وارونه/ چرا همه سیاره ها گرد هستند؟ بیش از 2000 سال است که به عنوان نوع بشر می دانیم که سیاره ای که بر آن زندگی می کنیم گرد است. البته نه تنها زمین بلکه خورشید و ماه و سایر ستاره ها و سیاره های آسمانی هم گرد هستند. حتی اجرام اسمانی که ستاره یا سیاره نیستند هم کم کم به شکل گرد در می آیند. قمر زمین، چهار تا از بزرگترین قمرهای مشتری، 5 تا از بزرگترین قمرهای اورانوس و البته 5 تا از قمرهای بزرگ زهره هم همگی گرد هستند. حتی بزرگ ترین قمر نپتون، سیارک کوتوله سرس و تمام اجرام موجود در کمربند کویپر هم گرد هستند.

 
البته اجرامی هم هستند با شعاع کمتر از 200 کیلومتر که گردند. در عین حال می بینیم که قمر زحل، یاپئوس، و قمر نپتون، پروتئوس، که خیلی بزرگ تر از این حرف ها هستند گرد نیستند. چرا اینگونه است؟ چرا تمام اجرام بزرگ گرد نیستند؟ اگر شما هم مثل من کنجکاوید بدانید جواب این سوال چیست با من و مجله وارونه تا انتها همراه باشید.

شروع داستان از کجا بود؟
خب داستان این سوال از آنجا شروع شد که یکی از مخاطبین از من پرسید اگر سوار یک موشک می شدم و می توانستم به تمام منظومه شمسی سفر کنم و سیاره ها را اندازه بگیرم می دیدم که اکثرشان گرد هستند. البته که گرد هستند! همگی این موضوع را می دانیم اما خیلی هایمان هنوز نمی دانیم علت گرد بودنشان چیست؟همانطور که قبلا هم گفتم سیاره ها، ستاره ها و سیارک ها و حتی اجرام موجود در کمربند کویپر هم گرد هستند. حالا میخواهم گرد بودن اجرام آسمانی را از نظر علمی برایتان مو به مو بررسی کنم.


اولین چیزی که به ذهنمان می رسد این است که ماده می تواند به هر صورتی به هم بچسبد و بزرگتر شود. همانطور که فضا میان کهکشانی از اتم ها و ذرات آزاد الکترونی ساخته شده، خود سیاره ها و ستاره ها و اجرام آسمانی هم از همین ریز ساختار ها تشکیل شده اند. اتم ها به هم می پیوندند و مولکول ها تشکیل می دهند. مولکول ها هم با پیوستن به هم ساختارهای ریز و درشت دیگر را تشکیل می دهند.

نیروی اتمی موفق تر است یا نیروی جاذبه؟
همگی خیلی خوب می دانیم که نیروی اتمی و الکترومغناطیسی همه جا موجود است. اما داستان از این قرار است که نیروی این دو در کنار هم توان برابری با نیروی جاذبه بین مولکول ها را ندارد. این طور می شود که سیاره ها تشکیل می شوند. پس اگر مقداری از ماده عادی به هم بپیوندند، حالا از هر جنس و فاز و نوع و منشایی که می خواهد باشد،  جرمی مستقل تشکیل خواهد شد آنهم به واسطه گرانشی که از خودش دارد.

البته این ساختارها در روزهای اول تولدشان کوچک هستند. هر کدام از این ساختار های کوچک دانه مانند زندگی خودشان را دارند. از این جا به بعد دیگر جاذبه در پیوستن شان به هم تاثیری ندارد. این اجرام کوچک جذب نیروهای الکترواستاتیکی می شوند که از جانب خورشید می آید. البته امواج و طوفان های خورشیدی آنها را در معرض نابودی قرار می دهند اما خیلی هایشان هم به هم می پیوندند و می شوند سیاره هایی که از دیدن عظمت شان چشم ها خیره می ماند.

داستان سیارک اوتاکاوا
تصویر بالا را به عنوان مثال در نظر بگیرید. این عکس تصویری از سیارک اوتاکاوا است. این سیارک با دارا بودن وزنی به اندازه 30 میلیون تن آنقدر بزرگ است که می تواند ساختار جاذبه ای خودش را داشته باشد. ولی همانطور که می بینید گرد نیست. چرا؟ چون اوتاکاوا و خیلی سیاره های هم اندازه او داستان خاص خودشان را دارند. این جرم آسمانی از یک سمت فقط چند هزار کیلومتر طول دارد. حالا می خواهیم بررسی کنیم که جاذبه در جسمی با این اندازه چه توانایی هایی دارد.

ساختار قلوه سنگ مانند
اوتاکاوا به جای اینکه یک جرم یک دست آسمانی باشد کلکسیونی از ذرات مختلف با جنس و ساختار متفاوت است که صرفا به هم چسبیده اند.

