عوالم مرصعة بالجواهر
عوالم مرصعة بالجواهر(*)
لو لم يكن كوكب زحل والكواكب العملاقة الأخرى محاطة بحلقات،
لكان عالمنا ضعيفا جدا. ويقوم علماء الكواكب بدراسة الكيفية
التي تمكنت بها الثقالة من نحت هذه الحُلي الأنيقة.
<A .J. بيرنز> ـ <P .D. هاملتون> ـ <R .M. شووالتر>
إن جانبا كبيرا من اقتصاد العالم الحديث يعتمد على اختراعات توصل إليها <C .J. ماكسويل> [أبو الكهرمغنطيسية ورائد الديناميكا الحرارية] في القرن التاسع عشر. بيد أنه عند الحديث عن الفوائد الاقتصادية الصرفة، فلا يمكن قول الكثير عن أحد الموضوعات المحببة جدا إلى ماكسويل، ألا وهو حلقات زحل. وفيما عدا مبيعات بعض الدمى التي توضع على المكاتب والتي تمثل حلقات زحل، فإن هذه الحلقات الكوكبية لا تسهم إسهاما يُذكر في الثروات المادية للأمم. ومع ذلك، فإن هذا لا يحد من الولع بها. وفي عام 1857 تضمنت كلمة ماكسويل التي ألقاها بمناسبة منحه جائزة آدامز Admas Prize ما يلي:
«ثمة مسائل في علم الفلك تلفت الانتباه إليها… بسبب غرابتها… وليس لأي فائدة مباشرة قد يوفرها حلها للبشرية… وليست لي دراية بأي استخدام علمي لحلقات كوكب زحل… بيد أنه عندما نتأمل هذه الحلقات من وجهة نظر علمية بحتة، فإنها تغدو أشهر الأجسام في السماوات، ربما باستثناء تلك التجمعات التي مازالت أقل فائدة منها ـ وهي [المجرات] الحلزونية… وعندما نرى فعلا ذلك القوس الضخم الذي يتأرجح حول خط استواء ذلك الكوكب دون أي رابطة واضحة، فإن عقولنا ستظل مشغولة بهذا الأمر.»
بعد قرن ونصف من اكتشافها، تظل حلقات زحل رمزا لكل ما هو غريب وعجيب في الكون. ولم تمكنّا الأرصاد الأفضل التي وفرت معلومات جديدة عنها إلا من إيضاح فتنتها وسحرها بقدر أكبر. وقد قلبت مكتشفات العقدين الماضيين معلوماتنا السابقة عنها، فقد تم اكتشاف نظام جديد تماما من الحلقات، وهو نظام أكثر تعقيدا وإثارة للاهتمام من كل ما اقترحته النظريات والأرصاد والتصورات السابقة.
يوجد لكواكب عملاقة أخرى إضافة إلى زحل، حلقات، ولا يتشابه أي نظامين منها. والحلقات غريبة حتى بمعايير علم الفلك، فقد نشأت نتيجة عمليات يمكن أن تكون ضعيفة، ومضادة للحدس. وعلى سبيل المثال، ففي الحلقات يمكن للثقالة فعلا أن تطرد المادة بدلا من أن تجذبها. نحن الآن نتقبل أن الحلقات، التي كان يظن سابقا أنها سكونية ومستقرة، تتطور باستمرار. لقد رأينا التعايش المشترك البالغ الأهمية بين المتضادين: السواتل والحلقات. والأهم كثيرا من ذلك، التحقق من أن الحلقات الكوكبية هي أكثر من مجرد ظواهر طبيعية رائعة. إن العلماء المعاصرين، شأنهم شأن ماكسويل، يرون أوجها للشبه بين الحلقات والمجرات؛ فالحلقات قد تتيح بأسلوب أساسي لمحة إلى البدايات الأولى للنظام الشمسي.
إن حلقات زحل، التي شاهدها للمرة الأولى <G. گاليلي> عام 1610، وفسرها <C. هويگنز> بعد خمسة عقود من ذلك على أنها طوق يحيط بهذا الكوكب، لم تحظ بالكثير من الاهتمام طوال أكثر من ثلاثة قرون ونصف القرن. بعد ذلك، وخلال سبع سنوات فقط، اكتُشفت حلقات حول الكواكب العملاقة الثلاثة الأخرى، كانت أولاها حلقات أورانوس، عام 1977. فعندما كان <L .J. إليوت> [الذي كان حينذاك في جامعة كورنل] يراقب سطوع نجم خلال مرور أورانوس من أمامه، لاحظ أن الإشارة تومض وتخبو. استخلص من ذلك أن سلسلة من العصابات (النطاقات) bands الضيقة، الإهليلجية أو المائلة قليلا، تطوق الكوكب(1). وفي عام 1979 رصدت السفينة الفضائية ڤويجر 1 حلقات المشتري الشفافة. وأخيرا، في عام 1984، اكتشفت تقنية، شبيهة بتقنية إليوت، قِطعا من حلقات ـ لكن ليس حلقات كاملة ـ حول نپتون.
