لماذا لا تحتوي الأقمار في النظام الشمسي على حلقات؟

لدينا العديد من الأقمار الغريبة في النظام الشمسي. لدينا أقمار ساخنة وأقمار باردة. هناك قمر ذو سائل والعديد من الأقمار المغبرة. أحد الكواكب لديه قمر الجوز، وآخر لديه أقمار البطاطس. ولكن من بين ما يقرب من 300 قمر تم اكتشافها حتى الآن، لا يوجد قمر واحد ذو حلقات. وهذا، في الواقع، أمر غريب. من بين الكواكب الثمانية في النظام الشمسي، نصفها له حلقات من الغبار والجليد تدور حول خط استوائها. يُعتقد أن المريخ كان له حلقة في وقت ما. بعض الكواكب القزمة لها حلقات (مع أن علماء الفلك لا يستطيعون أحيانًا معرفة كيفية ذلك). حتى بعض الكويكبات لها حلقات.

علماء الفيزياء الفلكية والبحث عن أقمار كرونومون

أثناء دراسة مفهوم الأقمار ذات الحلقات خارج النظام الشمسي - المعروفة باسم أقمار كرونومون - بدأ هذا السؤال يقلق عالم الفيزياء الفلكية ماريو سوسيركويا وزملائه من جامعة أدولفو إيبانيز في تشيلي. إذا كانت الكواكب العملاقة في نظامنا الشمسي تحتوي على حلقات، وإذا كانت القنطورات (الكويكبات التي تقع خلف مدار المشتري) والأجرام السماوية العابرة لنبتون تحتوي عليها أيضًا، فلماذا لا تحتوي أقمار النظام الشمسي على حلقات؟ أوضح سوسيركويا: "بدا هذا الغياب غير منطقي نظرًا لانتشار الحلقات في أماكن أخرى، لذلك أردنا استكشاف ما إذا كانت هناك أسباب ديناميكية كامنة تمنع تكوين الحلقات أو الاستقرار طويل الأمد حول الأقمار". لم نرصد قمرًا خارج النظام الشمسي بعد، لكن سوسيركويا وزملاؤه افترضوا في عام ٢٠٢١ أنه إذا كان هناك قمر ذو نظام حلقات كبير بما يكفي، فمن المحتمل أن يحجب ما يكفي من ضوء النجوم ليظهر نفسه. لكنهم أدركوا بعد ذلك أننا لم نرَ قمرًا بحلقات قط، مما يفتح الباب أمام احتمالية حقيقية جدًا لاستحالة وجوده.

المحاكاة: لمحة عن ديناميكيات الحلقات

حسنًا، عندما تكون عالم فلك، ولديك سؤال وأدوات محاكاة في متناول يدك، فليس أمامك سوى أمر واحد: أن تصنع نماذج صغيرة للأنظمة الكونية، وتدرس ما يحدث عند تحريكها. هناك وفرة من المواد الخام التي يمكن أن تتشكل منها الحلقات حول أقمار مختلفة في النظام الشمسي. بعضها مغطى بالفوهات؛ ويمكن للغبار المنبعث أثناء الاصطدام أن يشكل حلقة. بينما يقذف بعضها الآخر بخارًا أو غازًا. لذا، لا مشكلة. وتوقع الباحثون أن يكون تأثير جاذبية القمر وكوكبه المضيف، وربما أقمار أخرى، قويًا جدًا بحيث لا يمكن للحلقات أن تستقر، لذا صمم الباحثون وأجروا اختبارات باستخدام محاكاة الأجسام N. على سبيل المثال، يُطلق إنسيلادوس، أحد أقمار زحل، ذو النشاط الجيولوجي الكبير، بخار الماء وجزيئات الجليد والغازات من السخانات في منطقته القطبية الجنوبية. وبدلًا من تكوين حلقة حول القمر، تنتقل هذه المواد إلى مدار الكوكب نتيجةً لتفاعلات مكثفة مع الأقمار المجاورة، مُغذّيةً حلقة زحل "هـ"، كما أوضح سوسيركويا. "بمعنى آخر، بينما تُنتج الأقمار جزءًا من المادة الخام للحلقات، تضمن البيئة المحيطة احتفاظ الكوكب الأكبر حجمًا بها، مما يمنع تكوين حلقات حول الأقمار نفسها."