اوتاکاوا جرمی غیر دگرسان
وقتی جرمی با به هم پیوستن سنگ هایی متفاوت تشکیل شده باشد  می توان لایه های مختلفش را از هم تشخیص داد. در این صورت متراکم ترین مواد به سمت داخل می روند و هسته جرم را تشکیل می دهند. قسمت های سبک تر هم به سمت بیرونی می روند و به ترتیب گوشته و پوسته را شکل می دهند. اوتاکاوا و سایر اجرام آسمانی با این جرم و سایز چنین قابلیتی ندارند.

اوتاکاوا جرمی متشکل از دو جرم جدا
این مورد لزوما در همه خرده سیارک ها اتفاق نمی افتد اما اوتاکاوا مثال بارزی از به هم پیوستن دو جرم جداست. یعنی ساختارش نشان می دهد که دو جرم کاملا مجزا با دو تراکم کاملا متفاوت به دلیل جاذبه کنار هم قرار گرفته اند و اوتاکاوا را تشکیل داده اند.سه فاکتوری که در قسمت های بالا گفتم را همه خرده سیارک ها دارند. یعنی جاذبه شان آنقدر قوی هست که آنها را به عنوان جرمی مستقل در کنار هم نگه دارد. اما هیچ کدام از این خرده سیارک ها گرد نیستند.


چرا خرده سیارک ها گرد نیستند؟
حالا این سوال پیش میاید که چرا این خرده سیارک های کوچک گرد نیستند؟ دلیلش این است که نیروی بین اتم ها و مولکول ها که همان نیروی اکترومغناطیسی الکترون هایشان است قوی تر از نیروی جاذبه شان با این اندازه است. جاذبه نیروی همیشه حاضر در صحنه است. نیرویی که اتم ها و مولکول ها را بر حسب تراکمی که دارند به سمت مرکز می کشاند اما این را هم نباید فراموش کرد که نیروی دیگری بین اتم ها مولکول ها وجود دارد. همین نیروی بین اتمی و مولکولی است که شکل اجرام را تعیین میکند. پس اگر جرمی کوچک باشد آنقدر نیروی جاذبه ندارد که بر نیروی بین اتم ها و مولکول هایش پیروز شده و گرد شود!

کریستال های یخ به شکل شبکه هایی منظم قرار می گیرند. سنگ های سیلیکات شکل های نامنظم دارند. ذرات به هم می پیوندند و خاک یا هر چیز جامد دیگری از این دست را شکل میدهند. وقتی نیروی جاذبه بر جرمی بزرگ یا گروهی از اجرام بزرگ اعمال می شود بر تمام ذرات آن فشار وارد می کند. اگر نیروی این فشار به اندازه کافی قوی باشد می تواند بر نیروی بین اتم ها و مولکول ها پیروز شده و شکل جرم را تغییر دهد. شکل نهایی، ساختاری نهایی و پایدار خواهد بود.

اولین قدم برای گرد شدن…
در مورد اجرامی مانند اوتاکاوا که جاذبه خودشان را دارند، اولین قدم برای گرد شدن و شکل گرفتن پیروز شدن بر نیروی بین اتم ها و مولکول هاست. میزان نیروی جاذبه هم به میزان جرم و تراکم آن بستگی دارد. ممکن است جرمی مکعب، هرمی یا هر چیزی که تصورش را می کنید باشد اما اگر جرمش به اندازه کافی نباشد جاذبه هم برای تغییرش کافی نخواهد بود. از آن طرف اگر به اندازه کافی جرم داشته باشد، جاذبه هم آنقدر زیاد خواهد بود که شکلش را تغییر داده و به قول معروف گردش کند.

در این صورت اگر سیاره ای شعاعی کمتر از 100 کیلومتر و وزنی کمتر از 10 به توان 18 کیلوگرم داشته باشد، کوچک تر و سبک تر از آن خواهد بود که بتواند خودش را گرد کند. اوتاکاوا و میلیون ها سیارک دیگر هم هنوز آنقدر بزرگ نشده اند که بتوانند بر نیروی بین اتم هایشان فائق بیایند و گرد شوند. البته همیشه شانس این هست که سیارکی جرم بیشتری جذب کند و آنقدر بزرگ شود که بتواند خودش را گرد کند.

