قمر چیست؟ – در علم نجوم و به زبان ساده

فیلم آموزش نجوم باستان تا کیهان‌شناسی در فرادرس

اما سوال مهمی که مطرح می‌شود آن است که قمر چیست؟ قمر، جسمی آسمانی است که در مداری مشخص به دور سیاره‌ای می‌چرخد. قمرها را به عنوان ماهواره‌های طبیعی نیز می‌شناسند. برای آن‌که بتوان قمر را از دیگر اجسام چرخان نجومی، مانند سیاره‌ای چرخان به دور ستاره، تشخیص داد، عبارت قمر به طور خاص برای ماهواره طبیعی سیاره استفاده می‌شود.

قمرهای گالیله‌ای سیاره مشتری به نام‌های اروپا، گالیستو، گانیمد و آیو، نخستین قمرهای کشف شده پس از قمر زمین بودند. این قمرها توسط گالیله در قرن هفدهم میلادی کشف شدند و بزرگ‌ترین و پرجرم‌ترین قمرهای سیاره مشتری هستند. امروزه، با پیشرفت تکنولوژی و ظهور تلسکوپ‌های پیشرفته، تعداد قمرهای کشف شده مشتری به ۶۳ قمر رسیده است. علاوه بر چهار قمر گالیله‌ای سیاره مشتری، دو قمر دیگر به نام‌های تیتان متعلق به سیاره زحل و تریتون متعلق به سیاره نپتون، دیگر قمرهایی هستند که از نظر اندازه با قمر زمین، به نام ماه، قابل مقایسه هستند. نکته بسیار جالب در مورد برخی از بزرگ‌ترین قمرهای منظومه‌شمسی آن است که از زمین‌شناسی فعال هستند. در حالی‌که هیچ نشانه‌ای از فعالیت‌های زمینی، مانند پرتاپ گدازه، در سطح ماه مشاهده نشده است، قمرهای آیو و اروپا متعلق به سیاره مشتری، تیتان متعلق به زحل و تریتون متعلق به نپتون، از نظر آتشفشانی فعال هستند.

پس از پاسخ به پرسش قمر چیست، در مورد تعداد قمرهای هر سیاره در منظومه‌شمسی صحبت می‌کنیم.

هر سیاره چند قمر دارد ؟

هشت سیاره در منظومه شمسی وجود دارند که براساس ساختار تشکیل‌دهنده به گروه‌های زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:

سیاره‌های زمین مانند: سیاره‌های تیر، زهره، زمین و مریخ جزو گروه سیاره‌های زمینی طبقه‌بندی می‌شوند. این سیاره‌ها قمر ندارند یا تعداد قمرهای آن‌ها بسیار کم است. این سیاره‌ها از مواد سنگی تشکیل شده‌اند و از نظر اندازه تقریبا کوچک هستند.
سیاره‌های مشتری مانند: سیاره‌های مشتری، زحل، اورانوس و نپتون در گروه سیاره‌های مشتری مانند طبقه‌بندی می‌شوند.

هر سیاره زمین مانند چند قمر دارد ؟

تعداد قمرهای سیاره‌های زهره و تیر برابر صفر است. زیرا اندازه این دو سیاره بسیار کوچک است و در فاصله بسیار کمی نسبت به خورشید قرار گرفته‌اند. همچنین، نیروی گرانشی این دو سیاره خیلی قوی نیست، بنابراین نمی‌توانند قمری را به دور خود نگه دارند. زمین، یک قمر به نام ماه دارد. مریخ، دو قمر به نام‌های فوبوس و دیموس دارد. این دو قمر قبل از جذب توسط نیروی گرانشی مریخ، سیارک بودند. قمرهای مریخ، کوچک‌ترین قمرها در منظومه‌شمسی هستند.

سیاره مریخ و قمرهای آن — سیاره مریخ به همراه دو قمر آن

هر سیاره مشتری مانند چند قمر دارد ؟

سیاره نپتون، ۱۴ قمر دارد. از آنجا که این سیاره نام خود را از خدای رومی دریا گرفته است، نام قمرهای آن نیز از نام دیگر خدایان دریا گرفته می‌شود. «ترِینِن» (Treinen) نام بزرگ‌ترین قمر نپتون است و بزرگی آن به اندازه سیاره کوتوله پلوتون است. سیاره اورانوس، ۲۷ قمر دارد. «اوبرون» (Oberon) و «تیتانیا» (Titania) بزرگ‌ترین قمر‌های اورانوس هستند و اندازه آن‌ها تقریبا با یکدیگر برابر است. سیاره زحل، ۶۱ قمر دارد. قمر «تیتان» (Titan) بزرگ‌ترین قمر این سیاره و دومین قمر بزرگ در منظومه‌شمسی است. این قمر جو بسیار عجیبی دارد. بزرگ‌ترین قمرها در منظومه‌شمسی، کروی شکل هستند. درحالی‌که، بقیه قمرها شکل شهاب‌سنگ مانند دارند.

