حداکثر تعداد سیاراتی که می توانند به دور خورشید بچرخند چقدر است؟ – زومیت

منظومه شمسی از هشت سیاره تشکیل شده است: عطارد، زهره، زمین، مریخ، مشتری، زحل، اورانوس و نپتون که همه به دلیل گرانش به دور خورشید می چرخند. اما چند سیاره می تواند در مدار دور خورشید باشد؟ آیا جایی برای سیارات دیگر وجود دارد؟ منظومه شمسی در مقایسه با دیگر منظومه های سیاره ای شناخته شده، تعداد سیارات بسیار زیادی دارد. در مجموع 812 منظومه سیاره ای با سه یا چند سیاره اثبات شده وجود دارد و تعداد سیارات تنها در یکی از منظومه ها به نام کپلر 90 برابر است با تعداد سیارات منظومه شمسی.

بسیاری از منظومه های سیاره ای ممکن است سیارات درونی کوچکی داشته باشند که برای ما قابل شناسایی نیستند. در نتیجه، بعید است که منظومه شمسی پرجمعیت ترین منظومه سیاره ای در اطراف کیهان باشد. اما حداقل می تواند نشان دهد که می تواند تا هشت سیاره در یک منظومه وجود داشته باشد. در نتیجه، برای محاسبه حداکثر ظرفیت سیاراتی که به دور خورشید می چرخند، باید به حوزه نظری رفت و از برخی معیارهای طبیعی که تعداد سیارات را محدود می کند، چشم پوشی کرد. یکی از بهترین راه ها طراحی یا مهندسی یک منظومه شمسی جدید از ابتدا است.

مهندسی منظومه شمسی

مطابق با این شان ریموندستاره شناس و متخصص سیستم های سیاره ای در آزمایشگاه اخترفیزیک بوردیو در فرانسه:

وقتی در مورد تعداد سیارات یک منظومه سیاره ای صحبت می کنیم، باید ابعاد مختلف آن را در نظر بگیریم. ساختار یک منظومه سیاره ای نتیجه تعدادی معیار پیچیده است، مانند اندازه یک ستاره، اندازه سیارات، نوع سیارات (مثلا سیارات سنگی یا غول های گازی)، تعداد قمرها در هر سیاره. . موقعیت سیارک ها و دنباله دارهای بزرگ (مانند کمربند سیارک ها یا مشتری) مدار سیارات در کویپر فراتر از نپتون و مقدار ماده باقی مانده از شکل گیری خورشید برای تشکیل سیارات.

ممکن است صدها میلیون سال از برخوردهای شدید و جنگ های گرانشی بین سیارات طول بکشد تا در نهایت یک سیستم به نظم پایدار برسد. اما به گفته ریموند، اگر تمدن بسیار پیشرفته‌ای با فناوری و منابعی فراتر از توانایی‌های فعلی‌مان داشتیم، می‌توانستیم بر همه این محدودیت‌ها غلبه کنیم و منظومه‌های خورشیدی را با حداکثر تعداد سیارات طراحی کنیم.

می توان فرض کرد که در منظومه شمسی مهندسی شده محدودیتی برای مواد اولیه برای ساخت سیارات وجود ندارد و می توان سیارات را به صورت مصنوعی ساخت و در موقعیت مورد نظر قرار داد. ماه‌ها، سیارک‌ها، دنباله‌دارها و سایر موانعی که فقط به پیچیدگی می‌افزایند نیز می‌توانند حذف شوند. تنها محدودیت گرانش است، زیرا قدرت سیارات و خورشید طبیعی است و سیارات باید در یک نظم ثابت در مدار دور خورشید باشند تا با یکدیگر تداخل نداشته باشند.

سیاره به طور کلی به عنوان یک جرم آسمانی در حال گردش به دور خورشید تعریف می شود که جرم کافی برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیک (شکل کروی) دارد و مدار خود را از سنگریزه ها پاک می کند. دلیل نهایی این بود که پلوتون یک سیاره سیاره ای واقعی در نظر گرفته نمی شود.

هنرمند سیارات فراخورشیدی را در حال چرخش به دور ستاره های دور تصور می کند

اهمیت اندازه

در سیستم های مهندسی، حداکثر تعداد سیارات با تعداد گردش سیارات به دور خورشید تا زمانی که ساکن هستند، تعریف می شود. به گفته ریموند:

هنگامی که منظومه های سیاره ای ناپایدار می شوند، مدار سیارات یکدیگر را خنثی می کنند، به این معنی که آنها می توانند با یکدیگر برخورد کنند یا توسط گرانش پراکنده شوند.