میماس، قمر زحل، کوچک ترین جرم گرد!
میماس یکی از قمر های زحل است که شعاعی به اندازه 200 کیلومتر دارد اما گرد است. در واقع میماس یکی از نزدیک ترین قمر های این سیاره بوده و در مداری حرکت میکند که می تواند هر 24 ساعت یکبار به دور این سیاره بگردد. ناگفته نماند که میماس کوچک ترین جرم گرد شناخته شده است. اما چرا؟ دلیلش این است که میماس یکی از کم تراکم ترین اجرام شناخته شده است. یعنی جرمی به اندازه آب و یخ دارد! همین تراکم کم موجب می شود نیروی جاذبه کمش برای گرد کردنش کافی باشد. اگر میماس از چیزی مانند سنگ و فلز ساخته شده بود باید خیلی بزرگتر از اینها می بود تا بتواند گرد شود. مثلا باید شعاعی به اندازه 400 تا 500 کیلومتر می داشت تا بتواند گرد شود.

چطور شده که میماس هنوز نابود نشده؟
 البته گرد بودن به این صورت فقط یک طرف قضیه است. ویژگی های دیگری هم هست که می تواند به سیاره ها در گرد شدن کمک کند. میماس، قمر زحل یکی از بهترین مثال های این قضیه است. در یک سمت این قمر حفره ای به بزرگی یک سوم شعاع کل این قمر وجود دارد. دیواره های این حفره بیش از 5 کیلومتر طول داشته و عمقی به اندازه 10 کیلومتر دارند. این حفره آنقدر عمیق است که سطح رو به روی قمر را در آن طرف نابود کرده. می توانید حدس بزنید شدت برخورد چقدر بوده که حتی آن سمت قمر را هم تحت تاثیر قرار داده؟ خب ضربه ای به این اندازه باید تمام قمر را از بین می برد و نیروی جاذبه اش هم آنقدر قوی نبوده که شکلش را حفظ کند و جلوی نابودی اش را بگیرد. پس چه شده که میماس هنوز میماس مانده؟

تعادل هیدرواستاتیک داشتن یعنی چه؟

میماس مثال بارزی از تفاوت بین گرد بودن و تعادل هیدرواستاتیک داشتن است. تا به این جای کار می دانیم که اگر سیارکی شعاعی بیشتر از 200 کیلومتر و تراکمی مانند آب و یخ داشته باشد یا شعاعی بیشتر از 400 کیلومتر و تراکمی مانند سنگ داشته باشد به راحتی می تواند گرد شود. اما هنوز فاکتور اصلی برای گرد شدن را نمی دانید. تعادل هیدرواستاتیک همان فاکتور اصلی است که گفتم. تعادل هیدرواستاتیک یعنی ترکیبی از جاذبه و گردش سیاره! یعنی اگر سیاره ای به جرم و ساختار خاص خودش در سیالی مانند آب بیفتد چگونه گردشی خواهد داشت؟

کوچک ترین جرمی که تعادل هیدرواستاتیک دارد بزرگترین سیارک یا همان سیاره کوتوله سرس است. سرس شعاعی به اندازه 470 کیلومتر دارد. از آن طرف بزرگترین جرمی که تعادل هیدرواستاتیکی ندارد یاپتوس قمر عجیب و غریب زحل است. این قمر شعاعی به اندازه 735 کیلومتر داشته و اگر جاذبه نبود هرگز شکلی گرد پیدا نمی کرد.


پلاستیکی بودن به زبان فیزیک نجومی؟
برای جرم جامدی مانند سیاره یا قمر سوال اصلی این جاست که آیا جاذبه می تواند سیاره ما در حالتی پلاستیکی بچرخاند؟ البته این پلاستیکی که از آن حرف میزنم پلاستیکی نیست که از مواد نفتی به دست میاید. پلاستیک در فیزیک نجومی یعنی شیوه نابودی در اجرام. وقتی اجرام آسمانی تحت فشار، خمیدگی و تنش قرار میگیرند، یا خمیده می شوند، یا کشیده و فشرده و حتی دفرم شده!

اگر فشار وارده بر جرم موجب دفرمه شدن پلاستیکی شود، تغییرات تا همیشه ماندگار خواهند بود. در این صورت اگر جرم سیاره کافی باشد، جاذبه می تواند سیاره را دوباره به تعادل هیدرواستاتیکی برساند. اما اگر جاذبه تا این اندازه قوی نباشد سیاره گرد می شود اما دوباره به تعادل هیدرواستاتیکی بر نمی گردد.

اجرام یخی به شعاع 200 کیلوتر می توانند گرد باشند اما تا وقتی که به شعاع 400 کیلومتر نرسند خبری از تعادل هیدرواستاتیکی نیست. اجرام سنگی تا وقتی به شعاع 400 کیلومتری نرسند گرد نمی شوند. برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیکی هم به شعاعی به اندازه 750 کیلومتر نیاز دارند.


