راز حلقه ها

حلقه هاي زحل احتمالاً مسطح ترين ساختار شناخته شده در جهان دانش هستند. فاصله يک انتها تا انتهاي ديگر آنها به اندازه فاصله زمين تا ماه است، در حاليکه ارتفاع آنها خيلي بلندتر از يک گروه آکروبات که روي شانه هاي يکديگر ايستاده اند نمي باشد. براي مقايسه مي توان گفت اگر حلقه ها به ضخامت يک برگه کاغذ بودند کشيدگي آنها 3 کيلومتر مي شد. هر چهار سياره غول منظومه شمسي ما داراي حلقه هستند، اما فقط زحل يک سيستم از حلقه هاي درخشان و عظيم دارد

آيا اين بي همتايي تصادفي است يا چيزي بيش از يک اتفاق مي باشد؟ حلقه هاي زحل چه چيز بيشتري درباره مبدأ منظومه شمسي و موارد مشابه در ديگر نقاط کهکشان ميتوانند به ما بگويند؟ اين پرسش و پرسشهاي ديگر منجر به ساخت فضاپيماي کاسيني (Cassini) متعلق به ناسا شد که در سال 1997 پرتاب و در جولاي 2004 وارد مدار زحل گرديد. کاسيني علاوه بر نقشه برداري درياچه هاي متان در قمر تايتان، شناسايي آبفشانهاي يخي (icy geyser) بيرون زده در قمر انسلادوس (Enceladus) و رديابي توفانها در جو زحل، مطالعات فراوان و گسترده اي بر روي سيستم حلقه ها و محيط آنها انجام داده است. اين بررسيها و مشاهدات به ماهيت ذرات حلقه ها، چگونگي برهم کنش آنها با يکديگر و با قمرهاي سياره و نقش غبار ريز در سيستم حلقه ها نور تازه اي بخشيده است. و همچون هميشه با اکتشافات جديد، سؤالات بيشتري مطرح مي شود

شرح عکس: بازوهاي مارپيچ هم در حلقه هاي زحل و هم در کهکشانها تشکيل مي شوند، هر چند از نظر منشأ و مقياس با هم تفاوت دارند. اثر تشديد قمرهاي بزرگتر امواج متراکم مارپيچ در حلقه ايجاد مي کند. در اين تصوير اين امواج را در حلقه A مي بينيد

حلقه هاي اصلي زحل عبارتند از: خارجي ترين حلقه A، حلقه متراکم و درخشان B و حلقه داخلي C که ظريفتر و نازکتر است. بخش کاسيني بين حلقه هاي A و B خالي نيست بلکه مواد رقيقي مشابه حلقه C دارد. حلقه F نواري باريک و مغشوش بلافاصله بيرون حلقه A است و سه حلقه غبارآلود عبارتند از حلقه D (داخل حلقه C)، حلقه G (بيرون F) و حلقه E (بيرون G )

شرح عکس: کاسيني در سپتامبر گذشته 12 ساعت در سايه زحل قرار داشت و از اين فرصت براي ثبت درخشندگي حلقه ها در نور از پشت تابيده خورشيد استفاده کرد. به دليل اينکه دوربين از سمت تاريک به سيستم نگاه مي کند، مناطق مات نظير حلقه B تاريک ديده مي شوند، در حاليکه حلقه هاي رقيق شامل ذرات ريز غبار، درخشان هستند. بخش راست تصوير (سايه) در برابر سمت شب سياره که نور ضعيفي دارد به صورت سياه نما ديده مي شود. قمرها و ديسکها حلقه هاي زحل تنها راه ما براي نزديک شدن به يک ديسک آستروفيزيک است. منجمان ستاره هاي نزديک زيادي را کشف کرده اند که توسط ديسکهاي جوان گازي يا ديسکهاي پيرتري از غبار احاطه شده اند. منظومه شمسي ما احتمالاً روزگاري شبيه اين ستاره ها بوده است. ما مي توانيم با مشاهده و رصد از راه دور و مدلهاي نظري بيشتر درباره آنها ياد بگيريم، اما فقط در زحل مي توانيم روند تغييرات ديسکها را به صورت مستقيم و با جزئبات بررسي کنيم. يکي از علايق خاص دانشمندان بررسي برهم کنش بين ديسک و يک جرم سنگين يک قمر يا ماهک (moonlet) در مورد زحل، و يا يک سيارک يا سياره حول يک ستاره مي باشد. کاسيني به روشهاي مختلف چنين پروسه هايي را روشنتر نموده است.

