چند سیاره را می‌توان در منظومه شمسی جا داد؟

راز بقا: در منظومه شمسی هشت سیاره وجود دارند که شامل عطارد، زهره، زمین، مریخ، مشتری، زحل، اورانوس و نپتون می‌شود و همگی آن‌ها به دلیل کشش گرانشی شدید خورشید به دور آن می‌گردند. اما شاید این سوال پیش بیاید که آیا این حداکثر تعداد سیاراتی است که می‌توانند به دور خورشید بچرخند یا فضای کافی برای گردش سیارات بیشتری هم وجود دارد؟

به گزارش راز بقا به نقل از لایو ساینس؛ در مقایسه با سایر منظومه‌های سیاره‌ای شناخته شده، منظومه شمسی دارای تعداد بالایی از سیارات است. طبق دایره المعارف سیارات فراخورشیدی در مجموع ۸۱۲ منظومه سیاره‌ای با سه یا چند سیاره تایید است و تنها یک منظومه دیگر وجود دارد که به اندازه منظومه شمسی سیاره دارد و آن هم کپلر-۹۰ است.

البته این احتمال وجود دارد که بسیاری از این منظومه‌ها سیارات درونی کوچکی داشته باشند که ما نمی‌توانیم آن‌ها را شناسایی کنیم، بنابراین بعید است که منظومه شمسی در واقع پرجمعیت‌ترین منظومه سیاره‌ای در کیهان ما باشد، اما می‌تواند مدرکی باشد که داشتن هشت سیاره، میزان طبیعی رشد یک منظومه در داشتن سیاره است.

بنابراین، برای تعیین حداکثر تعداد سیاراتی که می‌توانند به دور خورشید بچرخند باید به حوزه نظری روی آورد و برخی از عوامل طبیعی را که ممکن است تعداد سیاره‌ها را محدود کنند نادیده بگیریم. یکی از بهترین راه‌ها برای انجام این کار، طراحی یا مهندسی یک منظومه شمسی کاملا جدید است.

طراحی یک منظومه شمسی فرضی

شان ریموند، ستاره شناس آزمایشگاه اخترفیزیک در فرانسه که متخصص سیستم‌های سیاره‌ای است می‌گوید وقتی در مورد تعداد سیاره‌ها در یک منظومه سیاره‌ای صحبت می‌کنید، باید جنبه‌های مختلفی را در نظر بگیرید.

ریموند گفت که ساختار یک منظومه سیاره‌ای نتیجه تعدادی از عوامل پیچیده است. از جمله این عوامل می‌توان به اندازه ستاره، اندازه سیارات، نوع سیارات (سنگی یا گازی بودن سیارات)، تعداد قمر‌هایی که به دور هر سیاره می‌چرخند، محل سیارک‌ها و دنباله دار‌های بزرگ اشاره کرد. همچنین برخورد‌های شدید و کشش‌های گرانشی فراوانی در طی صد‌ها میلیون سال لازم است تا یک سیستم در یک پیکربندی پایدار مستقر شود.

ریموند می‌گوید با این حال، اگر ما یک تمدن فوق پیشرفته با فناوری و منابعی بودیم که بسیار فراتر از موجودی‌های فعلی ما بود، ممکن بود بتوانیم از بسیاری از این محدودیت‌ها عبور کنیم و بتوانیم منظومه شمسی را با حداکثر تعداد سیارات طراحی کنیم. در این منظومه شمسی می‌توانیم فرض کنیم که هیچ محدودیتی برای ایجاد سیارات وجود ندارد و می‌توان آن‌ها را به طور مصنوعی تولید کرد و در موقعیت دلخواه قرار داد.

سیاره به جرمی گفته می‌شود که در مداری به دور خورشید باشد و جرم کافی برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیکی داشته باشد (اتفاقی که شکل سیاره را گرد می‌کند) و اطراف مدار خود را از زباله‌ها پاک کرده باشد. به گفته اتحادیه بین المللی نجوم، عامل دوم همان دلیلی است که نمی‌توان به خاطر آن پلوتون را به عنوان یک سیاره واقعی در نظر گرفت.

وقتی یک منظومه سیاره‌ای ناپایدار می‌شود، مدار سیارات شروع به تداخل با یکدیگر می‌کنند به این معنی که ممکن است سیارات با یکدیگر برخورد کنند یا فقط از نظر گرانشی پراکنده شوند. حداقل فاصله ایمن بین مدار سیارات مختلف در یک سیستم پایدار، به اندازه هر سیاره یا به طور دقیق تر، شعاع هیل‌کره آن بستگی دارد. هیل‌کره فاصله بین سیاره و مرز حوزه نفوذ آن است که در آن اجسام با جرم کمتر تحت تأثیر گرانش آن قرار می‌گیرند، مانند ماه که به دور زمین می‌چرخد.

سیارات پرجرم‌تر نیروی گرانشی قوی تری اعمال می‌کنند و شعاع هیل‌کره بیشتری دارند. به همین دلیل است که فاصله بین مدار‌های زمین و مریخ که حدود ۷۸.۳ میلیون کیلومتر است، تقریباً هفت برابر کمتر از فاصله بین مدار‌های مریخ و مشتری است. به همین دلیل، تعداد مدار‌هایی که می‌توانند در داخل منظومه شمسی قرار بگیرند، عمدتاً به اندازه سیارات بستگی دارد.

