چرا سیاره مشتری با توجه به اندازه بزرگش ستاره نیست؟

کوچک‌ترین ستاره‌ی شناخته‌شده از نوع توالی اصلی در کهکشان راه شیری، کوتوله‌ای سرخ به نام EBLM J0555-57Ab است که در فاصله‌ی ۶۰۰ سال نوری از زمین قرار دارد. این ستاره با شعاع میانگین نزدیک به ۵۹ هزار کیلومتر تنها اندکی بزرگ‌تر از سیاره زحل است. بدین‌ترتیب این کوتوله سرخ کوچک‌ترین ستاره‌ی شناخته‌شده است که گداخت هیدروژنی در هسته‌ی آن انجام می‌شود؛ فرآیندی که انرژی ستاره برای سوزاندن را تا پایان عمر فراهم می‌کند.

در منظومه‌ی شمسی دو جرم بزرگ‌تر از ستاره‌ی یادشده وجود دارد. یکی از آن‌ها خورشید است؛ اما دیگری سیاره مشتری است که شعاع آن به ۶۹٬۹۱۱ کیلومتر می‌رسد؛ اما چرا مشتری با توجه به این ابعاد یک سیاره است نه ستاره؟

پاسخ به پرسش فوق ساده است: مشتری از جرم کافی برای پشتیبانی از فرایند گداخت هیدروژنی به هلیوم برخوردار نیست. ستاره‌ی EBLM J0555-57Ab نزدیک به ۸۵ برابر سنگین‌تر از مشتری است. اگر این ستاره هم اندکی سبک‌تر بود قادر نبود فرایند گداخت هیدروژنی را انجام دهد؛ اما اگر منظومه‌ی شمسی ساختار متفاوتی داشت آیا ممکن بود سیاره مشتری هم به شکل یک ستاره بدرخشد؟

مشتری و خورشید شبیه‌تر از آن هستند که تصور می‌کنید

مشتری شاید ستاره نباشد اما تأثیر زیادی بر منظومه‌ی شمسی دارد. جرم این غول گازی ۲٫۵ برابر جرم کل دیگر سیاره‌های منظومه‌ی شمسی است. از طرفی مشتری چگالی اندکی دارد که به ۱٫۳۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌رسد. درحالی‌که چگالی زمین نزدیک به ۵٫۵۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب است که چهار برابر بیشتر از چگالی مشتری است.

اما جالب است به شباهت‌های بین مشتری و خورشید اشاره کنیم. چگالی خورشید ۱٫۴۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب است. این دو جرم همچنین از نظر ترکیبی شباهت زیادی به یکدیگر دارند. از نظر جرمی، نزدیک به ۷۱ درصد خورشید از هیدروژن و ۲۱ درصد آن از هلیوم تشکیل شده است همچنین ردهایی از عناصر دیگر در آن دیده می‌شود. از طرفی ۷۳ درصد مشتری از هیدروژن و ۲۴ درصد آن از هلیوم تشکیل شده است.

تصویرسازی سیاره مشتری و قمر آن آیو

به دلایل فوق، مشتری گاهی اوقات ستاره‌ی ناکام نامیده می‌شود؛ اما باز هم بعید است مشتری حتی به ستاره بودن نزدیک شود. ستاره‌ها و سیاره‌ها در دو مکانیزم کاملاً متفاوت تشکیل می‌شوند. ستاره‌ها زمانی به وجود می‌آیند که گره متراکمی از ماده در ابر مولکولی میان‌ستاره‌ای تحت گرانش خود دچار فروپاشی می‌شود. این ماده در فرآیندی به نام فروپاشی ابری شروع به چرخش می‌کند. با ادامه‌ی چرخش، مواد بیشتری از ابر اطراف وارد قرص برافزایشی ستاره‌ای می‌شود.

با افزایش جرم و درنتیجه گرانش، هسته‌ی ستاره‌ی نوزاد فشرده و فشرده‌تر می‌شود که باعث افزایش دما و داغ‌تر شدن آن می‌شود. در نهایت، این جرم به قدری فشرده و داغ می‌شود که هسته‌ی آن مشتعل شده و فرایند گداخت گرماهسته‌ای آغاز می‌شود.