دو قمر هر يک به عرض چندين کيلومتر در شکافهاي بيروني حلقه A گردش مي کنند. پن (Pan) در شکاف انکه (Encke) به عرض 320 کيلومتر و دفنيس (Daphnis) در شکاف کيلر (Keeler) به عرض 35 کيلومتر. پن و دفنيس چرخش ذرات کوچک حلقه را که با آنها عبور مي کنند به وسيله گرانش مغشوش مي کنند، همان گونه که يک سيارک در ديسک دور يک ستاره جوان ايم کار را انجام مي دهد و بدين ترتيب نقشهاي دالبر شکل در لبه هاي شکاف ايجاد نموده و دنباله هايي توليد مي کنند که در حلقه پراکنده مي شود. لبه هاي شکاف بيش از آنچه نظريه پردازان پيش بيني کرده اند پيچيده است. کاسيني لبه هاي موج دار شکاف انکه را رصد کرده است که هم در فرکانس و هم در دامنه تغيير و نوسان دارند.

آنها هرگز به طور کامل از بين نمي روند. بسياري از لبه هاي حلقه هاي ديگر از جمله حلقه A، B و شکاف کيلر شکلهاي پيچيده تري از آنچه انتظار مي رفت دارند. علت اين پيچيدگي واضح و روشن نيست.
رديابي آنها ممکن است به کشف ماهک کوچکي در نزديکي آنها منتهي شود يا درک ما را از فرايندهاي خالي شدن شکافها اصلاح کند. قمرهاي بزرگتر خارج از حلقه هاي اصلي در موقعيتهايي از حلقه که با مدار قمر در تشديد (Resonance) هستند موجهاي مارپيچ متراکمي به وجود مي آورند.

تشديد را ميتوان با مثال هل دادن تاب در زمين بازي درک کرد. اگر تاب را به طور نامنظم هل دهيد، گاهي هنگام حرکت آن به جلو و گاهي در زمان برگشت به عقب، در اينصورت تاب خيلي بالا نمي رود و هيچ چيز جالبي رخ نمي دهد. اما اگر با فرکانس طبيعي تاب آنرا هل دهيد به طور فزاينده اي بالا و بالاتر مي رود و کودک را شاد مي کند. قمرها مي توانند اثر مشابهي روي ذرات حلقه ها داشته باشند، به عنوان مثال هنگاميکه يک تکه صخره يا يخ در مدت زماني که يک قمر پنج بار مي چرخد، شش بار گردش کند، هر بار گذر قمر نيروي مشابهي به آن وارد مي کند.

وقتي نيروها روي هم جمع مي شوند، چرخش ذرات طولاني تر مي گردد و از ديد ساير اشياء به داخل و خارج حرکت مي کنند. هنگاميکه ميليونها ذرات حلقه در يک منطقه بدين صورت مغشوش مي شوند، يک موج متراکم مارپيچي توليد مي کنند که به سمت دور از ناآرامي منتشر مي شود. امواج متراکم از همان فيزيکي پيروي مي کنند که بازوهاي مارپيچي را در کهکشانها بالا مي برد، هرچند مبدا آنها متفاوت هستند. اندازه گيري ارتفاع، شکل و طول موج اين امواج مي تواند به روشن شدن اطلاعاتي درباره چگالي سطحي حلقه (جرم در واحد سطح) و جرم قمر ايجاد کننده اغتشاش منجر شود و بعلاوه ضخامت عمودي حلقه را معين مي کند.

نتايج فضاپيماي کاسيني نشان مي دهد که چگالي سطحي حلقه A در نزديکي شکاف انکه بيشترين مقدار را دارد و به سمت داخل و خارج آن کاهش مي سابد. اندازه گيريهاي موج متراکم، ضخامت عمودي بخش کاسيني را حداکثرچند متر تعيين مي کند و حلقه A بايد ضخامتي کمتر از 10 تا 15 متر (30 تا 50 فوت) داشته باشد.