كيف تشكل قمر بلوتو الكبير "شارون"؟ العلماء يقولون: بقبلة!

على مدى عقود، حاول علماء الفلك تحديد كيفية حصول بلوتو على قمره الكبير بشكل غير عادي شارون، الذي يبلغ حجمه نصف حجم الكوكب القزم تقريباً. والآن، يشير بحث جديد إلى أن بلوتو وشارون التقيا لفترة وجيزة قبل مليارات السنين في تصادم "قبلة والتقاط" تم اكتشافه حديثاً.

وقد افترض العلماء منذ فترة طويلة أن شارون قد تشكل مثل قمر الأرض، الذي نشأ بعد اصطدام جسم بحجم المريخ بكوكبنا. أرسل الاصطدام حطامًا منصهرًا من الأرض متطايرًا في الفضاء، والذي اجتمع في نهاية المطاف في مدار حول عالمنا وبرد ليشكل القمر.

لكن هذه النظريات لم تأخذ في الحسبان حقيقة أن بلوتو وشارون قد يكونان أكثر سلامة من الناحية الهيكلية كأجسام صخرية جليدية على الحافة الباردة للنظام الشمسي. قالت أَدين دينتون، مؤلفة الدراسة الرئيسية للبحث الذي نُشر يوم الاثنين في مجلة Nature Geoscience: "بلوتو وشارون مختلفان - فهما أصغر حجماً وأبرد ويتكونان بشكل أساسي من الصخور والجليد".

وبدلاً من ذلك، من المرجح أن بلوتو وشارون بقيا على حالهما بعد تصادمهما، حيث دارتا معاً لتشكيل جسم على شكل رجل ثلج كوني قبل أن ينفصلا إلى النظام الثنائي الموجود حالياً، كما قال معدو الدراسة. تتشكل الأنظمة الثنائية عندما يدور جرمان سماويان حول مركز كتلة مشترك، مثل المتزلجين الذين يدورون وهم ممسكون بأيدي بعضهم البعض، وفقاً للمؤلفين.

قال دينتون، وهو زميل برنامج ما بعد الدكتوراه في وكالة ناسا في معهد ساوث ويست للأبحاث في بولدر، كولورادو: "تُصنف معظم سيناريوهات تصادم الكواكب على أنها "اصطدام ثم هروب" أو "اصطدام ثم اندماج". "ما اكتشفناه هو شيء مختلف تماماً - سيناريو "التقبيل والالتقاط" حيث تتصادم الأجسام وتلتصق ببعضها لفترة وجيزة ثم تنفصل مع بقاءها مرتبطة جاذبيًا." (أجرى دنتون البحث كباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر القمر والكواكب بجامعة أريزونا).

يمكن لهذا النوع الجديد من التصادم السماوي الذي كشفت عنه دنتون وزملاؤها أن يلقي الضوء على كيفية تشكل الكواكب وتطورها وكذلك كيفية اكتساب الأجرام الأخرى في المناطق الخارجية من نظامنا الشمسي لأقمارها الخاصة بها. وقد يقدم البحث الجديد دليلاً على وجود محيط تحت السطح تحت قشرة بلوتو الجليدية.

كيف تكتسب الكواكب الأقمار

يمثل كل من شارون وقمر الأرض جزءًا كبيرًا من حجم الجسم الرئيسي الذي يدوران حوله، وهو ما يختلف عن الأقمار الأخرى الأصغر التي تدور حول الكواكب في مجموعتنا الشمسية. (بلوتو لديه أربعة أقمار أصغر إلى جانب شارون).

على سبيل المثال، يدور حول المريخ قمران صغيران على شكل بطاطا يسميان فوبوس وديموس، وهما على الأرجح كويكبان التقطتهما جاذبية الكوكب الأحمر.

لكن هذا النوع من التكوين غير محتمل بالنسبة لأجسام كبيرة مثل قمرنا أو قمر شارون، كما قال دينتون. وقال دينتون إن الأمثلة الأخرى على التصادمات هي الارتطام والاصطدام، عندما يصطدم جسم ما بكوكب ويواصل المسير، أو التصادم والاندماج، عندما يصطدم جسم بكوكب ويجتمعان معاً.

دعمت نماذج أبسط من أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين تحاكي كيف أصبح بلوتو وشارون في اتجاههما الحالي فكرة أن بعض الأجسام اصطدمت مع بلوتو لتكوين شارون. في ذلك السيناريو، اعتُبرت المادة المتصادمة في ذلك السيناريو مائعاً عديم القوة، مما يعني أن بلوتو وشارون كانا سيشبهان نقطتين ملتويتين ملتفتين ومنحنيتين، كما هو الحال في مصباح الحمم البركانية، كما قال دينتون.

خلال السنوات الخمس الماضية، حدثت تطورات في عمليات المحاكاة لنماذج التصادم في السنوات الخمس الماضية، مما سمح للباحثين بتضمين خصائص القوة المادية للأجرام السماوية - مثل بلوتو كنواة صخرية مغطاة بالجليد. وقال دنتون إن بلوتو يحتوي على صخور أكثر من الجليد، في حين أن شارون يتكون من 50% صخور و50% جليد.

عندما قامت دنتون وزملاؤها بمحاكاة تصادم بما في ذلك الخصائص التركيبية لبلوتو وشارون، تمكنوا من تحديد قوة الدفع المتبادلة بين الجسمين والنتيجة النهائية.