براساس درک ما از فرایند شکل‌گیری ستاره‌ها، وقتی مواد برافزایشی ستاره به پایان برسند، بخش کاملی از قرص برافزایشی آن باقی می‌ماند. سیاره‌های از این باقی‌مانده شکل می‌گیرند. به عقیده‌ی ستاره‌شناس‌ها، برای غول‌های گازی مثل مشتری این فرایند که تجمع سنگ‌ریزه نامیده می‌شود، با توده‌های کوچکی از سنگ‌های یخی و غبار در قرص آغاز می‌شود. با چرخش این مواد به اطراف ستاره‌ی نوزاد، کم‌کم تراکم آن‌ها شروع می‌شود و با نیروی الکتریسیته‌ی ساکن به یکدیگر می‌چسبند. در نهایت این توده‌های روبه‌رشد به اندازه‌ی نزدیک به ۱۰ برابر جرم زمین می‌رسند؛ به‌طوری‌که می‌توانند از نظر گرانشی گازهای بیشتری را از قرص اطراف جذب کنند.

از این مرحله، رشد تدریجی مشتری و رسیدن آن به جرم فعلی آغاز شد. جرم فعلی مشتری ۳۱۸ برابر جرم زمین و ۰٫۰۰۱ جرم خورشید است. وقتی غول گازی تمام ماده‌ی دردسترس خود را جذب کرد رشد آن متوقف می‌شود. درنتیجه سیاره مشتری هرگز حتی به جرم کافی یک ستاره نزدیک نشده است. علت شباهت ترکیب مشتری به خورشید این نیست که ستاره‌ای ناکام است؛ بلکه علت متولد شدن در ابر گاز مولکولی یکسان با خورشید است.

ستاره‌های ناکام واقعی

گروه متفاوتی از اجرام وجود دارند که می‌توان آن‌ها را در دسته‌ی ستاره‌های ناکام طبقه‌بندی کرد. این اجرام کوتوله‌های قهوه‌ای نامیده می‌شوند و می‌توانند شکاف بین غول‌های گازی و ستاره‌ها را پر کنند.جرم کوتوله‌های قهوه‌ای از ۱۳ برابر جرم مشتری شروع می‌شود. این اجرام به اندازه‌ی کافی سنگین هستند تا از گداخت هسته‌ای پشتیبانی کنند، اما این گداخت از نوع هیدروژن معمولی نیست بلکه از نوع دوتریوم یا هیدروژن سنگین است. دوتریوم ایزوتوپی از هیدروژن است که به جای تنها یک پروتون دارای یک پروتون و یک نوترون در هسته است. دما و فشار گداخت دوتریومی پائین‌تر از دما و فشار گداخت هیدروژنی است.

ازآنجاکه گداخت دوتریومی در جرم، دما و فشار کمتر رخ می‌دهد، یکی از گام‌های رسیدن به گداخت هیدروژنی برای ستاره‌هایی است که فرایند برافزایشی آن‌ها ادامه دارد و جرم اطراف خود را جذب می‌کنند؛ اما برخی اجرام هرگز به جرم لازم برای گداخت هیدروژنی نمی‌رسند.

بازسازی پرواز بر فراز مشتری

مدت کوتاهی پس از کشف کوتوله‌های قهوه‌ای در سال ۱۹۹۵، این اجرام ستاره‌های ناکام یا سیاره‌های جاه‌طلب نامیده شدند اما پژوهش‌های متعدد نشان می‌دهند شکل‌گیری این اجرام مانند ستاره‌ها از فروپاشی ابری بوده است نه تجمع هسته؛ برخی کوتوله‌های قهوه‌ای حتی از جرم کافی برای گداخت دوتریومی برخوردار نیستند و همین مسئله تشخیص آن‌ها را از سیاره‌ها دشوار می‌کند.

سیاره مشتری دقیقاً دارای حد پائین جرمی برای فروپاشی ابری است؛ کم‌ترین جرم موردنیاز برای فروپاشی ابری تقریباً برابر با جرم سیاره مشتری است. درنتیجه اگر سیاره مشتری از فروپاشی ابری تشکیل می‌شد می‌توانستیم آن را در گروه ستاره‌های ناکام قرار دهیم؛ اما داده‌های کاوشگر جونو ناسا نشان می‌دهد حداقل زمانی سیاره مشتری دارای هسته‌ای جامد بوده است که با نظریه‌ی شکل‌گیری تجمع هسته سازگارتر است.

مدل‌سازی‌ها نشان می‌دهند کران بالای جرم سیاره‌ای و تشکیل ازطریق روش تجمع هسته، کمتر از ۱۰ برابر جرم مشتری است. درنتیجه سیاره مشتری در گروه ستاره‌های ناکام قرار نمی‌گیرد؛ اما با تفکر درباره‌ی علت این مسئله می‌توان به درک بهتری از چگونگی عملکرد کیهان رسید. علاوه بر این سیاره مشتری دارای ظاهری طوفانی، نواری و پیچان است و وجود انسان‌ها احتمالاً بدون این غول گازی امکان‌پذیر نمی‌شد.