ماذا لو كان النظام الشمسي يحتوي على كوكب أرضي عملاق؟

ماذا سيحدث لو كان لدينا كوكب إضافي في نظامنا الشمسي؟ ليس في أطرافه، مثل الكوكب التاسع الافتراضي الذي يقع بعد بلوتو، بل في منتصف كوكبي المريخ والمشتري؟ سيُحدث هذا الكوكب دمارًا هائلاً في مدارات معظم الكواكب، وفقًا لبحث جديد حاكى كوكبًا عملاقًا - وهو مصطلح يُستخدم للدلالة على العوالم الأكبر كتلةً من الأرض والأخف وزنًا من الكواكب الغازية العملاقة - وسجل مصير جميع الكواكب الثمانية. تُظهر النتائج أن أصغر التغيرات في مدار كوكب المشتري، الذي يفوق كتلة جميع الكواكب الأخرى مجتمعة، لها تأثير عميق ومدمر على مدارات الكواكب الأخرى المتوازنة بدقة. قال ستيفن كين، عالم الفلك في جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد والمؤلف الوحيد للدراسة، في بيان: "يعمل كل شيء مثل تروس الساعة المعقدة. أضف المزيد من التروس إلى المزيج، وسينهار كل شيء".

لغز غياب الكوكب الأرضي العملاق في نظامنا الشمسي

لطالما اعتُبر نظامنا الشمسي نموذجًا يُحتذى به في جميع الأنظمة الكوكبية. إلا أنه خلال السنوات الخمس والعشرين الماضية، سرعان ما أصبح نظامًا شاذًا لافتقاره إلى كوكب أرض عملاق خاص به. وقد ساعدت مهمات ناسا لرصد الكواكب الخارجية، مثل كيبلر والقمر الصناعي لمسح الكواكب الخارجية العابرة (TESS)، علماء الفلك على إدراك شيوع هذه الكواكب بشكل مفاجئ في مجرة درب التبانة: ثلث الكواكب الخارجية هي كواكب أرضية عملاقة. ويعتقدون أن نظامنا الشمسي لا يحتوي على كوكب أرض عملاقة لأن كوكب المشتري كبح تكوّنه عندما هاجر بشكل كبير نحو حزام الكويكبات ثم عاد مجددًا، حيث أرسل خلال ذلك كميات كبيرة من المواد إلى الشمس. لذا، يجدون صعوبة في فهم مثل هذه العوالم الشائعة في الأنظمة الشمسية الأخرى، وذلك بسبب نقص البيانات المحلية التي من شأنها أن تساعدهم في نمذجة تركيبها وخصائصها الأخرى. وقد صرّح كين قائلًا: "كان هذا مصدر إحباط متكرر" بين مجتمع الكواكب الخارجية. "لذلك، كانت دراستي تهدف إلى الإجابة على السؤال: ماذا لو تحققت أمنيتك؟"

الكواكب الأربعة الداخلية معرضة للخطر بشكل خاص

يمكن أن تتراوح كتلة الأرض العملاقة بين ضعفين وعشرة أضعاف كتلة كوكبنا، لذلك قام كين بمحاكاة كواكب ذات كتل مختلفة ووضعها على مسافات متعددة في حزام الكويكبات الرئيسي بين المريخ والمشتري. بدأ بأرض عملاقة تبعد ضعف المسافة بين الأرض والشمس، أي وحدتين فلكيتين (AU؛ 185 مليون ميل أو 297 مليون كيلومتر)، وزاد المسافة حتى الحافة الخارجية لحزام الكويكبات، عند 4 وحدات فلكية (371 مليون ميل أو 597 مليون كيلومتر). أدى ذلك إلى آلاف عمليات المحاكاة، بدأت كل منها في الوقت الحاضر وانتهت بعد 10 ملايين سنة. كل 100 عام، سجل كين عواقب كل من الكواكب الثمانية في النظام الشمسي. أظهرت هذه النتائج أن جميع الكواكب الداخلية الأربعة - عطارد والزهرة والمريخ والأرض - معرضة للخطر بشكل خاص لتغيرات المدار؛ حيث طُردت بعض الكواكب الأربعة أو كلها من النظام الشمسي في كثير من الحالات. لم تُظهر أيٌّ من آلاف عمليات المحاكاة انفصال كوكبي المشتري أو زحل. ولكن في حالات قليلة، قذف العملاقان الغازيان كواكب أخرى، بما في ذلك كوكب الأرض العملاق المُضاف حديثًا، بالإضافة إلى أورانوس، مما تسبب في فوضى بين أقماره. قال كين: "لا أعلق آمالًا كبيرة على بقاء الأقمار في مدارات مستقرة حول الكوكب أثناء انطلاقه بسرعة خارج النظام الشمسي". عندما وُضع كوكب كتلته سبعة أضعاف كتلة الأرض، مثل غليز 163c، خلف المريخ بقليل، أظهرت المحاكاة أن مدارات الكواكب الداخلية الأربعة أصبحت غير مستقرة. أصبحت مدارات الأرض والزهرة شاذة أو بيضاوية الشكل لدرجة أنها واجهت "احتكاكات قريبة كارثية". أطلق التغيير في مداريهما طاقة انتقلت إلى عطارد، الذي طُرد بعد ذلك بوقت قصير. لم ينجُ المريخ إلا حتى منتصف الوقت، بينما شقّت الأرض والزهرة طريقهما للخروج بعد حوالي ثمانية ملايين سنة.

