حداکثر تعداد سیارات در مدار خورشید 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 در مدار خورشید هستند. اما چند سیاره می توانند به دور خورشید بچرخند؟ آیا جایی برای سیارات دیگر وجود دارد؟ تعداد سیارات منظومه شمسی بیشتر از هر منظومه سیاره ای شناخته شده دیگری است. 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 با تعداد سیارات منظومه شمسی است.

بسیاری از منظومه های سیاره ای ممکن است حاوی سیارات درونی کوچکی باشند که برای ما قابل تشخیص نیستند. در نتیجه، بعید است که منظومه شمسی پرجمعیت ترین منظومه سیاره ای در اطراف کیهان باشد. اما حداقل می تواند نشان دهد که یک منظومه می تواند حداکثر هشت سیاره داشته باشد. در نتیجه، برای محاسبه حداکثر پتانسیل سیاراتی که به دور خورشید می چرخند، باید به قلمرو نظری رفت و استانداردهای طبیعی خاصی را که تعداد سیارات را محدود می کند نادیده گرفت. یکی از بهترین راه ها طراحی یا مهندسی یک منظومه شمسی جدید از ابتدا است.

مهندسی منظومه شمسی

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

وقتی در مورد تعداد سیارات منظومه سیاره ای صحبت می کنیم، باید جنبه های مختلفی را در نظر بگیریم. ساختار منظومه سیاره ای نتیجه مجموعه ای از معیارهای پیچیده مانند اندازه ستاره، اندازه سیارات، نوع سیارات (مثلا سیارات سنگی یا غول های گازی)، تعداد قمرهای هر سیاره، جرم سیارات و دنباله دارهای بزرگ موقعیت (مانند کمربند سیارک ها یا مشتری) مدار سیارات فراتر از نپتون و مقدار ماده باقی مانده از تشکیل خورشید برای تشکیل سیارات است.

برخوردهای شدید بین سیاره ای و نبردهای گرانشی ممکن است صدها میلیون سال طول بکشد تا سرانجام یک سیستم به حالت عادی بازگردد. با این حال، به گفته ریموند، اگر تمدنی با فناوری و منابع پیشرفته‌تر از توانایی‌های فعلی‌مان داشتیم، می‌توانستیم از همه این مرزها عبور کنیم و منظومه شمسی را با بیشترین تعداد سیاره طراحی کنیم.

در یک منظومه شمسی مهندسی شده، می توان فرض کرد که هیچ محدودیتی برای مواد خام مورد استفاده برای ساخت سیارات وجود ندارد و می توان سیارات را به طور مصنوعی ایجاد کرد و در موقعیت مورد نظر قرار داد. ماه، سیارک ها، دنباله دارها و سایر موانعی که به سادگی به پیچیدگی آن می افزایند نیز می توانند حذف شوند. تنها محدودیت گرانش است، زیرا نیروی سیارات و خورشید طبیعی است و سیارات باید در یک نظم پایدار در اطراف خورشید باشند تا با یکدیگر تداخل نداشته باشند.

سیاره به طور کلی به عنوان یک جرم آسمانی در مدار به دور خورشید تعریف می شود که به اندازه کافی برای رسیدن به تعادل هیدرواستاتیک (شکل کروی) دارد تمیز چیست؟ دلیل آخر این بود که پلوتو یک سیاره واقعی به حساب نمی آمد.

این هنرمند سیارات فرازمینی را در مدار ستاره های دور تصور می کند.

اهمیت اندازه

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

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

در یک سیستم پایدار، حداقل فاصله بین مدار سیارات مختلف به اندازه هر سیاره یا به طور دقیق‌تر شعاع کوه آن بستگی دارد. شعاع کوه سیاره تحت تأثیر فاصله بین سیاره و لبه سیاره است. در این سیاره، اجرام نورانی مانند ماه تحت تاثیر جاذبه سیاره قرار دارند.

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

هر چه سیارات بزرگتر باشند، نیروی گرانش بیشتر است، یعنی شعاع کوه بزرگتر است. به همین دلیل، فاصله بین زمین و مدار مریخ که تقریباً 78.4 میلیون کیلومتر است، هفت برابر کمتر از فاصله بین مدار مریخ و مشتری (550.7 میلیون کیلومتر) است.

به همین دلیل، تعداد مدارهای قرار گرفته در منظومه شمسی به اندازه سیارات بستگی دارد. به عنوان مثال، مشتری حدود 300 برابر سنگین تر از زمین است، بنابراین شعاع کوه آن ده برابر بزرگتر است. بنابراین، 10 مدار زمین جداگانه در منطقه اشغال شده توسط مدار مشتری قرار می گیرد. بنابراین، برای به حداکثر رساندن تعداد سیارات در یک منظومه، سیارات باید تا حد امکان کوچک نگه داشته شوند.