ریموند گفت، برای مثال، مشتری حدود ۳۰۰ برابر پرجرم‌تر از زمین است، به این معنی که شعاع هیل‌کره آن حدود ۱۰ برابر بزرگ‌تر است. به زبان ساده‌تر می‌توان گفت در همان فضایی که مدار فعلی مشتری اشغال کرده، ۱۰ مدار زمین جداگانه می‌توانند قرار گیرند. بنابراین، برای به حداکثر رساندن تعداد سیارات در یک منظومه، باید سیارات را تا حد امکان کوچک کنید.

تغییر جهت گردش سیاره‌ها

اندازه سیارات، کلید به حداکثر رساندن تعداد مدار‌هایی است که می‌توانند در یک سیستم مهندسی شده قرار بگیرند. با این حال، ترفند هوشمندانه دیگری وجود دارد که می‌توانیم بدون توجه به اندازه سیاره ها، از آن برای اضافه کردن چند مدار اضافی استفاده کنیم که تغییر جهت حرکت آن‌ها به دور خورشید است.

در منظومه شمسی فعلی، هر سیاره در یک جهت به دور خورشید می‌چرخد. دلیل این امر این است که سیارات از ابر بزرگی از غبار تشکیل شده اند که در یک جهت به دور خورشید می‌چرخند. ریموند گفت که با این حال، در منظومه شمسی مهندسی شده ما، ممکن است سیاراتی داشته باشیم که در جهت مخالف به دور خورشید بچرخند که به مدار‌های رتروگراد معروف هستند.

با این حال، این ایده تا حدودی خیالی است. مدار‌های واپسگرا به دلیل ماهیت نحوه تشکیل سیارات، احتمالا در طبیعت وجود ندارند. گفته می‌شود، اگر دو سیاره در جهت مخالف به دور خورشید بچرخند، نیرو‌های گرانشی بین آن‌ها اندکی ضعیف می‌شود و حداقل فاصله ایمن بین مدار آن‌ها کاهش می‌یابد. بنابراین، اگر ما منظومه فرضی خود در مدار دیگری را به یک مدار رتروگراد تبدیل کنیم، می‌توانیم فضای مورد نیاز بین هر مدار را به حداقل برسانیم و در انجام این کار، سیارات اضافی را فشرده کنیم.

مدار‌های مشترک

تا به اینجای کار ما فرض می‌کردیم که هر مداری که در منظومه شمسی وجود دارد فقط شامل یک سیاره می‌شود. با این حال ممکن است چندین سیاره داشته باشیم که در یک مدار مشترک باشند و ما می‌توانیم نمونه‌ای از این مدار را را در منظومه شمسی فرضی خود داشته باشیم.

مشتری دارای دو خوشه از سیارک‌ها به نام یونانی‌ها و تروجان‌ها است که مدار آن‌ها مشترک است. اگر بخواهیم تعداد سیارات را در منظومه شمسی مهندسی شده خود به حداکثر برسانیم، باید تا حد امکان از این سیارات تروجان مانند استفاده کنیم. درست مانند تعداد مدار‌هایی که می‌توانید به دور خورشید قرار دهید، تعداد سیاراتی که می‌توانید در یک مدار قرار دهید نیز باید به اندازه کافی فاصله داشته باشند تا ثابت بماند.

در مطالعه‌ای که در سال ۲۰۱۰ منتشر شد، ستاره‌شناسان از شعاع هیل کره برای بررسی تعداد سیاره‌هایی که می‌توانند در مدار مشترک باشند، استفاده کردند. آن‌ها متوجه شدند که امکان داشتن ۴۲ سیاره هم اندازه زمین در یک مدار مشترک وجود دارد. هرچه سیارات کوچکتر باشند، تعداد بیشتری از آن‌ها را می‌توانید در یک مدار قرار دهید. البته ریموند تاکید می‌کند که احتمال اینکه این تعداد سیاره به طور طبیعی یک مدار واحد داشته باشند صفر است.

حداکثر تعداد سیاره‌ها در منظومه شمسی

اکنون که متغیر‌های کلیدی مورد نیاز برای طراحی یک منظومه شمسی مملو از سیاره را معرفی کردیم، بالاخره زمان آن رسیده که به سراغ اعداد برویم و ببینیم که چه تعداد سیاره می‌توانیم درون این منظومه فرضی قرار دهیم.

با در نظر گرفتن همه این موارد، اگر از سیاراتی به اندازه زمین استفاده کنیم می‌توانیم ۵۷ مدار جداگانه که هریک از آن‌ها شامل ۴۲ سیاره است ایجاد کنیم. در مجموع به ۲۳۹۴ سیاره می‌رسیم. اگر از سیارات کوچک‌تری استفاده کنیم که یک دهم اندازه زمین هستند، می‌توان آن‌ها را در ۱۲۱ مدار جداگانه که هریک شامل ۸۹ سیاره می‌شود، قرار داد. در این مدل نیز در مجموع به ۱۰ هزار و ۷۶۹ سیاره می‌رسیم. اگر سیارات به اندازه ماه بودند امکان ایجاد ۳۴۱ مدار وجود داشت که هر کدام می‌توانست ۱۹۳ سیاره را در خود جای دهد. این مدل هم می‌توانست میزبان ۶۵ هزار و ۸۱۳ سیاره باشد.

بدیهی است که این اعداد بسیار زیاد هستند و توانایی مهندسی چنین سیستم‌های پیچیده‌ای بسیار فراتر از دسترس بشر است. اما این آزمایش فکری سرگرم‌کننده نشان می‌دهد که فضای بسیار بیشتری برای سیارات در منظومه شمسی نسبت به هشت سیاره فعلی وجود دارد.