تستطيع الكواكب الغازية العملاقة الصمود

على عكس الكواكب الأرضية، كانت الكواكب الغازية العملاقة، وخاصةً المشتري وزحل، أقل تأثرًا بالكوكب الإضافي. كانت مداراتها غير مستقرة بعض الشيء فقط في مواقع الرنين المتوسط للحركة (MMR) - وهي مواقع محددة يكون فيها لكوكبين فترات مدارية بنسبة عدد صحيح بسيط. (على سبيل المثال، يدور جسم في موقع الرنين المتوسط للحركة (MMR) بنسبة 3:1 مع المشتري حول الشمس ثلاث مرات بالضبط لكل دورة مدارية واحدة حول المشتري). لذلك عندما وضع كين نفس الأرض العملاقة الشبيهة بكوكب غليز 163c في الأطراف الخارجية لحزام الكويكبات على بُعد 3.8 وحدة فلكية، انتهى به الأمر في موقع الرنين المتوسط للحركة (MMR) بنسبة 8:5 مع المشتري، و4:1 مع زحل. ونتيجةً لذلك، أصبحت مدارات كلا الكوكبين الغازيين أكثر بيضاوية، لدرجة أنهم أزالوا الأرض العملاقة أولًا، ثم أورانوس لاحقًا. وجدت دراسة كين أنه في هذه الحالة، حتى أدنى تغير في النظام الشمسي الخارجي أثر بشدة على الكواكب الداخلية؛ فعلى سبيل المثال، قُذف المريخ بعد أورانوس ببضعة ملايين من السنين. وصرح كين: "أكثر ما أدهشني في الدراسة هو حساسية بنية النظام الشمسي ككل لرنينات المشتري". ووفقًا للدراسة، فإن إضافة كوكب أرض عملاقة تكون أقل فوضوية إذا وُضع الكوكب قرب نهاية حزام الكويكبات، على بُعد 3 وحدات فلكية (278 مليون ميل أو 447 مليون كيلومتر). ويجادل كين بأنه في هذه الحالة، سيتفاعل الكوكب بشكل طفيف مع الكواكب العملاقة، ولن يُسبب اضطرابات تُذكر في النظام الشمسي. وفي هذه الحالة، قال ماناسفي لينجام، عالم الفلك في معهد فلوريدا للتكنولوجيا، والذي لم يشارك في الدراسة: "إن إحدى الثغرة الرئيسية التي تحتاج إلى مزيد من الاستكشاف هي استقرار النظام الشمسي على فترات زمنية أطول (مثلاً، مليار سنة)". بشكل عام، تُظهر الدراسة "أهمية كوكب المشتري لديناميكيات النظام الشمسي"، كما صرّح كين، "وأن حتى التغييرات الصغيرة نسبيًا يمكن أن تُحدث فرقًا هائلاً في استقرار نظامنا". قد تكون الكواكب العملاقة الشبيهة بالمشتري شائعة في معظم الأنظمة الشمسية، لأن الكواكب العملاقة مثل المشتري نادرة الحدوث: فعشرة بالمائة فقط من النجوم الشبيهة بالشمس تستضيف كواكب عملاقة على مسافات من الشمس مثل كوكبنا، وينخفض العدد أكثر في النجوم الأقدم.