ساخت مدلی جدید از سیستم ماه و زمین

کره‌ی ماه به عنوان نزدیک‌ترین همسایه‌ی زمین به شمار می‌رود و از سویی هم جزو عجیب‌ترین اجرام سیاره‌ای در منظومه‌ی شمسی است. مدار آن به طور غیر منتظره‌ای با یک شیب مداری بسیار زیاد، دور از زمین قرار گرفته است. دانشمندان سیاره‌شناس تلاش کرده‌اند تا سناریویی را ارائه دهند که در آن اثرات یاد شده‌ پیرامون ماه و همچنین سایر مشخصه‌های رفتاری سیستم ماه و زمین به خوبی گنجانده شده باشد.

ابتدا به توضیح مختصری از تصویر ارائه شده در بالا می‌پردازیم. در مدل برخورد بزرگ (giant impact) ارائه شده از شکل‌گیری ماه، چنین بیان می‌شود که در زمان‌های اولیه‌ی تشکیل ماه، کره‌ی زمین با همین زاویه‌ی انحراف فعلی وجود داشته است. این مدل را در بخش بالای تصویر می‌بینیم. در این حالت، حرکت ماه در مسیر دورتر شدن از زمین در یک مسیر ملایم صورت گرفته است. اما در مدل جدید که آن را در بخش پایین می‌بینیم، گفته می‌شود که زاویه‌ی انحراف زمین پس از برخورد بزرگ دارای مقدار بسیار بیشتری از مقدار کنونی شده است و در نتیجه به نوسان‌های قابل توجهی در روند ماه انجامیده است. در ادامه‌ی گزارش به صورت کامل به تشریح مدل‌ها می‌پردازیم.

اخیرا یک مقاله‌ی پژوهشی جدید که بر اساس مدل‌های عددی تشکیل انفجاری ماه و تکامل سیستم زمین و ماه منتشر شده است. به نظر می‌رسد که پژوهش فوق در قیاس با سایر توضیحات ارائه شده در این زمینه دارای عملکرد بهتری باشد و بتواند ابهامات بیشتری را پیرامون توضیحات قبل از خود رفع کند. نتایج کار اخیر در روز ۳۱ اکتبر سال جاری و در ویرایش Advance Online از ژورنال نیچر منتشر شده است و در آن پیشنهاد شده که برخورد منتهی به تشکیل کره‌ی ماه، علاوه بر آثاری که روی ماه داشته، همچنین باعث تغییرات فاجعه‌باری در چرخش زمین و انحراف محور چرخش آن شده است.

تحقیقات نشان می‌دهد که آن برخورد باعث شده تا چرخش اسپینی زمین بسیار سریع‌تر شود و زاویه‌ی آن نیز دارای شیب بسیار تندتری نسبت به آن زاویه‌ای باشد که امروزه وجود دارد. پس از چندین میلیارد سال از آن برخورد، فعل و انفعالات پیچیده‌ بین زمین، ماه و خورشید، بسیاری از این تغییرات را تسهیل کرده است و در نتیجه به شکلی از سیستم زمین و ماه منتهی شده است که امروز ما می‌بینیم. در سناریوی ارائه شده در مقاله‌ی اخیر، ناهنجاری‌های باقی‌مانده در مدار ماه در واقع از آثار گذشته‌ی انفجاری سیستم زمین و ماه هستند. داگلاس همیلتون، استاد نجوم در دانشگاه مریلند و یکی از نویسندگان مقاله‌ی نیچر در این باره می‌گوید:

شواهد نشان می‌دهد که یک برخورد عظیم باعث آزاد شدن حجم بسیار زیادی از موادی شده که در ادامه کره‌ی ماه را تشکیل داده‌اند. این مواد احتمالا در ابتدا یک حلقه‌ از مواد باقی‌مانده را تشکیل داده‌اند و سپس این حلقه به فرم ماه در آمده است. اما مشکلی که وجود دارد این است که سناریوی فوق در صورتی که در آن زمان هم زاویه انحراف محور اسپینی آن به مقدار ۲۳.۵ درجه‌ای بوده باشد که امروزه‌ می‌بینیم، به هیچ عنوان جواب‌گو نخواهد بود.

بررسی فیزیک این برخورد نشان می‌دهد که بر پایه‌ی محاسبات، این حلقه از مواد بازمانده و به تبع آن نیز مدار ماه بلافاصله پس از تشکیلش، باید در صفحه‌ی استوایی زمین قرار داشته باشند. زمانی که فعل و انفعالات جزر و مدی بین زمین و ماه باعث دورتر شدن ماه از زمین می‌شده است، کره‌ی ماه نیز باید از صفحه‌ی استوایی زمین به صفحه‌ی «دایره البروج» یا ecliptic منتقل شده باشد که این صفحه مربوط به مدار زمین به دور خورشید است. اما امروزه می‌بینیم که مدار ماه به جای اینکه با صفحه‌ی دایره البروج در یک خط قرار گرفته باشد، نسبت به آن صفحه به میزان ۵ درجه منحرف شده است. همیلتون در این باره گفت:

این انحراف بزرگ بسیار نامعمول است. تا به حال هم هیچ توضیح خوب و درخوری برای آن وجود نداشته است. اما اگر کره‌ی زمین دارای پیشینه‌ی پرماجراتری نسبت به آنچه که پیش از این پنداشته‌ایم باشد، شاید بتوانیم فهم بهتری از آن داشته باشیم.