انقضت تلك الأيام التي اتسمت بنشاط الأبحاث المتعلقة بالحلقات، وحل محلها ركود ساد حتى منتصف التسعينات من القرن العشرين. منذ ذلك الحين بدأ عصر جديد لاستكشاف الحلقات. وتوالت الأرصاد بكثافة من مقراب هبل الفضائي، والمقاريب الأرضية، ومسبار گاليليو الذي يدور في فلك حول المشتري [انظر: «بعثة سفينة الفضاء گاليليو إلى المشتري وأقماره»، مجلة العلوم، العدد 4(2000)، ص 24]. وقد مكّنت هذه الأرصاد من رؤية أبهتِ حلقات زحل وسواتله، وذلك في عامي 1995 و 1996، حين جعل موقعا الأرض وزحل النظامَ يُرى مجانبةedge-on، وبالتالي ضَعُف الوهج الصادر عن الحلقات الرئيسية. وفي الشهر7/2004، ستبدأ السفينة الفضائية كاسيني جولتها التي ستدوم أربع سنوات حول نظام كوكب زحل.
إن الأقمار الصغيرة [النقاط] المتهادية على طول حلقات زحل، مسؤولة عن كثير من التعقيدات الموجودة في نظام هذا الكوكب. الشمس تسطع عبر فاصل كاسيني Cassini Division ـ وهو فجوة واضحة يمكن أن تُرى من الأرض بواسطة مقاريب الهواة ـ وتومض حول حلقات زحل الخارجية الباهتة. |
سيرك الحلقات الأربع(**)
مع أن نظم الحلقات الأربع المعروفة تختلف في تفصيلاتها، فهناك الكثير من الخصائص المشتركة فيما بينها. فكل من هذه النظم له نسيج غني، مكون من حلقات متعددة متحدة المركز وغالبا ما تكون مفصولة عن بعضها بعضا بفجوات مختلفة الاتساع. وتتكون كل حلقة من عدد لا يحصى من الجسيمات ـ قطع مكتنزة من الصخور والجليد ـ التي يدور كل منها بمعزل عن الآخر حول الكوكب المركزي، ويحتك بعضها ببعض برفق. وتقسم الحلقات إلى فصيلتين رئيسيتين تختلفان في كثافة توزع الجسيمات في كل منهما، أي في العمق الضوئي optical depth، وهذا مقياس للاضمحلال الأسيّ exponential decay للضوء أثناء اختراقه الحلقة عموديا. وفي حال أكثف الحلقات، كالحلقتين الرئيسيتين لزحل (اللتين يرمز إليهما بالحرفين A و B)، وحلقات أورانوس (التي يرمز إليها بأعداد وبحروف يونانية)، يمكن أن ترتفع قيمة العمق الضوئي لتبلغ 4، وهذا يعني أنه لن يتسرب من الضوء الذي يخترقها إلا 2 في المئة منه. وأكثف هذه الحلقات يحوي جسيمات تتراوح أقطارها بين بضعة سنتيمترات وعدة أمتار.
في نظام حلقي كثيف تتصادم الجسيمات كثيرا، وغالبا ما يحدث ذلك عدة مرات خلال كل دورة للحلقة حول الكوكب. ويترتب على هذه العملية ضياع طاقة وإعادة لتوزع الاندفاع (الزخم) الزاوي angular momentum. ولما كانت الجسيمات الأقرب إلى الكوكب تتحرك بسرعة أكبر من تلك البعيدة عنه، فإن الاصطدامات تخفف من سرعة الجسيمات الداخلية (التي تسقط حينئذ نحو الكوكب)، وتدفع الجسيمات الخارجية نحو الأمام (والتي تتحرك بالتالي بعيدا عن الكوكب). وهكذا فإن الحلقة تميل إلى الانتشار شعاعيا. لكن هذا الانتشار يستغرق وقتا، لذا يمكن أن ننظر إلى الحلقة على أنها مائع لزج ينتشر ببطء نحو الداخل والخارج. ولحلقات زحل لزوجة حركية فعالة، مَثَلُها في ذلك مثل الهواء.
وينجم عن ضياع الطاقة وإعادة توزع الاندفاع الزاوي، تسطّح نظام الحلقة الكثيفة. وأيا كان شكله الأولي، فإن هذا النظام سرعان ما يصبح قرصا رقيقا استوائيا تقريبا. ولا يتجاوز سمك حلقات زحل من القمة إلى القاع عشرات الأمتار، مع أنها تمتد عدة مئات من آلاف الكيلومترات؛ ونسبة سمك هذه الحلقات إلى مساحتها تعادل نسبة سمك منديل ورقي جرى مطه ليغطي ملعبا لكرة القدم إلى مساحة هذا الملعب. وثمة آلية مشابهة تسطح أقراص الحطام الكوني حول النجوم والأقراص الغازية للمجرات الحلزونية.
هناك نتيجة أخرى للتراص الكثيف للجسيمات في الحلقات تتجلى في تقوية الجذب التثاقلي المتبادل بين هذه الجسيمات. وربما كان هذا هو السبب في أن حلقات أورانوس ليست دائرية تماما: فثقالتها الذاتية تقاوم النزوع إلى الانتظام في عصابة دائرية.