تعداد قمرهای مشتری برابر ۶۹ است. آیو، اروپا، گانیمد، و کالیستو بزرگ‌ترین قمرهای این سیاره هستند. قمر آیو، فعال‌ترین قمر منظومه‌شمسی از نظر فعالیت‌های آتشفشانی است. بر طبق تحقیقات انجام شده میزان آب موجود در سطح اروپا در حدود دو برابر آب موجود در زمین است. آب یکی از نشانه‌های حیات است، بنابراین این فرضیه به ذهن می‌رسد که شاید این قمر منشا حیات داشته باشد. گانیمد، بزرگ‌ترین قمر در منظومه‌شمسی، حتی بزرگ‌تر از سیاره مریخ، است. همچنین، این‌گونه به نظر می‌رسد که کالیستو قدیمی‌ترین قمر در منظومه‌شمسی باشد.

تاکنون می‌دانیم قمر چیست و نخستین قمرهای کشف شده چه نام دارند. در ادامه، در مورد قمرهای عجیب در منظومه‌شمسی صحبت می‌کنیم.

قمرهای عجیب در منظومه شمسی

همان‌طور که در مطالب بالا گفته شد نام دیگر قمر، ماهواره طبیعی است. قمرها شکل‌ها، انواع و اندازه‌های مختلفی دارند. قمرها، در حالت کلی، اجسام جامدی هستند که برخی از آن‌ها جو (اتمسفر) دارند. بیشتر قمرهای سیاره‌ها از حلقه‌های گاز و گرد و غباِر چرخان به دور سیاره در نخستین لحظه‌های شکل‌گیری منظومه‌شمسی تشکیل شدند. صدها قمر در منظومه شمسی ما وجود دارند، حتی برخی شهاب‌سنگ‌ها، قمرهای کوچک مخصوص به خود دارند. قمرهایی که نام آن‌ها با حرف انگلیسی و سال شروع می‌شود، به عنوان قمرهای موقتی در نظر گرفته می‌شوند.

هنگامی که وجود این قمرها توسط تجهیزات پیشرفته تایید شود، به آن‌ها نام مناسبی داده می‌شود. تعداد قمرهای سیاره‌های زهره و تیر برابر صفر است. زمین، یک قمر، مریخ دو قمر و زحل، مشتری، اورانوس و نپتون، ده‌ها قمر دارند. هنگامی که این سیاره‌ها در مراحل اولیه تشکیل منظومه‌شمسی رشد می‌کردند، به دلیل نیروی گرانشی بسیار زیاد خود قادر به جذب اجسام کوچک بودند. در ادامه، در مورد چند قمر عجیب در منظومه‌شمسی صحبت می‌کنیم.

قمر یاپتوس

«جووانی دومنیکو کاسینی» (Giovanni Domenico Cassini) قمر «یاپتوس» (Lapetus) را در روز سی‌ام اکتبر سال ۱۶۷۱ کشف کرد. از نظر ستاره‌شناسان، این قمر تنها به صورت نقطه‌ای کوچک ظاهر می‌شود که درخشش آن از کم به زیاد، به هنگام چرخش به دور زحل تغییر می‌کند. مشاهدات کاسینی در سال‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۸۱، تایید شدند. تصویرهای گرفته شده از این قمر در آن سال، انعکاس متفاوت در نیمکره‌های یاپتوس را نشان دادند. بنابراین، سطح این قمر به دلیل تفاوت انعکاس، دو تکه به نظر می‌رسد. تصویر نشان داده شده در ادامه، دوگانگی شدید روشنایی را در سطح این قمر عجیبِ زحل نشان می‌دهد.

به دلیل بخش روشن و تاریک یاپتوس، آن را yin و yang نیز می‌نامند. yin در فلسفه چینی به عنوان نماد زن در جهان و نشانه تاریکی و سردی است. در مقابل، yang در فلسفه چینی، به نماد مرد در جهان اشاره می‌کند و گرما و بهشت را نشان می‌دهد. به بیان دیگر، بخش روشن قمر یاپتوس را نشانه‌ای از گرما و بخش تاریک آن را نشانه‌ای از سرما می‌دانند. یاپتوس در مداری به فاصله ۳۵۶۱۰۰۰ کیلومتری از زحل، به دور آن می‌چرخد. این قمر به دلیل فاصله زیاد از نیروهای جزرومدی زحل، دیگر قمرها و ذرات داخل حلقه‌های زحل، از تاثیرات متعلق به ذوب‌شدگی در امان مانده است.

