حلقه‌های سیاره‌ای

زحل تنها سیاره‌ای بود که تا سال ۱۹۷۹ گمان برده می‌شد چند حلقه‌ای داشته باشد. در حقیقت مردم در هر کجای دنیا براحتی می‌توانستند حلقه‌های رویت ‌پذیر زحل را تشخیص دهند.

حلقه‌های زحل:

گالیله کسی است که مبداء تاریخ استفاده از تلسکوپ برای مطالعه‌ی سیارات را در سال ۱۶۱۰ بنیان نهاد و خود اولین فردی بود که موفق به رصد حلقه‌های شگفت‌انگیز زحل شد. در ابتدا او گمان می‌برد دو حلقه‌ی کوچکتر حلقه‌ی مرکزی سیاره را احاطه کرده‌اند و در سمتی که اقمار قرار داشتند با آن در تماس بودند. اما دو سال بعد آنگاه که دوباره به زحل نگریست اعلام کرد که هر دو حلقه‌ی کوچک زحل ناپدید شده‌اند. این مسأ له زمانی عمیق‌تر شد که او دوباره در سال ۱۶۱۶ اظهار داشت زحل بوسیله ی یک شیءٍ هلالی احاطه شده است. او آن را ansae نامید که در لاتین به معنای دستگیره است. بعدها یک اختر‌شناس هلندی به نام کریستسن هویگنز که یک سال قبل، تیتان بزرگترین قمر زحل را کشف کرده بود، بالاخره راز آن شیئ طبیعی  را نیز حل نمود. در سال ۱۶۵۶ او اطلاع داد  در سراسر مسیر مدار تیتان ظاهر حلقه‌ها هیچ تغیری نکرده و در نتیجه دریافت که آن باید یک حلقه عریض، نازک و پیوسته باشد. در سال ۱۶۷۵ رصدها بوسیله‌ی جین دومینیک کاسینی از سر گرفته شد و معلوم شد یک خط نازک و تاریک‌تر حلقه را به دو حلقه‌ی خارجی جدا از هم تقسیم کرده‌است. یک حلقه‌ی خارجی بنام A و حلقه‌ی داخلی بنام B. بعدها رصدها دقیق‌تر شدند و آشکار شد که آنها هم خود به زیر مجموعه‌های بسیار دیگری تقسیم شده‌اند. به افتخار این دو اخترشناس فضاپیمایی که به سوی زحل رهسپار شد به نام آن دو نامگذاری گردید و اکنون در حال ارسال اطلاعاتی مفید از زحل و اقمار آن است.

کاسینی به کاوش در اطراف زحل می‌پردازد و کاوشگر هویگنز کاوش در سطح قمر تیتان را به انجام رساند.

طبیعت فیزیکی حلقه‌های زحل:

ده‌ها سال پس از اینکه حلقه‌های زحل بوسیله‌ی گالیله رصد شد، طبیعت حلقه‌ها یکی از موضوعات مورد بحث در محافل نجومی گردید. برخی اظهار می‌کردند که درآن‌ها صفحاتی جامد از مواد هستند  در حالیکه دیگران گمان می‌بردند آنها متشکل از میلیون‌ها ذرات کوچکی هستند که هر یک شبیه به اقماری فرضی به گرد زحل حلقه زده‌ و در حرکتند. رقبای نظریه‌ی صفحات جامد این چنین دلیل می‌آورند که فعالیت نیروهای کشندی بر روی یک حلقه‌ی جامد باید بسیار قوی باشد تا اینکه بتواند طی مدتی کوتاه حلقه را جدا جدا کند مگر اینکه به احتمال بعید حلقه از مقداری مواد بسیار قوی که در زمین ناشناخته هستند، ساخته شده باشد.

طرفداران نظریه‌ی حلقه جامد پیشنهاد کردند که در واقع حلقه از نوار- حلقه‌های بسیار باریک ساخته شده‌اند در این صورت نیروهای کشندی برای اینکه فشار کافی جهت جداسازی حلقه ایجاد کنند بسیار کوچک خواهند بود.

