفرق بين الأثرين بقولهما: «في حين أن الكتلة المتراكمة كلها تسهم في زيادة طاقة الارتباط الجاذبي، فإن جزءاً فقط من طاقة التصادم يرفع درجة حرارة الوشاح». ويضيفان سببين لذلك. فانصهار الوشاح يستهلك طاقة على هيئة حرارة كامنة (latent heat). كما أن لبّ الجسم المصطدم المعدني ينقل قدراً ضئيلاً من الطاقة إلى الوشاح، ويبقى شديد السخونة في العمق.
وخلاصة ذلك، بحسب المؤلفين: «ومن ثمّ تزيد التصادمات العملاقة طاقة الارتباط الجاذبي أكثر مما تزيد الطاقة الحرارية للوشاح، فتدفع الكواكب نحو الاحتفاظ بأغلفتها الجوية». ويرى Korenaga أن هذا «يقلب الرأي التقليدي الذي ساد عقوداً، وهو أن التصادمات العملاقة تؤدي في الغالب إلى فقدان كامل للغلاف الجوي، ويُظهر بدلاً من ذلك أن هذه التصادمات قد تؤدي دوراً حاسماً في تكوّن كواكب النبتون الأصغر (sub-Neptunes)».
هل يفسّر ذلك الفرق بين الأرض الفائقة والنبتون الأصغر؟
كان علماء الفلك يتوقعون أن تشبه المجموعات الكوكبية الأخرى مجموعتنا الشمسية: كواكب صخرية في الداخل، ثم عمالقة غازية أبعد، ثم عمالقة جليدية في الأطراف. لكن اكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية أربك هذا التوقع. وأكثر الأنواع المرصودة شيوعاً ممّا يرد في الدراسة هما الأرض الفائقة (super-Earth) والنبتون الأصغر، ولا يوجد نظير لأيٍّ منهما في مجموعتنا.
يعتقد الفلكيون أن النوعين قد يبدآن بلبّ صخري، ثم تتباين أغلفتهما الجوية. فقد فقدت الأراضي الفائقة أغلفتها، بينما احتفظت كواكب النبتون الأصغر بقدر أكبر من الغلاف الأولي. وقد يكتسب النبتون الأصغر غلافاً ممتداً منتفخاً إذا احتفظ ببضعة في المئة من غلافه الهيدروجيني الهيليومي، وهذا الغلاف قد يزيد نصف قطر الكوكب زيادة كبيرة.
يقول Modirrousta-Galian: «لماذا تنتج الطبيعة النوعين بهذه الوفرة لغزٌ جوهري في علم الكواكب خارج المجموعة الشمسية». ويضيف: «انطلقنا للبحث عن تفسير».
يقترح الباحثون أن تصادمات أكبر كتلة قد تنمّي كواكب النبتون الأصغر، فتضيف إليها كتلة تعينها على الاحتفاظ بأغلفة أكبر. أما الأراضي الفائقة، فيقولون إنها لم تتعرض لتلك التصادمات الضخمة نفسها ولم تكتسب كتلة كافية للاحتفاظ بغلاف مماثل، وإنها فقدت أغلفتها بفعل الإشعاع النجمي. ويكتب المؤلفان: «تنشأ الكواكب الأكبر الحاملة لأغلفة جوية بصورة مفضّلة عبر النمو بالتصادم». ويتابعان: «في المقابل، تميل الكواكب الأصغر التي لم تشهد مثل هذه التصادمات إلى فقدان أغلفتها الأولية تحت الإشعاع النجمي المتواصل. وعلى مستوى المجموعة السكانية، تشير هذه النتائج إلى أن كواكب النبتون الأصغر تملك في المتوسط أجزاء داخلية صخرية أكبر كتلة من الأراضي الفائقة».
وما صلة ذلك بصلاحية العوالم للحياة؟
تبقى هنا حدود واضحة: الأغلفة الأولية من الهيدروجين والهيليوم لا تصنع صلاحية الحياة بذاتها. غير أن بعض الأبحاث يشير إلى أنها ضرورية لنشوء عوالم تصبح صالحة للحياة في نهاية المطاف. فتفاعلات هذه الأغلفة مع محيطات الصهارة (magma oceans) على الكواكب الصخرية الفتية ربما وفّرت كميات كبيرة من مياه الأرض. وقد تكون التفاعلات نفسها مصدراً للمياه في عوالم صخرية أخرى.
وبهذا يتجاوز سؤال الدراسة تفسير تنوّع الكواكب البعيدة إلى سؤال أقرب إلينا: إن كانت التصادمات العملاقة تُبقي على الأغلفة الأولية بدل أن تمحوها، فقد يكون لها دور في مسار نشأة الماء على كواكب مثل الأرض.
أخبار ذات صلة
كوكب المريخ ليس ميتاً: النشاط البركاني الحديث يكشف عن مجرد سبات جيولوجي
أرض افتراضية بلا حياة ستساعد العلماء في البحث عن الحياة خارج المجموعة الشمسية
طلاب يختبرون منصة هبوط تجريبية لتأمين العمليات على سطح القمر