جهت های مخالف

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

در نتیجه، اگر دو سیاره در جهت مخالف در مدار خورشید قرار گیرند، نیروهای گرانش بین آنها تا حدودی ضعیف می شود و حداقل فاصله ایمن بین مدار آنها کاهش می یابد. به گفته ریموند:

اگر دو سیاره در یک جهت به دور خورشید بچرخند، زمان بیشتری طول می کشد تا به هم برسند و گرانش غالب شود. اما اگر در جهت مخالف حرکت کنند، در زمان کمتری به هم می رسند، بنابراین می توانند بدون برخورد و انحراف به یکدیگر نزدیک شوند.

در نتیجه، اگر یک مدار رگرسیون در یک سیستم مهندسی ایجاد کنیم، می‌توانیم فضای مورد نیاز بین هر مدار را کاهش دهیم و سیارات بیشتری را در فضای فشرده‌تری قرار دهیم.

مدارهای عمومی

تا این مرحله، ما فرض کرده‌ایم که سیستم مهندسی شده یک سیاره در هر مدار دارد. با این حال، این امکان وجود دارد که چندین سیاره با یک مدار مشترک وجود داشته باشد. نمونه ای از این مدار را می توان در منظومه شمسی فعلی نیز مشاهده کرد. مشتری دارای دو خوشه سیارک به نام های یونانی و تروجان است که دارای مدار مشترک هستند. این خوشه ها در مقابل و پشت غول گازی در دره با زاویه حدود 60 درجه قرار دارند. با این حال، ستاره شناسان معتقدند که مدار سیارات ممکن است مشابه باشد. او این جهان های ایدئولوژیک را سیارات تروا نامید. به گفته ریموند:

دانشمندان به طور فعال در حال جستجوی نمونه هایی از این سیارات تروجان در منظومه های فرازمینی هستند، زیرا انتظار می رود به طور طبیعی شکل بگیرند.

اگر بخواهیم تعداد سیارات سیستم مهندسی شده را افزایش دهیم، باید چندین سیاره تروجان داشته باشیم. با این حال، فقط تعداد سیاراتی که به دور آنها می چرخید باید برای حفظ ثبات آنها فاصله داشته باشد.

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

در مطالعه ای که در سال 2010 در مجله Clestial Mechanics and Dynamical Astronomy منتشر شد، دو ستاره شناس از شعاع هال برای محاسبه تعداد سیارات در یک مدار مشترک استفاده کردند. او به این نتیجه رسید که 42 سیاره به اندازه زمین را می توان در یک مدار قرار داد. همچنین، هرچه تعداد مدارهای درون یک منظومه کمتر باشد، سیارات بیشتری را می توان در یک مدار مشترک قرار داد.

البته احتمال اینکه این تعداد سیاره دارای مدار نرمال باشند عملاً صفر است. زیرا برای حفظ ثبات، سیارات باید دقیقاً به یک اندازه و در یک زمان باشند. اما در منظومه شمسی مهندسی شده، ساختار این سطح از هماهنگی امکان پذیر است و می توان تعداد سیارات را در طول زمان افزایش داد.

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

نظریه حداکثر

اکنون که متغیرهای کلیدی مورد نیاز برای فشرده سازی مهندسی منظومه شمسی 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 او PlanetPlanet مشاهده کنید. با این حال، اگرچه این محاسبات مبتنی بر نظریه‌های منجمانی است که به برداشت‌های منطقی می‌رسند، اما توسط محققان بعدی مورد مطالعه قرار نگرفته‌اند 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) امتداد دارد. (یک واحد نجومی میانگین فاصله خورشید تا مدار زمین است که حدود 150 میلیون کیلومتر است). حد منظومه شمسی که هلیوسفر نامیده می شود، حدود 100 واحد نجومی از خورشید فاصله دارد، اما گرانش خورشید بسیار فراتر از آن است. علاوه بر این، مدل ریموند از همان سیاراتی استفاده می کند که در مدار عقب نشینی قرار دارند.

نموداری که حداکثر تعداد سیارات به اندازه زمین را در مدار اطراف خورشید نشان می دهد. 57 مدار، هر کدام دارای 42 سیاره. خطوط آبی نشان دهنده مدارها و خطوط قرمز نشان دهنده مدارهای راکتیو هستند.

با در نظر گرفتن همه موارد فوق، اگر سیارات به اندازه زمین باشند، می توان 57 مدار از 42 سیاره را برای مجموع 2394 سیاره ایجاد کرد. با این حال، اگر سیارات کوچک باشند (مثلا یک یازدهم حجم زمین و همان حجم مریخ)، ممکن است 121 مدار داشته باشد که هر کدام دارای 89 سیاره است، که تعداد کل سیارات را به 10769 می رساند. اگر اندازه سیارات برابر با ماه (یک صدم جرم زمین) باشد، می توانیم 341 مدار داشته باشیم که هر کدام دارای 193 سیاره است که تعداد کل سیاره ها را به 65813 می رساند.

واضح است که این تعداد بسیار زیاد است و توانایی مهندسی چنین سیستم پیچیده ای خارج از دسترس انسان است. اما این ذهنیت جالب نشان می دهد که فضای بیشتری برای سیارات در منظومه شمسی وجود دارد. اما این عدد در طبیعت وجود ندارد.