حداقل فاصله بین مدار سیارات مختلف در یک سیستم پایدار به اندازه هر سیاره یا بهتر است بگوییم شعاع قله بستگی دارد. شعاع راس سیاره تحت تأثیر فاصله بین سیاره و لبه کره است. در این کره، اجرام کم جرم مانند ماه تحت تأثیر گرانش سیاره قرار می گیرند.

هنرمند دو سیاره را در حال برخورد با یکدیگر تصور می کند

هر چه سیارات غول پیکر بزرگتر باشند، نیروی گرانش قوی تر است، یعنی شعاع قله بزرگتر است. بنابراین فاصله مدار زمین و مریخ که حدود 78.4 میلیون کیلومتر است، هفت برابر کمتر از فاصله بین مدار مریخ و مشتری (550.7 میلیون کیلومتر) است.

بنابراین تعداد مدارهای منظومه شمسی به اندازه سیارات بستگی دارد. برای مثال، مشتری حدود 300 برابر سنگین‌تر از زمین است، بنابراین شعاع اوج آن ده برابر بزرگ‌تر است. بنابراین، 10 مدار زمین جداگانه در منطقه اشغال شده توسط مدار مشتری قرار می گیرد. بنابراین، سیارات باید تا حد امکان کوچک شوند تا تعداد سیارات در یک منظومه به حداکثر برسد.

جهت های مخالف

اندازه سیاره یکی از جنبه های کلیدی در به حداکثر رساندن تعداد مدارهای قرار گرفته در یک سیستم طراحی شده است. با این حال، می توان با ترفندهای هوشمندانه تری مانند تغییر جهت سیارات به دور خورشید، مدارهای سیاره ای بیشتری ایجاد کرد. تمام سیارات منظومه شمسی در یک جهت به دور خورشید می چرخند. این به این دلیل است که آنها از یک ابر بزرگ غبار تشکیل شده اند که در یک جهت به دور خورشید می چرخد. با این حال، سیاراتی در منظومه شمسی طراحی شده وجود دارند که می توانند در جهت مخالف به دور خورشید بچرخند. اما این ایده تا حدودی ساختگی است، زیرا در طبیعت به دلیل فرآیند خاص تشکیل سیاره، مدار معکوس یا معکوس وجود ندارد.

در نتیجه، اگر دو سیاره در جهت مخالف در مدار خورشید قرار می گرفتند، نیروهای گرانشی بین آنها به نوعی ضعیف می شد و حداقل فاصله ایمن بین مدار آنها کاهش می یافت. به گفته ریموند:

اگر دو سیاره در یک جهت به دور خورشید بچرخند، زمان بیشتری طول می‌کشد تا به هم برسند و گرانش تسلط داشته باشند. با این حال، اگر آنها در جهت مخالف حرکت کنند، می توانند بدون برخورد یا واگرایی همگرا شوند، زیرا زودتر به هم می رسند.

در نتیجه، اگر یک مدار رگرسیون در سیستم طراحی شده ایجاد کنیم، می‌توانیم فضای مورد نیاز بین هر مدار را به حداقل برسانیم و سیارات بیشتری را در فضای فشرده‌تری قرار دهیم.

مدارهای رایج

تا این لحظه، فرض می‌کردیم که هر مداری در منظومه طراحی‌شده حاوی یک سیاره است. با این حال، ممکن است چندین سیاره با مدار مشترک داشته باشیم. نمونه ای از این مدار را می توان در منظومه شمسی فعلی نیز مشاهده کرد. مشتری دارای دو خوشه سیارکی یونانی و تروجانی است که مدار مشترکی دارند. این خوشه ها با زاویه حدود 60 درجه نسبت به دره در جلو و پشت غول گازی قرار گرفته اند. اما ستاره شناسان فکر می کنند که سیارات ممکن است مدارهای مشابهی داشته باشند. آنها این جهان های نظری را سیارات تروا نامیدند. به گفته ریموند:

دانشمندان به طور فعال به دنبال نمونه هایی از این سیارات تروجان در میان منظومه های فراخورشیدی هستند، زیرا انتظار می رود که آنها به طور طبیعی رخ دهند.