وبالمقابل، فإن لأبهت الحلقات المعروفة مثل حلقات المشتري والحلقات الخارجية لزحل، أعماقا ضوئية تقع بين 8-10 و 6-10. وتنتشر الجسيمات انتشار لاعبي الدفاع في الملعب في لعبة البيسبول. وبسبب ندرة التصادمات فيما بينها، فإنها لا تميل إلى الاستقرار مكونة قرصا مسطحا. وتدلنا المعرفة بأسلوب استطارة (تشتيت) هذه الحلقات للضوء، على أن تلك الجسيمات هي ذرات دقيقة من الغبار، قطرها بضعة ميكرونات، أي إن حجمها يقترب من حجم جسيمات الدخان. وهكذا فإن هذه البنى هي في الواقع حلقات من الدخان، والسلوك الديناميكي لهذه الجزيئات غير عادي. والسبب في ذلك هو أن صغرها المتناهي يجعلها تتأثر بشدة بالقوى الكهرمغنطيسية وبقوى الإشعاع، إضافة إلى الثقالة.
ولا تقع حلقات نپتون بين هذين المجالين من الحلقات؛ فعمقها الضوئي يتراوح بين الحدّين المتطرفين. ويشذ نظام حلقات نپتون في نواح أخرى أيضا. فأكثف حلقاته ليست عصابة منتظمة؛ إنها تحوي أقواسا غير متصلة لا تمتد بمجموعها إلا على أقل من عشر محيطها. ولو لم توجد آلية تحد من انتشار هذه البُنى، لتم انتشارها حول الكوكب انتشارا كاملا في غضون عام واحد تقريبا. بيد أن الصور الحديثة التي وفرها مقراب هبل الفضائي والأرصاد الأرضية بينت أن مواقع هذه الأقواس لم تتغير إلا قليلا في السنوات الخمس عشرة الماضية.
لوردات الحلقات(***)
إن جميع نظم الحلقات الكثيفة تستكن وتستقر حول كواكبها، ولا تمتد إلى أبعد مما يسمى حدّ روش Roche limit، وهو نصف القطر الذي تقوم داخله قوى المد الخاصة بالكوكب بكبح جماح ميل جسيمات الحلقة إلى التكتل لتكوين أجسام أكبر. وتقع خارج حد روش مباشرة منطقة يمكن أن تتعايش فيها مع الحلقات أقمار صغيرة غير منتظمة الأشكال. ويُرد الكثير من السمات الغريبة جدا للحلقات إلى التآثرات بين الحلقات وأقمارها.
على سبيل المثال، إن الحلقة ε التابعة لزحل تمتد عبر منطقة واسعة تحوي السواتل ميماس Mimas وتيثيس Tethys وديون Dione وريا Rhea، وتبلغ ذروة سطوعها عند مدار القمر الجليدي الأملس إنسيلادوس Enceladus. أما الحلقة الضيقة F، فهي كتلة متشابكة من عدة أشرطة ضخمة وهي معزولة عن غيرها وتقع مباشرة وراء حلقة زحل A، وبين القمرين پاندورا Pandora وپروميثيوسPrometheus. وثمة ارتباطات أيضا بين مواقع السواتل ومعالم الحلقات في نظم المشتري وأورانوس ونپتون.
إن تفسير مثل هذه الفاعلية الكبيرة للسواتل هو أهم تقدم أُحرز في علم الحلقات في العقدين الأخيرين. ويبدو أن هناك ثلاث عمليات أساسية فعالة في هذا الصدد. أولاها التجاوب (الرنين) المداري orbital resonance، وهو ميل القوى التثاقلية إلى أن تتعاظم في مواقع تكون فيها نسبة الدور المداري لجسيم إلى الدور المداري لساتل مساوية لنسبة صحيحة (n/m، مثلا). فعلى سبيل المثال، إن جسيما موجودا في الحافة الخارجية للحلقة B لزحل يُحقق تجاوبا نسبته 1:22مع ميماس، بمعنى أن الجسيم يدور حول الكوكب مرتين بالضبط، في الوقت الذي يكون فيه الساتل قد أتم دورة كاملة واحدة حول ذلك الكوكب. وفي مثال آخر: إن الحد الخارجي للحلقة A لزحل يحقق تجاوبا قدره6:7 مع الساتلين يانوس Janusوإپيميثيوس Epimetheus.
تتعرض المدارات التي توجد بالقرب من مواقع تجاوبية لتشوهات غير عادية، لأن عمليات سحب الأقمار برفق تتكرر بانتظام، ومن ثم فإن هذه التشوهات تتفاقم تدريجيا مع الزمن. وتكون التجاوبات أقوى بالنسبة إلى الجسيمات الواقعة في مدارات قريبة من أحد الأقمار، بيد أنه عندما تكون المدارات قريبة جدا من القمر، فإن التجاوبات المختلفة تتنافس فيما بينها على التحكم في الجسيمات، وعندئذ تصبح حركاتها شواشية. وتكون التجاوبات أشد ما يمكن عندما يكون m = اn + ا1 ا( 1:2ا أو 42:43 مثلا)، وهي تضعف بسرعة مع تزايد الفرق بين m و n. وعلى امتداد حلقات زحل الضخمة، لا تتجاوب إلا بضع عشرات من المواقع الحلقية مع التجاوبات الساتلية القوية.
