حلقه‌های زحل کمتر از آنچه به نظر می‌رسند متراکم هستند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، به نظر شهودی است که یک ماده مات باید حاوی مواد بیشتری نسبت به یک ماده شفاف‌تر باشد. به عنوان مثال، آب گل آلودتر دارای ذرات معلق بیشتری از خاک نسبت به آب شفاف‌تر است. به همین ترتیب، ممکن است فکر کنید که در حلقه‌های زحل، مناطق مات‌تر حاوی غلظت بیشتری از مواد هستند تا مکان‌هایی که حلقه‌ها شفاف‌تر به نظر می‌رسند.

اما طبق مطالعه اخیر حلقه‌ها با استفاده از داده‌های مأموریت کاسینی ناسا، این شهود همیشه اعمال نمی‌شود. در تجزیه و تحلیل خود، دانشمندان به طور شگفت انگیزی همبستگی کمی بین چگالی ظاهر یک حلقه - از نظر کدورت و بازتابش - و مقدار مواد موجود در آن پیدا کردند.

نتایج جدید مربوط به حلقه B زحل، درخشان‌ترین و مات‌ترین حلقه‌های زحل است، و با مطالعات قبلی که نتایج مشابهی را برای حلقه‌های اصلی دیگر زحل پیدا کرده بودند، مطابقت دارد.

دانشمندان دریافتند که در حالی که کدورت حلقه B به مقدار زیادی در عرض آن تغییر می‌کند، جرم - یا مقدار ماده - از مکانی به مکان دیگر تفاوت چندانی ندارد. آن‌ها مرکز تقریباً مات حلقه B را برای اولین بار وزن کردند - از نظر فنی، چگالی جرم آن را در چندین مکان تعیین کردند - با تجزیه و تحلیل امواج چگالی مارپیچی. این‌ها ویژگی‌های حلقه‌ای در مقیاس ریز هستند که با کشش گرانش روی ذرات حلقه از قمر‌های زحل و گرانش خود سیاره ایجاد می‌شوند. ساختار هر موج به طور مستقیم به مقدار جرم در بخشی از حلقه‌ها که موج در آن قرار دارد بستگی دارد.

در حال حاضر روشن نیست که چگونه مناطقی با مقدار یکسان مواد می‌توانند چنین کدورت‌های متفاوتی داشته باشند. متیو هدمن، نویسنده اصلی این مطالعه و دانشمند شرکت کننده در کاسینی در دانشگاه آیداهو، مسکو، می‌گوید: این می‌تواند چیزی مرتبط با اندازه یا چگالی ذرات منفرد باشد، یا می‌تواند با ساختار حلقه‌ها ارتباط داشته باشد. فیل نیکلسون، محقق کاسینی از دانشگاه کرنل، ایتاکا، نیویورک، این اثر را با همکاری هدمن نوشت.

نیکلسون گفت: ظاهر می‌تواند فریبنده باشد. یک تشبیه خوب این است که چگونه یک چمنزار مه آلود بسیار مات‌تر از یک استخر شنا است، حتی اگر استخر متراکم‌تر است و آب بسیار بیشتری دارد. 

تحقیقات در مورد جرم حلقه‌های زحل پیامد‌های مهمی برای سن آن‌ها دارد. حلقه‌ای با جرم کمتر سریع‌تر از حلقه‌ای که حاوی مواد بیشتری است تکامل می‌یابد و در اثر گرد و غبار شهاب‌سنگ‌ها و دیگر منابع کیهانی سریع‌تر تیره می‌شود. بنابراین، هرچه حلقه B جرم کمتری داشته باشد، ممکن است جوانتر باشد؛ شاید چند صد میلیون سال به جای چند میلیارد.

لیندا اسپیلکر، دانشمند پروژه کاسینی در آزمایشگاه رانش جت ناسا، می‌گوید: با «وزن زدن» هسته حلقه B برای اولین بار، این مطالعه گامی معنادار در تلاش ما برای کنار هم قرار دادن سن و منشأ حلقه‌های زحل می‌کند. پاسادنا، کالیفرنیا حلقه‌ها بسیار باشکوه و الهام‌بخش هستند که برای ما غیرممکن است که در برابر رمز و راز چگونگی پیدایش آن‌ها مقاومت کنیم.

در حالی که تمام سیارات غول پیکر در منظومه شمسی ما (مشتری، زحل، اورانوس و نپتون) دارای سیستم حلقه‌ای مخصوص به خود هستند، سیارات زحل به وضوح متفاوت هستند.

توضیح اینکه چرا حلقه‌های زحل بسیار درخشان و وسیع هستند، چالش مهمی در درک شکل‌گیری و تاریخچه آن‌ها است. برای دانشمندان، چگالی مواد بسته بندی شده در هر بخش از حلقه‌ها یک عامل مهم در انتساب تشکیل آن‌ها به یک فرآیند فیزیکی است.

حلقه B وقتی در نور منعکس شده خورشید دیده می‌شود، درخشان‌ترین حلقه در بین حلقه‌های زحل است.

مطالعه قبلی توسط اعضای تیم طیف‌سنج مادون قرمز مرکب کاسینی این احتمال را مطرح کرده بود که ممکن است مواد کمتری در حلقه B وجود داشته باشد که محققان تصور می‌کردند. تحلیل جدید اولین تحلیلی است که به طور مستقیم چگالی جرم را در حلقه اندازه گیری می‌کند و نشان می‌دهد که این مورد است.

هدمن و نیکلسون از یک تکنیک جدید برای تجزیه و تحلیل داده‌های مجموعه‌ای از مشاهدات توسط طیف‌سنج نقشه‌برداری مرئی و فروسرخ کاسینی استفاده کردند که از میان حلقه‌ها به سمت یک ستاره درخشان نگاه می‌کرد. با ترکیب مشاهدات متعدد، آن‌ها توانستند امواج چگالی مارپیچی را در حلقه‌ها شناسایی کنند که در اندازه‌گیری‌های فردی مشخص نیستند.

تجزیه و تحلیل همچنین نشان داد که جرم کلی حلقه B به طور غیرمنتظره‌ای کم است. به گفته هدمن، تعجب آور بود، زیرا برخی از قسمت‌های حلقه B تا ۱۰ برابر مات‌تر از حلقه A همسایه هستند، اما حلقه B ممکن است تنها دو تا سه برابر جرم حلقه A وزن داشته باشد.

علیرغم جرم کم یافت شده توسط هدمن و نیکلسون، حلقه B همچنان حاوی بخش عمده‌ای از مواد در سیستم حلقه زحل است؛ و اگرچه این مطالعه ابهامی در مورد جرم حلقه ایجاد می‌کند، اندازه گیری دقیق تری از جرم کل حلقه‌های زحل در راه است. پیش از این، کاسینی میدان گرانش زحل را اندازه‌گیری کرده بود و جرم کل زحل و حلقه‌های آن را به دانشمندان می‌گفت. 

در سال ۲۰۱۷، کاسینی جرم زحل را به تنهایی با پرواز در داخل حلقه‌ها در مرحله نهایی ماموریت خود تعیین خواهد کرد. انتظار می‌رود که تفاوت بین این دو اندازه گیری در نهایت جرم واقعی حلقه‌ها را آشکار کند.