اگر بخواهیم تعداد سیارات یک سیستم طراحی شده را افزایش دهیم، باید چندین سیاره تروجان داشته باشیم. با این حال، فاصله آنها فقط باید به اندازه تعداد سیاراتی باشد که به دور آنها می چرخید تا پایداری آنها حفظ شود.

نموداری که 42 سیاره به اندازه زمین را در یک مدار مشترک نشان می دهد

در مطالعه ای که در شماره 2010 مجله Clastic Mechanics and Dynamical Astronomy منتشر شد، دو ستاره شناس از شعاع اوج برای محاسبه تعداد سیارات در یک مدار مشترک استفاده کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که 42 سیاره به اندازه زمین می توانند در مدار قرار گیرند. علاوه بر این، درست مانند تعداد مدارهای یک منظومه، هرچه سیارات کوچکتر باشند، سیارات بیشتری را می توان در یک مدار مشترک قرار داد.

البته احتمال اینکه این تعداد سیاره دارای مدار مشترک باشند عملاً صفر است. زیرا سیارات دقیقاً در یک اندازه و در یک زمان تشکیل شده اند تا ثبات را تضمین کنند. اما در یک منظومه شمسی مهندسی شده، این سطح از ساختار هم مداری امکان پذیر است و تعداد سیارات می تواند در طول زمان افزایش یابد.

نموداری که تعداد مدارها و سیارات تروجان را بر اساس اندازه سیاره نشان می دهد. یک دهم زمین (سمت چپ)، سیارات به اندازه زمین (مرکز)، سیارات ده برابر بزرگتر از زمین (راست).

نظریه حداکثر

اکنون که متغیرهای کلیدی مورد نیاز برای مهندسی منظومه شمسی فشرده را درک می کنیم، زمان آن رسیده است که اعداد را بشکنیم و ببینیم چه تعداد سیاره در منظومه شمسی قرار می گیرند. ریموند این کار را با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری انجام داد که می توانید جزئیات بیشتری را در وبلاگ PlanetPlanet مشاهده کنید. با این حال، این محاسبات، اگرچه بر اساس تئوری های منجمان برای رسیدن به شبیه سازی های منطقی است، اما توسط محققان بیشتری مورد مطالعه قرار نگرفته است و باید با شک و تردید به آنها نگاه کرد.

برای به حداکثر رساندن تعداد سیارات، سیستم مهندسی ریموند از خورشید تا 1000 واحد نجومی (AU) گسترش یافته است. (واحد نجومی میانگین فاصله خورشید تا مدار زمین است که حدود 150 میلیون کیلومتر است). مرز تعیین کننده منظومه شمسی که هلیوسفر نامیده می شود، حدود 100 واحد نجومی از خورشید فاصله دارد، اما کشش گرانشی خورشید بسیار فراتر از آن است. علاوه بر این، مدل ریموند از همان سیارات با مدارهای رتروگراد استفاده می کند.

نموداری که حداکثر تعداد سیارات به اندازه زمین را در مدار اطراف خورشید نشان می دهد. 57 مدار که هر کدام شامل 42 سیاره است. خطوط آبی مدارها را نشان می‌دهند و خطوط قرمز مدارهای رگرسیون را نشان می‌دهند.

با در نظر گرفتن همه موارد فوق، اگر سیارات به اندازه زمین بودند، 57 مدار از 42 سیاره برای مجموع 2394 سیاره تشکیل می شد. با این حال، اگر سیارات کوچکتر باشند (مثلاً یک یازدهم زمین و همان جرم مریخ)، ممکن است 121 مدار وجود داشته باشد که هر یک شامل 89 سیاره است و تعداد کل سیارات ممکن است به 10769 برسد. اگر اندازه سیارات به اندازه ماه (یک درصد جرم زمین) باشد، می‌توانیم 341 مدار داشته باشیم که هر کدام شامل 193 سیاره است که تعداد کل سیاره‌ها را به 65813 می‌رساند.

بدیهی است که این تعداد بسیار زیاد است و توانایی طراحی چنین سیستم پیچیده ای از دسترس انسان خارج است. اما این طرز فکر جالب نشان می دهد که فضای بیشتری برای سیارات در منظومه شمسی وجود دارد. اما بعید است که این عدد در طبیعت رخ دهد.