كيف تتكوّن الكواكب الغازيّة؟

من الانهيار إلى النموّ

وفقًا لفرضيّة السّديم، تتشكّل الكواكب من خلال عمليّة في الاتّجاه المعاكس للاتّجاه الّذي تشكّلت فيه شمسها (النجم): فهي لا تنهار إلى الداخل، وإنّما تنمو من الداخل إلى الخارج. وهي عبارة عن عمليّة بطيئة ومستمرّة، تصطدم فيها جزيئات الغبار الموجودة في القرص الكوكبيّ الأوّليّ ببعضها البعض، وتتبلور تدريجيًّا إلى حجارة صغيرة. وبدورها، تستمرّ هذه الحجارة في التبلور والالتصاق مع بعضها البعض، مُشَكِّلةً كتلًا صخريّةً كبيرة، يصل قطرها إلى أكثر من كيلومتر واحد، تُسمَّى الكواكب المصغّرة (planetesimals)، أي قطع صغيرة من كوكب. يصبح الكوكب المصغّر بحجمٍ كبيرٍ بما يكفي لجذب موادّ صلبة وغازات من القرص بجاذبيّته الذاتيّة وذلك بحركة سريعة، فيصبح كوكبًا أوّليًّا. كلّما كان الكوكب الأوّليّ أكبر حجمًا، كلّما استطاع تنظيف مادّة القرص حول مداره بشكل أكثر كفاءةً، ويستطيع أيضًا أن يجمع إليه الكواكب الأصغر منه.

على مسافات قريبة نسبيًّا من النجم، تكون درجة حرارة القرص أعلى من درجة حرارة تجمّد المكوّنات المتطايرة مثل الماء والميثان والأمونيا. ولذلك فإنّ هذه الموادّ المتطايرة تكون في حالة من التراكم الغازيّ، ولا يمكنها أن تتكثّف على سطح ذرّات الغبار والصخور وأن تزيد من كبر نواة الكوكب. هكذا تفسّر الفرضيّة كون الكواكب الأقرب إلى الشمس في نظامنا الشمسيّ - عطارد والزهرة والأرض والمرّيخ- كواكب صخريّة.

ونظرًا لأنّ درجة حرارة القرص تنخفض كلّما تمّ الابتعاد عن النّجم بمسافات أبعد من "خطّ الصقيع"- المسافة الّتي تتناسب فيها درجة حرارة القرص مع درجة حرارة تجمّد هذه الموادّ المتطايرة– تكون هناك موادّ صلبة أكثر بكثير والّتي يمكنها أن تشارك في عمليّة تكوين الكوكب. لذلك، عند تلك المسافات، يمكن أن تتشكّل كواكب أوّليّة حجمها أكبر بكثير، مع نواة مكوّنة من الصخور والجليد. هذه الكواكب الأوّليّة العملاقة تكون قادرة على امتصاص كميّة غاز ضخمة من القرص، وتتحوّل إلى عمالقة غازيّة، مثل كوكبَي المشتري وزُحل. وعلى مسافات أكثر بعدًا، فإنّ كثافة المادّة الموجودة على القرص أقلّ، ولذا فقد تشكّلت هناك عمالقة جليديّة أصغر، مثل أورانوس ونبتون. يُعرف هذا النموذج، والّذي يشرح عمليّة تكوّن العمالقة الغازيّة من خلال تراكم كبير للغاز على سطح النواة الأوّليّة للكوكب الأوّليّ، باسم نموذج التراكم المركزيّ.

شموس أخرى، قواعد أخرى؟

إنّ هذه الديناميكيّة تتوافق بشكل جيّد مع بُنية نظامنا الشّمسيّ، حيث يُستنتج من خلالها أنّه لا يمكن للعمالقة الغازيّة أن تتواجد سوى خلف خطّ الصقيع. ولكن، وبشكل مثير للدهشة، فإنّ الكوكب الأوّل الّذي تمّ اكتشافه حول نجم شبيه بالشّمس، 51Pegasi b، هو عملاق غازيّ يدور تقريبًا بجوار شمسه- على مسافة أقلّ بنحو 19 مرّة من المسافة الّتي تفصل بين مدار الأرض والشمس. على هذا الاكتشاف فاز الباحثان ميشيل مايور (Mayor) وديدييه كيلوز (Queloz) بجائزة نوبل في الفيزياء لسنة 2019. ومنذ ذلك الحين، تمّ اكتشاف العديد من العمالقة الغازيّة الّتي تدور في مدارات قريبة من نجمها، وأُطلق عليها لقب "المشتري الحارّ" نسبة إلى كوكب المشتري. ووفقًا للتفسير الرئيس، فقد تشكّلت هذه العمالقة الغازيّة في الأصل بعيدًا عن النجم، خلف خطّ الصقيع، وبعد ذلك هاجرت إلى الداخل إلى مدارٍ أقرب.

اكتشاف جديد نُشر قبل عدّة أشهر في مجلّة Nature Astronomy يتحدّى نموذج التراكم المركزيّ باعتباره التفسير المقبول لنشأة الكواكب الغازيّة. يتّضح أنّه في إطار نظريّة السديم، من الممكن وجود نموذج بديل لتكوّن العمالقة الغازيّة، وهو ما يُعرف بنموذج عدم استقرار القرص. وبحسب هذا النموذج، يمكن أن تتشكّل العمالقة الغازيّة مباشرة من انهيارات لأجزاء من قرص قد تفتّت، دون أن تكون هناك حاجة إلى نشأة مُسبقة لنواة كوكب أوّليّ، على غرار كيفيّة تشكُّل النجوم من انهيارات السحابة الجزيئيّة.

في دراسة قادها عالم الفلك ثايان كوري (Currie) من تليسكوب سوبارو التابع للمرصد الفلكيّ الوطنيّ اليابانيّ في هاواي، اكتشف الباحثون كوكبًا أوّليًّا غازيًّا حول النجم AB Aurigae في كوكبة "مُمْسِك الأَعِنَّة". يُعتبر هذا النجم صغيرًا جدًّا من الناحية الفلكيّة- عمره من 1 إلى 5 ملايين سنة فقط، وهو في الواقع لا يزال مُحاطًا بقرص كوكب أوّليّ. من الصور الّتي تمّ الحصول عليها من تليسكوب سوبارو في هاواي وتليسكوب هابل الفضائيّ، حدّد الباحثون الكوكب الأوّليّ كنقطة مضيئة في القرص، ويظهر فيها أنّه يقوم بتغيير موقعه على طول مداره حول النجم، في صور تمّ التقاطها في سنوات مختلفة.

قدّر الباحثون أنّ كتلة هذا الكوكب الأوّليّ أكبر بتسع مرّات من كتلة المشتري، وأنّ بُعده عن نجمِهِ أكبر بـ 3.1 مرّة من بُعد نبتون عن الشمس. بمثل هذه المسافة من النجم، لا يكون القرص كثيفًا بما يكفي لتشكيل عملاق غازيّ بطريقة الالتصاق والتبلور- كما يقترح نموذج التراكم المركزيّ- لذا، فهذا يعزّز احتماليّة أنّ الكوكب العملاق قد تشكّل بسبب عدم استقرار القرص.