هیدرواستاتیک بودن یا نبودن باقی سیارات و قمرهاشان
اجرامی که در فاصله بین شعاع های گفته شده هستند یا تعادل هیدرواستاتیک دارند یا ندارند. در واقع ما هنوز این سیاره ها را بررسی نکرده ایم. مثلا نمی دانیم هایجیا که از یخ و سنگ تشکیل شده و شعاعی به اندازه 215 کیلومتر دارد تعادل هیدرواستاتیکی دارد یا نه! انسلادوس قمر زحل هم 252 کیلومتر شعاع دارد. پالاس 256 و وستا 263 کیلومتر شعاع دارند و همگی گرد هستند اما هنوز تعادل هیدرواستاتیکی شان ثابت نشده است.

قمر پلوتو، شارون با دارا بودن شعاع 606 کیلومتری پتانسیل بالایی برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیکی دارد. تایتان و اوبرون هم دو تا از بزرگترین قمرهای اورانوس هستند که احتمالا تعادل هیدرواستاتیک دارند. اما اومبریل، آریل و میراندا سه تای بعدی هستند که احتمالا تعادل هیدرواستاتیکی ندارند. پس به این نتیجه می رسیم که هر چیزی با شعاع بیشتر از 800 کیلومتر نه تنها گرد است بلکه تعادل هیدرواستاتیکی هم دارد.

سیاره های کوتوله ای مانند هائومیا، اریس و پلوتو همگی 715 کیلومتر شعاع دارند و تعادل هیدرواستاتیک هم دارند. تریتان قمر نپتون، ماه قمر زمین و هر چهار قمر گالیله ای مشتری هم تعادل هیدرواستاتیکی دارند. هر هشت سیاره منظومه شمسی و حتی خورشید هم تعادل هیدرواستاتیکی دارند. در واقع ما کاملا مطمئنیم که هر جرمی که بالای 800 کیلومتر قطر داشته باشد تعادل هیدرواستاتیکی دارد.

اکثر سیارات منظومه شمسی کروی کامل نیستند!
اما این تمام داستان نیست. برخی از سیاره ها و ستاره ها آنقدر سریع می چرخند که گرد نبودنشان اصلا مشخص نیست. در واقع این اشکال کروی سفالی هستند. نمونه بارزش هم همین زمین خودمان است. چون 24 ساعته به دور خودش در حال گردش است کروی کامل نیست. در واقع زمین ما در شعاع استوایی به اندازه 6378 کیلومتر و و شعاع قطبی به اندازه 6356 کیلومتر دارد. زحل با سرعتی بیشتر از زمین به دور خودش در حال گردش است. شاید برایتان جالب باشد که این سیاره هر 10.7 ساعت یکبار به دورخودش می گردد. شعاع استوایی زحل 60268 کیلومتر و شعاع قطبی اش 54364 کیلومتر است.

اما ماه و عطارد سرعت بسیار کمی در گردش دارند. شعاع قطبی و شعاع استوایی این سیارات تنها 2 کیلومتر تفاوت دارد پس این دو سیاره خیلی کروی هستند. اما میدانید کدام سیاره در منظومه شمسی کروی ترین است؟ خورشید! شعاع خورشید در تمام نقاط ثابت و به اندازه 690000 کیلومتر است. یعنی این ستاره تا 99.9993% کروی کامل است.

حرف آخر
درست است که فاکتورهای زیادی در شکل گیری سیارات نقش دارند اما مهم ترین فاکتورها عبارت اند از:

اگر سیاره ای خیلی کوچک و سبک باشد شکل خاصی ندارد. یعنی بر اساس شانسش به شکل های مختلف در میاید. اجرامی با شعاع زیر 200 کیلومتر از این قانون تبعیت می کنند.

اما اگر جرمی سنگین تر و بزرگتر باشد یعنی حدفاصل 400 تا 800 کیلومتر، تغییر شکل داده و کروی می شود اما اگر اتفاقی برای این سیاره و جرم گرد بیافتد، مثلا برخورد شهاب یا حتی تغییری در مدار گردشش، به احتمال خیلی زیاد برای همیشه از حالت کروی خارج می شود. اما اگر سیاره ای بالای 800 کیلومتر شعاع داشته باشد به تعادلی هیدرواستاتیک رسیده و آنقدر سنگین می شود که جاذبه اش حرف اول را در شکلش می زند. پس ا همیشه و همیش گرد می ماند.

اگر بخواهیم به زبان جرم رسیدن به تعادل هیدرواستاتیک را برایتان شرح دهم باید بگویم که هر جرمی به 0.1 جرم زمین برسد قطعا تعادل هیدرواستاتیک هم دارد. پس گرد بودن همه آن چیزی نیست که از جرمی سیاره میسازد. باید جرم آنقدر زیاد باشد تا جسم به تعادل هیدرواستاتیک برسد و گردی اش پایدار باشد! تعادل هیدرواستاتیک یعنی امضای گرد بودن برای همیشه!     

به پیج اینستاگرامی «آخرین خبر» بپیوندید
instagram.com/akharinkhabar