در سال ۱۶۷۵ رصدها ، خطی بسیار نازک و تاریک را در میان آن حلقه آشکار کردند که آن را به دو حلقه‌ی جدا از هم به‌نام‌های حلقه‌ی بیرونی A و حلقه‌ی درونی B تقسیم می‌کرد.

در اواسط سال ۱۸۵۰ اخترشناسان حلقه‌ای کوچک و جدید را در میان حلقه یB آشکار کردند که اکنون به‌نام حلقه‌ی C شناخته می‌شود و در واقع همانی بود که از میان صفحه‌ی زحل کمی نمایان بود. این بطور جدی اشاره می کرد که حداقل این حلقه جامد نیست. ماهیت طبیعی حلقه‌های زحل بالاخره در سال ۱۸۵۷ معین شد. فیزیکدان اسکاتلندی یعنی جیمز کلارک ماکسول که بعدها نظریه‌ی میدان مغناطیسی را ارائه کرد با استفاده از فیزیک نیوتونی نشان داد که حلقه‌های جامد با ماهیتی به این باریکی هرگز نمی توانند پایدار باقی بمانند.

فضاپیمای پایونیر ۱۱ اولین نگاه اجمالی انسان را برای دید ترکیبی از حلقه‌های زحل با پرواز به سوی آن در سال ۱۹۷۹ فراهم کرد و سپس فضاپیماهای ویجر ۱ و ۲ نیز در دهه ۸۰ به زحل فرستاده شدند. تصاویری که آنها به زمین ارسال دادندحاکی از این بود که هر سه حلقه به تعداد بسیار زیادی از حلقه‌های باریکتر تقسیم شده‌اند و همه‌ی آنها از خرده ذراتی ساخته شده‌اند که اندازه آنها از یک دانه شن گرفته بود تا آجرها و سنگهای ساختمانی میباشند. همچنین موقعی که هر یک از فضاپیماها از پشت زحل عبور می کرد، فرصت مناسبی بود تا با استفاده از میزان تضعیف سیگنالهای رادیویی آنها، چگالی حلقه‌ها تعیین گردد. از طریق قیاس و هم‌سنجی اطلاعات فروسرخی، مرئی و فرابنفش ترکیبات مواد موجود در حلقه ها تأیید شد . وجود مقدار زیادی مخلوط یخ آب بهمراه مقادیر ناچیزی آهن و گوگرد که بی‌ثباتی در رنگ زرد مایل به قهوه‌ای در حلقه‌ها را در پی دارند کاملاً تأیید شد. ویجر ۱ در طی پرواز خود پیرامون زحل، تصاویری از مقداری مواد تاریک در طول بالایی حلقه‌ی B گرفت که قسمت فوقانی حلقه را همچون چرخ پره های موجود در یک چرخ به چند قسمت جدا کرده بود. عقیده بر این بود که آنها دانه‌های غباری هستند که از حلقه‌ها بیرون آمده‌اند و بوسیله‌ی ضربه‌های ناشی از شهاب‌سنگها باردار می شوند و به سبب وجود ترکیبی از عوامل گرانشی و مغناطیس موقتاً بالای حلقه‌ها معلق می‌مانند. گمان می‌شود خاستگاه حلقه‌های زحل از سرگردانی شی یا اشیاء و شاید هم قمری اززحل منشاء گرفته است؛ که صد میلیون سال پیش بسیار به سیاره نزدیک شده و به تدریج به چند تکه، تقسیم گردیده است. پس قطعات با هم برخورد کرده‌اند و در برابر یکدیگر سائیده شده و در نتیجه هر یک به قطعات کوچک و کوچکتر تقسیم شده‌اند و سرانجام همه‌ی آنها خود در نواری عریض توزیع گشته‌اند. فضاهای خالی در میان حلقه‌ها نیز بوسیله ی اقماری که بنام اقمار چوپان هستند ایجاد شده‌اند که در بیرون و درون حلقه‌ها جای دارند. یکی از اقمار زحل، میماس پدید‌آورنده‌ی فضایی خالی و نسبتاً عریض در میان دو حلقه‌ی A و B شده است. کاوش منظم زحل با سفر فضاپیمای کاسینی از ۱ جولای ۲۰۰۴ دنبال شده است و انتظار می رود اطلاعات ارزنده‌ای را پیرامون سیاره، حلقه‌ها و اقمار آن و نیز سؤالات سر به مهر زحل فراهم آورد.