المشتري
للمشتري، أكبر كواكب النظام الشمسي، حلقات رقيقة إلى حد مذهل. وهي مكوّنة من جسيمات دقيقة، كما أنها أقل تسطحا من حلقات الكواكب الأخرى.
يبين هذا الفسيفساء، الذي صورته السفينة الفضائية گاليليو، كوكب المشتري وهو في حالة خسوف، وهذا يسلط الضوء على جوه الخارجي وحلقاته.
حلقات باهتة بنيتها شبيهة بنسيج العنكبوت (صفراء وحمراء وزرقاء) تمتد إلى خارج الحلقة الرئيسية والهالة (اللطخة الظاهرة باللونين الأبيض والأسود في اليسار).
هالة رقيقة ترتفع من الحافة الداخلية للحلقة الرئيسية.زحل
حلقات زحل، التي هي الأكثر تعقيدا، والأبعد عن اتساق الشكل، يبدو أنها تزداد تعقيدا كلما ازداد قرب العلماء وتجهيزاتهم الفضائية منها. وقد تصبح قيمة الصور الشهيرة التي أخذتها سفينة الفضاء ڤويجر محدودة مقارنة بما ستكتشفه سفينة الفضاء كاسيني عام 2004. هذه «الطبقات» هي لطخات ضبابية متلاشية مكوّنة من حبيبات غبار سابحة في الفضاء. وتبقى الحلقات الصغيرة التي عددها لا يحصى من دون تفسير. تبالغ هذه الصورة في إبراز الاختلافات الطفيفة في اللون بين الحلقة C [اللون الأزرق] والحلقة B [اللون الذهبي]. في موقع واحد على الأقل، تكتسح السواتل الكرات الثلجية التي يبلغ قطرها نحو متر واحد. فتحت عنوة بواسطة الساتل الصغير پان. الجدائل المضاعفة محبوكة بَشَدَّي ساتلين قريبين |
وتختلف حصيلة هذه الاضطرابات التجاوبية من حالة إلى أخرى. فالقَوي منها يقوم بإزالة المادة، وهذا هو سبب تكوّن الحافتين الخارجيتين لحلقتي زحل A و B.وفي بعض الأمكنة، تُفتح فجوات. وقد تفسر مثل هذه التجاوبات سبب عدم اتصال discontinuity حلقة نپتون. وتفسر تجاوبات مشابهة توزع المادة في حزام الكويكبات، حيث تؤدي الشمس دور الكوكب، ويؤدي المشتري دور الساتل.
وفي أمكنة أخرى من الحلقة A، تولّد التجاوبات موجات. وإذا كان للساتل مدار إهليلجي (ناقصي)، فإن النتيجة هي موجة حلزونية، وهي نمط مصغر جدا لدولاب الهواء الذي تتخذ مجرتنا شكله. وإذا كان للساتل مدار مائل، فإن النتيجة هي سلسلة من موجات الانحناء الرأسية، وهي تجعدات خارج المستوى، أي تموجات صغيرة في البساط الكوني.
ومع أن التجاوبات تتعلق عادة بالسواتل، فإن أي قوة تتكرر دوريا بنسبة صحيحة للدور المداري ـ مثل الحقول التثاقلية الكوكبية الشديدة، أو القوى الكهرمغنطيسية المتغيرة ـ ستؤثر بطريقة مشابهة. وقد أصبح نظام المشتري سيئ السمعة بسبب هذه التجاوبات. ففي داخل دائرة نصف قطرها 000 120 كيلومتر، تنتفخ الحلقة فجائيا متحولة من قرص مسطح إلى طارة torus سميكة. وكل جسيم حلقي يقع على الحافة البعيدة لهذه الدائرة يدور ثلاث دورات حول الكوكب خلال إتمام الكوكب لدورتين حول نفسه؛ وهكذا فإن الحقل المغنطيسي المائل للكوكب يدفعه دائما نحو الأعلى. وعلى مسافة أقرب إلى الكوكب، وتحديدا على مسافة000 100 كيلومتر منه، ينخفض سطوع حلقة المشتري انخفاضا حادا. وهذا في الواقع هو موقع التجاوب الكهرمغنطيسي 1:2. والجسيمات التي تندفع إلى ذلك الموقع تنتشر على طبقة رقيقة جدا إلى درجة أنها تختفي في وهج ذلك الكوكب العملاق.
إن التجاوب بين ساتل وجسيم حلقي يعني أن مداريهما متناغمان: في هذه الحالة، يتم الجسيم دورتين بالضبط في الوقت الذي يتم فيه الساتل دورة واحدة. وبسبب كون الأجسام تتقابل دائما في نفس الموقع، فإن الجذب التثاقلي يمكن أن يتزايد. |
والطريقة الأساسية الثانية التي تتحكم بها السواتل في البنى الحلقية هي بتأثيرها في مسارات الجسيمات الحلقيّة. إن التآثر التثاقلي بين ساتل وجسيم قريب منه أمر غير مقبول، إلى حد ما، بديهيا. فإذا كان هذان الجسمان معزولين في الفضاء السحيق، فإن اقتراب أحدهما من الآخر سيكون متماثلا (متناظرا) في المكان والزمان. سيقترب الجسيم من الساتل ويتسارع ويدور حوله، ثم يظهر في جانبه الآخر ويتباطأ (بافتراض أنه لم يصطدم بالساتل). وسيكون منحني الانطلاق هو الصورة المرآوية للمسار الوارد (قطع زائد أو قطع مكافئ). ومع أن الجسيم لا بد أن يكون قد غيّر اتجاهه، فإنه يعود في نهاية المطاف بسرعة تساوي سرعته الأصلية.