في حين أن بلوتو وشارون تبادلا على الأرجح بعض المواد أثناء الاصطدام، إلا أن كلاهما بقي سليماً إلى حد كبير بسبب تركيبتهما، حيث التصقا معاً لتشكيل شكل يشبه رجل الثلج ودارا كجسم واحد حتى دفع بلوتو بشكل أساسي شارون إلى مدار أبعد بمرور الوقت.

قال دنتون في رسالة بالبريد الإلكتروني: "لقد فوجئنا بالتأكيد بجزء "القبلة" من التقبيل والالتقاط. "لم يكن هناك حقًا نوع من التصادم من قبل حيث يندمج الجسمان مؤقتًا فقط قبل أن ينفصلا مجددًا."

تشير النتائج إلى أن شارون قد يكون قديمًا مثل بلوتو. الباحثون ليسوا متأكدين تماماً من وقت حدوث الاصطدام، لكن من المرجح أنه حدث قبل حوالي 4 مليارات سنة، في وقت مبكر من تاريخ النظام الشمسي، الذي يقدر عمره بـ 4.6 مليار سنة.

قال دنتون: "نحن نعلم أنه حدث في وقت مبكر إلى حد ما، لأن ذلك هو الوقت الذي حدث فيه التصادم العملاق - وأعني بوقت مبكر في عشرات الملايين من السنين بعد تكوين النظام الشمسي، في نفس الوقت تقريبًا الذي حدث فيه (تكوين قمر الأرض)."

قالت الدكتورة كاتارينا ميليكوفيتش، الأستاذة ونائبة رئيس كلية علوم الأرض والكواكب في جامعة كيرتن في أستراليا، إن الدراسة "مثال رائع للتقدم في الجيوفيزياء العددية". لم تشارك في البحث الجديد.

وكتبت ميليكوفيتش في رسالة بالبريد الإلكتروني: "إنها تقدم حلاً أنيقاً لأصل نظام بلوتو-شارون، حيث أدت معالجة الخصائص الفيزيائية للأجسام الكوكبية بدقة أعلى إلى سيناريو أكثر جدوى للتأثير والأسر لأصل هذا النظام".

محيط تحت السطح

بلوتو ينتمي إلى مجموعة من الأجسام التي تدور حول الشمس على مسافات بعيدة تسمى حزام كايبر، حيث توجد آلاف البقايا الجليدية المتبقية من تكوين النظام الشمسي. وقال دنتون إن ثمانية من أكبر 10 أجسام في حزام كويبر لديها أقمار كبيرة مثل تشارون، مما يعني أن تصادمات "التقبيل والالتقاط" ربما تكون قد حدثت عبر حزام كويبر أثناء تشكل النظام الشمسي.

قالت أليسا رودن، وهي عالمة في معهد ساوث ويست للأبحاث، في رسالة بالبريد الإلكتروني: "إن إضافة المزيد من الواقعية الفيزيائية إلى نماذج التصادم -والتي نضطر أحياناً إلى الانتظار ريثما تلحق التكنولوجيا بتعقيدات العالم الطبيعي- قد غيرت الإجابة وفتحت مجموعة جديدة من التواريخ المحتملة لبلوتو وشارون ومجموعة أخرى من أجسام حزام كويبر الأخرى".

بدأت كل من رودن ودينتون العمل من خلال برنامج ناسا لما بعد الدكتوراه في علم الأحياء الفلكية في سبتمبر، لكن رودن لم تكن جزءاً من دراسة بلوتو.

يشتبه بعض العلماء في إمكانية وجود محيط تحت القشرة الجليدية السميكة لبلوتو، لكن أثيرت تساؤلات حول كيفية تشكل مثل هذا المحيط في هذا العالم المتجمد.

قال دينتون إن سيناريو التصادم الجديد يدعم تكوين محيط لأن مثل هذه التصادمات تسخن الأجرام السماوية. على سبيل المثال، كان من شأن اصطدام شارون ببلوتو أن يرفع درجة حرارة الغلاف الجليدي للكوكب القزم، مما قد يكون قد تسبب في ذوبانه وتشكيل محيط تحت السطح.

وقالت رودن إنها تشعر بالفضول لمعرفة ما إذا كانت مثل هذه التغييرات قد حدثت أيضاً على أجسام حزام كويبر الأخرى ذات الأقمار الكبيرة.

"هل هناك شيء خاص حول الارتطام الذي شكّل شارون - أو خصائص بلوتو والمرتطم - أدى إلى أن يصبح بلوتو عالم محيطات (جسم حزام كويبر) نادر (كويبر بيلت)؟ قال رودن.

من الممكن أيضاً أنه بعد انفصال شارون عن بلوتو، وانتقاله من مدار قريب إلى مدار أبعد، كان من الممكن أن يكون كلا الجسمين قد تعرضا لتسخين مدّي. تحدث هذه العملية عندما يتم تسخين الأجزاء الداخلية للكواكب أو الأقمار بسبب قوى الجاذبية بين جسمين في المدار.

قال دينتون: "هذا أمر مهم لأننا لسنا متأكدين من الظروف الحرارية التي قد يكون بلوتو قد امتلكها قبل الاصطدام". "إذا كان بلوتو قد تشكل كجسم أكثر برودة دون محيط، فإن التصادم العملاق قد يوفر نقطة التحول الرئيسية لدفع بلوتو بعد ذلك نحو تشكيل محيط تحت السطح والحفاظ عليه."