الماضي العجيب ومستقبل حلقات القمر

حتى الآن، أحصت ناسا 293 قمرًا تدور حول كواكب في نظامنا الشمسي، معظمها تابع لكوكبي المشتري وزحل. هناك أيضًا أقمار تدور حول كواكب قزمة، وحتى كويكبات. صمم سوسيركويا وفريقه عمليات المحاكاة لمحاكاة الأقمار التي يمكن العثور عليها حول أجرام النظام الشمسي، من الأرض بقمرها الوحيد إلى أقمار المشتري وزحل الأكبر، على مدى مليون عام من التطور. أرادوا دراسة استقرار هذه الأجرام، وبيئتها الجاذبية، وأنظمة الحلقات المحتملة، وكيفية تغيرها بمرور الوقت. إلا أن النتائج لم تكن على الإطلاق ما توقعه الباحثون. يقول سوسيركويا: "توقعت في البداية أن تكون الحلقات غير مستقرة تمامًا، وهو ما كان سيجيب على السؤال مباشرةً. ومع ذلك، وعلى عكس توقعاتنا، وجدنا أن هذه الهياكل كانت مستقرة تمامًا في كثير من الحالات". في الواقع، سبق أن أثبتنا في ورقة بحثية سابقة أن الأقمار المعزولة يمكن أن تمتلك حلقات مستقرة، لكننا لم نتوقع أن الأقمار في بيئة جاذبية معادية، مع وجود العديد من الأقمار والكواكب الأخرى التي تُعكّر صفو حلقاتها، ستظل محافظة على استقرارها. وجاءت المفاجأة الإضافية عندما أدركنا أن هذه البيئات المعادية، بدلاً من تدمير الحلقات، منحتها جمالاً رائعاً من خلال تكوين هياكل مثل الفجوات والأمواج، مشابهة لتلك التي لوحظت في حلقات زحل. توجد بعض السمات على أقمار النظام الشمسي تشير إلى وجود حلقات في الماضي. تدعم عمليات المحاكاة افتراضات مفادها أن الحطام الذي عُثر عليه يدور حول قمر زحل، ريا، قد يكون آخر بقايا ما كان يُعرف سابقًا بنظام حلقات كامل. كما أن قمر زحل، إيابيتوس، لديه حافة استوائية قد تكون بقايا حلقة سقطت على القمر، تمامًا كما تتساقط حلقات زحل ببطء على الكوكب الغازي العملاق. تشير هذه النتائج إلى أن سبب عدم رؤيتنا لحلقات القمر في النظام الشمسي هو أننا ببساطة لم نكن في المكان والزمان المناسبين. يقول الباحثون إن ضغط الإشعاع الشمسي، والمجالات المغناطيسية، والتسخين الداخلي، وبلازما الغلاف المغناطيسي، كلها عوامل ساهمت في فقدان أي حلقات قمرية كانت موجودة سابقًا. يقول سوسيركويا: "أعتقد أننا ربما كنا غير محظوظين إلى حد ما في هذا الصدد، حيث بدأنا برصد الكون خلال فترة اختفت فيها هذه الهياكل. بعد إجراء هذه الدراسة، أنا مقتنع بأن هذه الحلقات ربما كانت موجودة في الماضي". هذا أمر محبط نوعًا ما، ولكنه معقول جدًا. تشير الدراسات إلى أن السبب الوحيد لرؤيتنا لحلقات زحل هو وجودنا في المكان والزمان المناسبين. لا نرى الكسوف إلا للسبب نفسه؛ فالقمر يبتعد عن الأرض، ومع مرور الوقت سيكون بعيدًا جدًا بحيث لا يحجب الشمس تمامًا.