مدير الحلبة(****)
بيد أنه في نظام حلقي لا يكون الساتل والجسيم منعزلين ـ إذ إنهما يدوران حول جسم ثالث هو الكوكب. والأقرب منهما إلى الكوكب يكون هو الأسرع دورانا حوله. لنفترض أن الجسيم هو الأقرب. عندئذ تؤدي ثقالة الساتل، خلال اقتراب الجسيم منه، إلى دفع الجسيم إلى مدار جديد. هذا الحادث لاتناظري (لاتماثلي): فالجسيم يتحرك ويقترب من الساتل، وبالتالي تزداد قوة التثاقل المتبادلة بين هذين الجسمين. وهكذا يصبح الجسيم غير قادر على استعادة سرعته التي كان يسير بها؛ فطاقته المدارية واندفاعه الزاوي قد تناقصا. وتقنيا، يعني هذا أن مداره يتشوه متحولا من دائرة إلى قطع ناقص أصغر قليلا (من الدائرة). وفيما بعد، تعيد التصادمات ضمن الحلقة مداره إلى دائرة، ولو أنها أصغر من سابقتها.
الحصيلة النهائية هي أن الجسيم يُدفع نحو الداخل. وما يخسره الجسيم يربحه الساتل، الذي تتغير حركته بقدر أقل نسبيا بسبب كبر كتلته. ويؤدي التبادل بين الموقعين إلى تبادل الدورين: فوجود الساتل في الداخل يجعل الجسيم يندفع نحو الخارج، في حين يندفع الساتل نحو الداخل. وفي كلتا الحالتين، يبدو أن الثقالة الجاذبة للساتل تطرد المادة الحلقية. لم يُنتهك أي من قوانين نيوتن؛ إن هذه النتيجة الغريبة تحدث عندما يتآثر جسمان يدوران في مدارين حول جسم ثالث، ومن ثم يفقدان من طاقتيهما. (هذا مختلف كليا عن الثقالة الطاردة repulsive، التي ترد في النظريات المتعلقة بتمدد الكون.)
وكما هي الحال في التجاوبات، يمكن أن تَفتح هذه الآلية عنوةً فجوات في الحلقات. وهذه الفجوات تتسع إلى أن تجرى موازنة قوى الساتل الطاردة بميل الحلقات إلى الانتشار خلال الاصطدامات.
وتوجد مثل هذه الفجوات داخل حلقات زحل A و C و D، وأيضا في منطقة كاسيني، وهي المنطقة التي تفصل الحلقتين A و B.
إذا صدم شيء ساتلا، فإن مادة تنسلخ عن الساتل وتصبح جزءا من حلقة. وبالعكس، فإن الساتل يستجر دائما مادة إليه. إن مقادير المادة في عمليتي الانسلاخ والاستجرار هي التي تحدد حجم الحلقات الباهتة. |
وبالعكس، يمكن لهذه العملية أن تكوّن حلقة ضيقة. فالسواتل في كل جديلة من جانبي المادة يمكن أن تعيد أي جسيمات تحاول الإفلات، إلى مواقعها الأصليّة. وفي عام 1978، وضع <P. كولدريتش> و <D .S. تريمين>، [اللذان كانا يعملان في معهد كاليفورنيا للتقانة (CIT)] فرضية عملية الإعادة إلى المواقع الأصلية المذكورة آنفا، بغية تفسير استقرار حلقات أورانوس الخيطية التي كانت محيرة دون ذلك(2). يطوق الساتلان كورديليا وأوفيليا حلقة أورانوس E. ويبدو أن حلقة زحل F يسوقها پروميثيوس وپاندورا. والمؤكد أنه لم يُتوصل بعد إلى تفسير لمعظم الفجوات المرئية والحلقات الصغيرة الضيقة. وربما كان الأمر أنها تقع تحت هيمنة أقمار صغيرة جدا لا تستطيع التقانة الحالية كشفها. وقد يتمكن مسبار كاسيني من كشف بعض الأسباب الخفية التي تؤدي إلى حدوث هذه الفجوات والحلقات.
بيد أن ثمة أثرا آخر للثقالة الطاردة يتجلى في تكوين حافات متموجة للحلقات. وأسهل وسيلة لفهم هذه التموجات هي الاستفادة من موقع الساتل. ففي حالة الحلقات، يتدفق تيار مستمر من الجسيمات عبر الساتل. وعندما تتجاوز هذه الجسيمات القمر، تعدل الثقالة مداراتها الدائرية إلى مدارات إهليلجية (ناقصية) لها نفس الحجم تقريبا. عندئذ لا يظل بُعُد الجسيمات عن الكوكب ثابتا. وإذا افترضنا وجود شخص على متن الساتل، فإنه سوف يقول إن الجسيمات بدأت تتحرك جيئة وذهابا في تناغم. وتكون الحركة الظاهرية جيبية بطول موجي يتناسب مع المسافة بين مداري الساتل والجسيم.