همیلتون با همکاری نویسنده‌ی اصلی مقاله، ماتیا کوک (Matija Cuk) از موسسه SETI و همکاران خود سیمون لاک (Simon Lock) از دانشگاه هاروارد و سارا استوارت از دانشگاه کالیفرنیا دیویس، بسیاری از حالات مختلف را مورد بررسی قرار دادند. اما موفق‌ترین و بهترین حالت‌ها در میان موارد بررسی شده مربوط به حالتی می‌شد که بر پایه‌ی آن، یک برخورد منتهی به تشکیل کره‌ی ماه باعث شده تا چرخش اسپینی زمین بسیار سریع‌تر شود. مقدار سریعی که در اینجا در نظر گرفته شده در واقع دو برابر نرخ‌هایی است که در سایر مدل‌ها پیش‌بینی شده بود. برخورد اخیر همچنین باعث تغییر در زاویه‌ی انحراف زمین شده است و آن را به مقداری بین ۶۰ تا ۸۰ درجه تغییر داده است. کوک در این باره گفت:

ما پیش از این هم گمان می‌بردیم که کره‌ی زمین باید در زمان پس از برخورد بزرگ، دارای سرعت چرخش اسپینی زیادی باشد. در نظر گرفتن یک زاویه‌ی انحراف بالا در زمان‌های اولیه پس از برخورد، سیاره‌ی ما را قادر می‌کند تا چرخش اضافی خود را رفته رفته به آسانی از دست دهد.

این مدل همچنین نشان می‌دهد که کره‌ی ماه در هنگامی که به تازگی تشکیل شده بود، روند خود را از فاصله‌ی بسیار نزدیک به زمین آغاز کرده است، اما پس از آن تقریبا به فاصله‌ای تا ۱۵ برابر فاصله‌ی اولیه‌ی آن از زمین کشیده شده است. پس از بیشتر شدن این فاصله، خورشید نیز رفته رفته تاثیر بیشتر و قوی‌تری را روی مدار ماه گذاشته است.

به گفته‌ی محققان، هر دو عامل یاد شده (کره‌ی زمینی با زاویه انحراف بالا و سرعت اسپینی زیاد و همچنین کره‌ی ماه که رفته رفته از زمین دورتر می‌شده است) به ایجاد مدار عجیب فعلی ماه کمک کرده است. مدار ماه در اوایل تشکیل خود به احتمال زیاد خط استوای زمین با انحرافی حدود ۶۰ تا ۸۰ درجه بوده است که این مقدار انحراف با زاویه انحراف زمین در آن زمان که پیشتر اشاره کردیم همخوانی دارد.

یافته‌ی کلیدی پژوهش جدید این است که اگر زمین واقعا به مقداری بیش از ۶۰ درجه پس از تشکیل کره‌ی ماه کج شده باشد، در آن صورت ماه دیگر نمی‌تواند به طور یکنواخت از صفحه‌ی استوایی زمین به سطح دایر‌ه‌البروج انتقال یابد. در عوض می‌توانیم چنین برداشت کنیم که انتقال آن به صورت ناگهانی بوده و ماه را با انحراف بزرگی نسبت به دایره البروج گذاشته است؛ انحرافی بسیار بزرگ‌تر از آنچه که امروز می‌بینیم. کوک همچنین در این باره می‌گوید:

 همانطور که ماه در حال دورتر شدن از زمین بوده، زاویه انحراف زیاد زمین هم باعث ایجاد انتقال بی‌نظم‌تری می‌شده و از سویی هم خورشید رفته رفته تاثیر بیشتری را روی آنها می‌گذاشته است. پس از آن و در طی میلیاردها سال، زاویه‌ی انحراف ماه به آرامی کاهش یافته و تا مقدار پنج درجه‌ای که ما امروزه می‌بینیم رسیده است. بنابراین شیب پنج درجه‌ی کنونی نشان‌دهنده‌ی وجود یک شیب بسیار تندتر در ادوار گذشته است.

همیلتون اذعان دارد که مدل آنها نمی‌تواند به همه‌ی سوالات مطرح شده در مورد مدار ماه پاسخ دهد. اما به باور وی، نقطه‌ی قوت مدل آنها در این است که می‌تواند چارچوبی را برای پاسخ به سوال‌های مطرح شده در زمان‌های آینده ارائه دهد. همیلتون همچنین اشاره کرد:

ما امروزه مسیرهای بالقوه‌ی بسیاری را از شکل‌گیری ماه تا سیستم زمین و ماه می‌بینیم. ما در حال حاضر شمار اندکی از آنها را شناسایی کرده‌ایم، اما با اطمینان می‌توان گفت که مسیرهای محتمل دیگری هم وجود دارند. آنچه ما اکنون در اختیار داریم به صورت مدلی است که نسبت به تلاش‌های قبلی دانشمندان محتمل‌تر بوده و کارایی بیشتری دارد. ما فکر می‌کنیم که مدل اخیر دستاورد و بهبود چشمگیری به شمار می‌رود که ما را به فهمیدن آنچه که در واقعیت رخ داده، نزدیک‌تر می‌کند.