حلقه‌های پیرامون دیگر سیارات:

از میان چهار سیاره‌ی خارجی‌تر منظومه شمسی به غیر از پلوتو، تنها زحل از گذشته‌های دور بطور تزئین شده با حلقه‌هایی دیده شده بود. اگر چه یکی از حلقه‌هایی که اخترشناسان را به هیجان و امیدواری وا می‌دارد حاصل رویارویی با رصدی شانسی است که آنها را به کشف غیرمترقبه‌ای در آسمان راهنمایی کرد. داستان کشف حلقه‌های اورانوسی و رمز و راز کمان‌های حلقه‌ای نپتون دو نمونه هستند یکی در شب دهم مارس ۱۹۷۷ است زمانیکه اخترشناسی امریکایی بنام جیمز الیوت از MIT در حال تلاش برای اندازه‌گیری چگالی جو سیاره‌ی اورانوس بود البته به کمک عملی بنام رصد استتار و یا همان اختفا و به کمک تلسکوپ فروسرخی واقع در رصد‌خانه‌ی ایربرن کوئیپر ناسا. الیوت به هنگام رد شدن ستاره از لبۀ اورانوس مشاهده کرد که ستاره چندین بار چشمک زد تا اینکه به پشت سیاره رفت و سپس از سوی دیگر اورانوس بیرون آمد. این باعث شد او این چنین استنباط کند که تنها در صورتی چنین اتفاق می افتد که اورانوس متناسب با همان تعداد سوسوزدن‌های ستاره بوسیله‌ی حلقه‌هایی احاطه شده باشد. در ژانویه‌ی ۱۹۸۶ ویجر ۲ که در حال عبور از کنار اورانوس بود استنتاج را تأیید کرد و تصاویری نیز از حلقه‌ها به زمین ارسال نمود.

خواستگاه و طبیعت فیزیکی حلقه‌های مشتری:

سیستم حلقه‌ای مشتری برای نخستین بار در سال ۱۹۷۹ با سفر دو فضاپیمای ویجر ۱ و ۲ به نزدیکی سیاره کشف شد. علت دیده نشدن حلقه‌های مشتری تا آن زمان از زمین حال چه با رصدهای تلسکوپی (مانند حلقه‌های زحل) یا با اختفا ( همچون حلقه‌های اورانوس) این بود که حلقه‌های مشتری غباری و در عین حال بسیار نازک ، ظریف و باریک هستند و نمی توانند براحتی نور خورشید را بازتاب کنند و نیز بوسیله‌ی رصدها هم آشکار نمی شدند و یا نور ستارگانی را که از میان آنها می‌گذشت، جذب نمی‌کردند. اولین نگاه ویجر به سیستم حلقه‌ای مشتری آشکار کرد که آن متشکل از حلقه‌ای خارجی و مسطح و نازک است که حلقه‌ی اصلی نامیده می‌شود و حلقه‌ای درونی و نسبتاً ضخیم‌تر که به سبب ساختار ابرگونه‌اش هاله نامیده شد.

یک سری از تصاویری که کاوشگر گالیله( که تا دسامبر سال ۱۹۹۵ هم در حال گردش به دور مشتری بود) تهیه کرده بود حلقه‌ی سومی را هم که در خارج از حلقه‌ی اصلی بود آشکار کرد که به دلیل شفافیتش بند شیطان نام گرفت. این حلقه از دو حلقه‌ی جاسازی شده در کنار هم تشکیل می‌شود. اطلاعاتی که بوسیله‌ی فضاپیمای گالیله جمع‌آوری شد آشکار کرد که بر خلاف قطعات بزرگ یخی که سازنده‌ی حلقه‌های زحل هستند حلقه‌های مشتری از ذرات غبار مانند و لطیفی ساخته شده است. وجود آن‌ها وابسته به جاذبه‌ی گرانشی فوق‌العاده زیاد سیاره مشتری است که شبیه به یک جاروب کننده‌ی عظیم تعداد بیشماری غبار و ذرات میان سیاره‌ای و دنباله‌داری را مکیده و آنها را در مسیر خورد قرار داده است. آنگاه که به نزدیکی سطح مشتری می‌آیند اغلب به سطح چهار قمر داخلی مشتری – متیس، آدراستیا، آمالتیا و تِبه – برخورد می کنند .