وتظهر الموجة الناتجة خلف الساتل أو أمامه تبعا لما إذا كان الجسيم في الخارج وأمام الساتل أو في الداخل. وهذا يشبه الأثر الذي يخلفه قارب في نهر غير عادي حيث يتحرك الماء في أحد جانبي القارب بسرعة أعلى من سرعة القارب نفسه. وقد قام أحدنا (شووالتر) بتحليل الحافتين المتعرجتين من قسم إنكي Enckeمن زحل، وكشف بدقة عن مكان وجود ساتل صغير، هو پان Pan، طالما ضلل الراصدين. وثمة مثال آخر هو الحلقة F التي يبدو أن تكتلاتها التي تظهر دوريا قد بُصمت ببصمات پروميثيوس.
تلك الحلقات القذرة(*****)
إن التأثير الثالث والأخير للأقمار في الحلقات هو لفظها المادة ثم سحبها للأعلى. هذا الدور، الحيوي بوجه خاص في حال الحلقات الباهتة الغبارية، كتلك التي توجد حول المشتري، لم يظهر بشكل واضح إلا بعد إرسال بعثة گاليليو إلى المشتري. وقبل ذلك، كانت السفينة الفضائية ڤويجر قد اكتشفت حلقات المشتري إضافة إلى قمرين صغيرين، هما أدراستيا Adrastea وميتيس Metis، بالقرب من الحافة الخارجية للحلقة الرئيسية. بيد أن آلة التصوير في السفينة لم تكن متطورة إلى درجة تسمح لها بكشف دقيق لما قامت به تلك السواتل. تُرى، هل كانت تعمل عمل الراعي وتمنع انتشار الحلقات نحو الخارج؟ أم هل كانت هي مصدر مادة الحلقات التي انجرفت نحو الداخل بمجرد تواجدها في المدار؟ لم تتمكن ڤويجر أيضا من تفسير امتداد خارجي باهت، هو حلقة بنيتها كنسيج العنكبوت كانت ترافق الحلقة الرئيسية.
وجد نظام تصوير البعثة گاليليو أن الحلقة العنكبوتية البنْية اختفت فجأة وراء مدار القمر أمالثيا Amalthea. وقد اكتَشَف حلقة أخرى نسيجها عنكبوتي البنية تمتد بعيدا إلى القمر ثيب Thebe ولا تتجاوزه. وخلال رحلة عودتنا بالطائرة من الاجتماع الذي أُتيح لنا فيه الاطلاع على تلك الصور للمرة الأولى، لاحظ أحدنا (بيرنز) الدليل المادي الذي لا يُدْحض: أن الامتداد الرأسي للحلقة العنكبوتية الداخلية كان مساويا للطول الذي يمتد به مدار أمالثيا، وأن سُمك الحلقة العنكبوتية الخارجية يتوافق تماما مع زاوية ميل ثيب. إضافة إلى ذلك، كانت أسطع مناطق كل من الحلقتين العنكبوتيتين هي حافتيهما العليا والسفلى، وهذا يشير إلى وجود تراكم للمادة ـ وهو بالضبط ما يُتوقع إذا كان للجسيمات والسواتل نفس الانحدار المداري. هذا الترابط الوثيق يمكن أن يفسّر بأكبر قدر من المنطق إذا كانت الجسيمات حطاما قُذف بواسطة صدم النيازك للسواتل.
أورانوس
إن ما يجعل حلقات أورانوس شاذة عن غيرها هو أن معظمها إهليلجي الشكل ومائل قليلا على مستوى استواء الكوكب. لقد قاومت هذه الحلقات، بطريقة ما، القوى التي كانت ستؤدي إلى جعل هذه الحلقات دائرية ومنبسطة. تبين هذه الصورة، ذات الألوان الزائفة، خواص مختلفة للجسيمات. هذا ومن الصعب رؤية الحلقة λ الغبارية هنا بسبب بهوتها الشديد. باستعمال زاوية رؤية مختلفة وتعريض للضوء مدة أطول، تمكنت ڤويجر من رؤية غبار بين الحلقات الرئيسية. القمران كورديليا وأوفيليا يقعان على جانبي الحلقة ε. |
ومن المفارقات أن تمثل الأقمار الصغيرة مصادر أفضل للمادة من الأقمار الكبيرة: فمع أنها أهداف أصغر حجما، فإنها تتسم بثقالة أضعف تمكّن المزيد من الحطام من الانسلاخ عنها. وفي نظام المشتري، يلاحظ أن لأكثر الأجسام فعالية في إصدار المادة أقطارا تقع بين 10 و 20 كيلومترا ـ وهو ما يساوي تقريبا حجم كل من أدراستيا وميتيس؛ وهذا يفسر السبب في أنها تولد حلقات أضخم مما يولده أمالثيا وثيب، اللذان هما أكبر كثيرا.