سرعت این برخوردها صدها تا هزاران مایل بر ساعت برآورده شده است، و در اثر آنها مواد سطحی قمر مورد نظر به غبار رقیق و ظریف تبدیل می شود که فوراً هزاران مایل به بالای سطح قمر پرتاب می‌گردند. یک قمر طبیعی بزرگ چون ماه ما باید جاذبه‌ی کافی برای کشیدن ذرات غبار بسوی سطح خود را داشته باشد اما این چهار قمر کوچک که البته بزرگترین آنها آمالتیا با شعاع ۸۶ کیلومتر است (۴۰/۱ ماه )، بسیار کوچکتر از آن هستند که ذرات غباری خود را بازیابند. بنابراین ذرات غبار به داخل مداری به گرد مشتری خواهند رفت و همچون قمری که آن شکل گرفته‌اند به دور سیاره می چرخند و بزودی در پیکربندی مسطح بصورت حلقه‌ای در مجاورت همان قمر مستقر می‌شوند. تصاویر جدید از فضاپیمای گالیله به وضوح هاله و حلقه‌ی اصلی را نشان می‌دهد که در مجاورت آدراستیا و متیس شکل گرفته‌اند حال آنکه آمالتیا حلقه‌های بند شیطان را دو نیم کرده و تبه در مرز خارجی آن واقع شده است. از تصاویر متوالی هم که بوسیله‌ی گالیله تهیه شد ذرات غباری از حلقه‌های بند شیطان براحتی می توانند دیده شوند که بسوی آمالتیا و تبه می آیند. به گفته‌ی دانشمندان برنامه‌ریز فضاپیمای گالیله، ساختار حلقه‌ی بند شیطان کاملاً غیر منتظره بود و یکی از علمی‌ترین اکتشافات در کل پژوهشهای تصویری گالیله به محسوب می شود.

کمان‌های حلقه‌ای اغفال کننده نپتون:

خیلی پیش از رویارویی ویجر ۲ با نپتون در آگوست سال ۱۹۸۹ چند رصد خیلی پیچیده از زمین دانشمندان را راهنمایی کرد که این سیاره بوسیله‌ی ده‌ها کمان حلقه‌ای – حلقه‌های تکه تکه به جای حلقه‌های پیوسته – احاطه شده است.  داستان رمز کمان‌های حلقه‌ای و اتصال‌ کننده‌ی نپتون از ۱۹۸۱ آغاز شد آنزمان که مدار نپتون سیاره را در میان ۳ ستاره قرار داد. در یک موردنوریکی از ستارگان بوسیله‌ی جرم مبرحمی تضعیف شد که به نظر می رسید ۱۷۶ کیلومتر قطر داشته و بطور قطع مداری به گرد نپتون داشت. این تضعیف یا انسداد نور اختفا نامیده می‌شود. از آنجایی که این اتفاق در طرف دیگر سیاره رخ نداد نشانه آنبود که آنچه به گرد سیاره است حلقه‌های یک‌دست و پیوسته نیست. این اختفا ناشی از قمر اسرارآمیز نپتون بود بطوریکه موقت ۱ N 1981 نامیده شد. اسرارآمیز آن بودکه این جرم به جای اینکه نور ستاره را همچون جسمی جامد کاملاً مسدود کند تنها نور آن را تضعیف نمود.

دوباره در طی تابستان سال ۱۹۸۳، ۱۹۸۴، ۱۹۸۵ اختفای ستاره‌ای مشابهی از سوی نپتون رصد شد. هر بار تنها در یک طرف سیاره.  به تدریج دانشمندان باور کردند که دلیل اینکه نور ستاره بجای قطع شدن تنها تضعیف می‌شود چنین است که این جرم قطعه‌ی جامدی از ماده نیست اما از تجمع تعداد بسیاری جرم کوچک بصورت حلقه‌ای به گرد سیاره پدید آمده است. و از آن جایی که این پدیده در طرف دیگر سیاره تکرار نشود حلقه‌ها غیر پیوسته و متصل هستند همچون یک کمان یا قوس. این یک کمان حلقه ای نامیده می‌شود. تا زمانیکه ویجر ۲ به نپتون رسید بیش از ۵۰ اختفای ستاره‌ای مسابه ناشی از نپتون رصد شد. این دانشمندان را به این نتیجه رساند که ده‌ها کمان حلقه‌ای از  ۱۰۰ کیلومتر گرفته تا ۱۰۰۰ کیلومتر باید در مداری پیرامون نپتون موازی با استوای سیاره وجود داشته باشند که ساخت آنها از موادی جامد و بسیار تاریک است که بازتابی آنهابه اندازه‌ی زغال چوب میباشد. امکان وجود کمان‌های حلقه‌ای فریب دهنده بود زیرا پخش‌شدن ۳۶۰ درجه‌ای خوشه‌ای ا زمواد حلقه‌ای با عرض ۱۶ کیلومتری تنها ۳ سال به طول می‌انجامد. چنین اتفاقی به این دلیل رخ می‌دهد که مواد موجود درون خوشه از مواد خارجی آن سریعتر سیر می‌کنند و سرانجام می‌توانند دایره‌ی کامل اما بسیار باریکی از ماده را در گرد سیاره ایجاد کنند.

تعدادی مختصر از کمانهای حلقه‌ای خیلی جوان هستند. یکی از مکانیزم‌هایی که می توانند در ازای عمر آن را توضیح دهد وجود قمری در آن نواحی است که طنین گرانشی آن اختلالی برای محبوس کردن ماده چه در طول و چه در عرض برای شکل‌گیری یک کمان حلقه‌ای ایجاد می کند اگر چه این قمر ۱۸۰ کیلومتر قطر داشته باشد و محورش نسبت به آن کمان‌ها کج و مایل باشد.

همانطور که ویجر به نپتون نزدیک می شد اخترشناسان برای دیدن آنچه دوربینهای ویجر امکان داشت که از اقمار و یا کمان‌های حلقه‌‌ای ببینند شبانه روز مراقب بودند. ویجر ۲ ، ۶۴ روز قبل از نزدیک‌‌‌‌ترین ملاقات با نپتون، قمری با ۳۰۰ کیاومتر پهنا و با ۱۱۴۰۰۰ کیاومتر فاصله را یافت اما هیچ کمان حلقه‌ای رصد نشد. ۳۴ روز بعد سه قمر دیگر  به انضمام ۱ N 1981 نیز کشف شد اما هنوز هیچ کمان حلقه‌ای آشکار نشده بود. شور و هیجان در ۱۱ آگوست ۱۹۸۹ به اوج خود رسید زمانیکه کاوشگرتنها دو هفته و ۱۹ میلیون کیاومتر با نپتون فاصله دتشت و با سرعت ۱۸ کیاومتر بر ثانیه در حال سیر بود چندین کمان حلقه‌ای که سالی از دید اخترشناسان پنهان مانده بودند برای نخستین بار در میدان دید دوربینهای آن ظاهر شدند. این دو هفته فرخنده‌ترین و پر سودترین زمان برای اخترشناسان بود که یکی یکی ۷ قمر و همه‌ی سیستم کمان‌های حلقه‌ای نپتون کشف و بوسیله‌ی دوربین‌های ویجر ۲ عکاسی شد. به عنوان امتیازی اضافه یکی از اختفاها‌ی ناشی از کمانی بوسیله‌ی دو ابزار موجود در ویجر ۲ مطابق با دقت رصدهای قبلی از زمین ثبت شد.

——————————————————————————————————————-

ابراهیم ویکتوری کارشناس اسبق ناسا است. و در حال حاظر مشغول فعالیت های ترویجی نجوم است. با سپاس از ایشان برای در اختیار قرار دادن مقاله  حلقه‌های سیاره‌ای   و سپاس از آقای محمد سلطانی برای ترجمه مقاله ایشان