ثمة مثال معاكس شاذ هو قمر زحل إنسيلادوس الذي قطره 500 كيلومتر، والذي يبدو أنه مصدر الحلقة E. إن التصادمات القوية بينه وبين جسيمات تلك الحلقة، خلافا لما يحدث بين المقذوفات بين النجمية، قد تفسر كيف يتمكن إنسيلادوس من توليد الحلقات بوفرة. فكل حبيبة تصدم إنسيلادوس تولّد بديلا لها مكوّنا من عدة جسيمات، ومن ثم يمكن أن تكون الحلقة E تعزز نفسها بنفسها. وفي أمكنة أخرى، تكون محصلة هذه التصادمات عادة امتصاصا لمادة من الحلقة.
نپتون
أبعد الحلقات عن معرفة العلماء وفهمهم هي حلقات نپتون. تحتوي الحلقة الخارجية على تجمعات تسمى أقواسا. وقد يتطلب فهمها زيارة سفينة فضائية أخرى. تتفق الأرصاد الأرضية التي تم الحصول عليها عام 1998 مع نتائج هبل. تظهر الأقواس الحلقية أيضا في هذه الصورة التي التقطها مقراب هبل الفضائي عام 1998. إضافة إلى استمرار وجود هذه الأقواس فقد تحركت أيضا في مدارات أخفض قليلا مما كان متوقعا. صور التقطتها ڤويجر عام 1989 تكشف عن تجمعات في الحلقة الخارجية، ربما كانت نتيجة تجاوب معقد مع أحد السواتل. |
التخلي عن القديم(******)
إن الأهمية الواضحة للمنابع والبلاليع تعيد طرح السؤال التقليدي عما إذا كانت الحلقات قديمة ودائمة، أو أنها فتية وسريعة الزوال.
يقتضي الاحتمال الأول أن يعود تاريخ نشوء الحلقات إلى وقت تكوّن النظام الشمسي. فمثلما كانت الشمس البدائية محاطة بغيمة مسطحة من الغاز والغبار يُظَن أن الكواكب نشأت عنها، كان كل كوكب عملاق أيضا محاطا بغيمة خاصة به تكوّنت السواتل منها. وقريبا من كل كوكب، داخل حدّ روش، منعت القوى المدّية المادة من التكتل لتكوين سواتل، وبدلا من ذلك تحولت هذه المادة إلى حلقة.
والاحتمال البديل، هو أنَ تكوّن الحلقات التي نشاهدها حاليا جرى في مرحلة متأخرة. فوجود جسيمات حول كوكب قد يكون نتيجة لجسم ضل طريقه واقترب من الكوكب أكثر مما ينبغي فتمزق إربا، أو نتيجة لساتل تحطم بفعل مُذَنب ذي سرعة عالية. وحين يدمَّر ساتل، فإن شظاياه لن تتجمع ثانية إلا إذا كانت واقعة خارج حد روش. وحتى في تلك الحالة، فإنها ستكون غير متماسكة، وتصبح أكواما من كسارات صغيرة عرضة للتمزق فيما بعد.
توجد الآن أدلة عديدة توحي بأن معظم الحلقات فتيّة. فأولا الحبيبات الصغيرة للغاية لها أعمار قصيرة. وحتى لو أنها نجت من النيازك الميكروية بين النجمية ومن الپلازما العنيفة للغلاف المغنطيسي، فإن القوى اللطيفة للإشعاع تسبب اتجاه مداراتها حلزونيا نحو الداخل. وما لم تزوّد الحلقات الباهتة بالطاقة ثانية، فإنها ستختفي خلال بضعة آلاف من السنين. وثانيا، تقع بعض أقمار الحلقات قريبا جدا من الحلقات وذلك على الرغم من أن رد الفعل العكسي لموجات الكثافة الحلزونية ينبغي أن يعمل على إبعادها بسرعة.
ثالثا، ينبغي أن يجري تعتيم الجسيمات الحلقية الجليدية بركام المذنبات، ومع ذلك فإنها ساطعة عموما. رابعا، إن للسواتل الموجودة خلف حلقات زحل مباشرة كثافات منخفضة جدا، كما لو كانت أكواما من كسارات صغيرة من المادة. وأخيرا، إن بعض الأقمار مطمورة داخل الحلقات. وإذا كانت الحلقات مجرد مادة بدائية لم يتسن لها التكتل، فكيف وصلت تلك الأقمار إلى هناك؟ والأمر المنطقي هو أن تكون الأقمار ليست إلا أكبر القطع المتبقية من سلف جرى تحطيمه.
وهكذا يبدو أن الحلقات ليست بالرسوخ والأبدية كما هو ظاهر. وقد اقترح <L. دونز> [من معهد بحوث ساوث وست في بولدر بكولورادو] أن زخارف زحل المعقدة هي حطام قمر مدمَّر قطره يتراوح بين 300 و 400 كيلومتر تقريبا. أما أن تكون جميع الحلقات من أصل عنيف كهذا، فإننا نعرف الآن أنها لم تتكون ولم تُترك لنا لمجرد إبداء إعجابنا بها. إنها تعيد التكون باستمرار. ويتصور <E .J. كولويل> و <W .L. إسپوزيتو> [من جامعة كولورادو] أن ثمة تدويرا للمادة بين الحلقات وأقمار الحلقات. فالسواتل تجرف الجسيمات نحوها تدريجيا ثم تتخلى عنها خلال التصادمات العنيفة. إن مثل هذا التوازن يمكن أن يحدد مدى كثير من الحلقات. هذا، وطبيعي إن التباين في تركيب وتاريخ وحجم الكواكب والسواتل، يمكن أن يفسر التنوع غير العادي للحلقات.
والواقع إن الجمع بين هذا الطموح ونقيضه يفسر عدم وجود حلقات حول معظم الكواكب الداخلية؛ فقد تبين أن كلا من هذه الكواكب يفتقر إلى حاشية من السواتل لتوفير المواد التي تتكون منها الحلقات. إن قمر الأرض كبير جدا، وأي غبار ميكروي الحجم يغادر سطحه تبعده عادة قوى الإشعاع والتثاقل الشمسي. وربما كان لكوكب المريخ، الذي له ساتلان صغيران، حلقات. بيد أننا كلينا (هاملتون وشووالتر) لم نستطع عام 2001 العثور على أي حلقات أو سواتل أصغر من ساتليه عن طريق مرصد هبل الفضائي. وإذا وجدت فعلا حلقة للمريخ، فلا بد أن تكون رقيقة مهلهلة وبعمق ضوئي أقل من 8-10.
وكما يحدث غالبا في العلم، فإن المبادئ الأساسية نفسها تطبّق على ظواهر، كان يبدو أنه لا علاقة لها مطلقا بتلك المبادئ. من الممكن النظر إلى النظام الشمسي ونظم كوكبية أخرى بأنها حلقات عملاقة محيطة بالنجوم. لقد رصد الفلكيون شواهد على وجود فجوات وتجاوبات في الأقراص الغبارية المحيطة بنجوم أخرى، كما رصدوا علامات على أن ثمة أجساما مُصدرة للمادة تدور داخل هذه الأقراص. إن المدارات الإهليلجية، القريب أحدها من الآخر، للكثير من الكواكب الكبيرة خارج النظام الشمسي يمكن فهمها بأفضل طريقة ممكنة بأنها نتيجة نهائية لانتقال الاندفاع (الزخم) الزاوي بين هذه الأجسام وأقراص ضخمة [انظر: «الكواكب المهاجرة»، مجلة العلوم، العدد3(2000)، ص 12]. إن الحلقات الكوكبية ليست تراكيب مدهشة ولافتة للنظر فحسب، بل إنها قد تكون بمنزلة حجر رشيد ـ الذي ساعد على حل الرموز الهيروغليفية ـ من شأنها مساعدتنا على الكشف عن كيفية ولادة الكواكب.
المؤلفون
Joseph A. Burns – Douglas P. Hamilton – Mark R. Showalter
بدؤوا العمل معا في جامعة كورنل، التي يشغل بيرنز منصب أستاذ فيها، والتي كان فيها أيضا هاملتون وشووالتر طالبين للدراسات العليا. بدأ بيرنز بدراسة الهندسة الملاحية، لكن إثارة عصر الفضاء جعلته يغير اختصاصه. وهو الآن أستاذ للهندسة وعلم الفلك في جامعة كورنل. وهاملتون أستاذ في جامعة مريلاند؛ وفي عام 1999 تسلم جائزة Urey من الجمعية الفلكية الأمريكية، للدراسات التي أجراها في مجال الميكانيك السماوي للغبار الكوني. أما شووالتر فهو باحث في جامعة ستانفورد، حيث يشرف على محفوظات (أرشيف) ناسا التي تتضمن بيانات عن الحلقات الكوكبية. والمؤلفون الثلاثة من العاملين الرئيسيين في البعثات الفضائية إلى الكواكب الخارجية.
مراجع للاستزادة
Observations of Saturn’s Ring-Plane Crossings in August and November 1995. Philip D. Nicholson et al, in Science, Vol. 272, pages 509-515;April 26, 1996.
The Formation of Jupiter’s Faint Rings. Joseph A. Burns et al. in Science, Vol. 284, pages 1146-1150; May 14, 1999.
Stability of Neptune’s Ring Arcs in Question. Christophe Dumas et al. in Nature, Vol. 400, pages 733-735; August 19, 1999.
Planetary Rings. Joseph A. Burns in The New Solar System. Fourth edition. Edited by J. Kelly Beatty, Carolyn Collins Petersen and Andrew Chaiken. Cambridge University Press, 1999.
Scientific American, February 2002
(*) BEJEWELED WORLDS
(**) Four-Ring Circus
(***) Lords of the Rings
(****) Ringmaster
(*****) Those Dirty Rings
(******) Ring out the Old
(1) [انظر:” The Rings of Uranus”, by J. N. Cuzzi – L. W. Esposito; Scientific American, July 1987].
(2) [انظر:” Rings in the Solar System”, by J. B. Pollack – J. N. Cuzzi; Scientific American, November 1981].