از این‌رو، سطح آن در مقایسه با سطح دیگر قمرهای زحل، متفاوت است. یاپتوس، همانند برخی از قمرهای زحل، با بزرگ‌ترین قمر آن، تیتان، در رزونانس است. تیتان داخل مداری در فاصله ۱۲۲۱۸۵۰ کیلومتری از زحل، به دور آن می‌چرخد. تیتان و یاپتوس همزمان به هنگام عبور از کنار یکدیگر، سرعت می‌گیرند و از سرعت آن‌ها کاسته می‌شود. اما توجه به این نکته مهم است که قطر قمر یاپتوس در حدود یک‌سوم، قطر تیتان است. بنابراین، مدار چرخشی تیتان نسبت به مدار چرخشی یاپتوس کمتر تحت‌تاثیر قرار می‌گیرد.

کاسینی به هنگام کشف این قمر در سال ۱۶۷۱ میلادی، تفاوت روشنایی و تاریکی سطح آن را مشاهده کرد. او به این نکته پی برد که تنها می‌تواند یاپتوس را در بخش غربی زحل، مشاهده کند. او به درستی نتیجه گرفت که بخشی از یاپتوس بسیار تاریک‌تر از بخش دیگر آن است. دانشمندان برای سال‌های متمادی به دنبال کشف این موضوع بودند که چرا یک نیمکره یاپتوس در مقایسه با نیمکره دیگر آن و دیگر سطوح سیستم زحلی، بسیار تاریک‌تر است. یک نظریه محتمل آن است که شاید یاپتوس ذرات آمده از قمری دورتر و تاریک به نام فیبی را، جاروب کند. اگر دلیل تاریک بودن یکی از نیمکره‌های یاپتوس این موضوع باشد، سطح تاریک به طور پیوسته باید تجدید شود. زیرا تعداد بسیار کمی دهانه‌های روشن در سطح تاریک، شناسایی می‌شوند.

نظریه دیگر برای توجیه تاریک بودن یک نیمکره یاپتوس نسبت به نیمکره دیگر، وجود آتشفشان یخی است. این آتشفشان ممکن است مواد تاریک‌تری را در سطح یاپتوس پخش کند. فوران‌های آتشفشان مانندی از هیدروکربن‌ها ممکن است سطح تاریکی را تشکیل دهند. توجه به این نکته مهم است که تشکیل این سطوح پس از واکنش‌های شیمیایی با تشعشع خورشیدی، تشدید می‌شود. نظریه محتمل‌تر دیگری در سال ۲۰۰۷ مطرح شد. تفکیک حرارتی ممکن است محتمل‌ترین دلیل برای توجیه تاریک بودن نیمکره تاریک یاپتوس باشد.

چرخش یاپتوس به دور زحل بسیار آهسته است و بیش از ۷۹ روز به طول می‌انجامد. این چرخش آهسته به معنای چرخه دمایی روزانه بسیار طولانی است. این چرخه دمایی به اندازه‌ای طولانی است که ماده تاریک می‌تواند گرمای خورشید را جذب کند و گرم شود (ماده تاریک، گرمای بیشتری را نسبت به ماده یخی درخشان، جذب می‌کند). این گرما سبب تصعید گونه‌های یخی داخل ماده تاریک و عقب‌نشینی آن‌ها به ناحیه‌های سردتر در سطح یاپتوس، می‌شود. از این‌رو، ماده تاریک، تاریک‌تر و نواحی سرد و درخشان، درخشان‌تر می‌شوند.

سیاره زحل — هر آنچه باید بدانید | به زبان ساده

دومین ویژگی قابل‌توجه قمر یاپتوس، برآمدگی استوایی آن است. رشته‌ای ده کیلومتری از کوه‌های بلند، کمربندی را به دور استوای این قمر تشکیل داده‌اند. این برآمدگی در سمت ضد زحلی یاپتوس، شکسته و متمایز به نظر می‌رسد. به گونه‌ای که کوه‌های درخشان مشاهده می‌شوند. دو نظریه در مورد چگونگی شکل گرفتن این برآمدگی وجود دارند:

برخی از دانشمندان معتقد هستند که این برآمدگی هنگامی تشکیل شد که سرعت چرخش یاپتوس بسیار بیشتر بود.
برخی نیز عقیده دارند برآمدگی از مواد باقیمانده از فروپاشی یکی از حلقه‌ها، ساخته شده است.

نام قمر یاپتوس چگونه انتخاب شد؟

«جان هرشل» (John Herschel)‌، قمرهای زحل را به افسانه‌ای قدیمی در مورد برادران و خواهران کرونوس ربط داد (کرونوس معادل خدای رومی زحل در اساطیر یونان است). نام یاپتوس از خدای یونان (یا تیتان) یاپتوس گرفته شده است. یاپتوس پسر اورانوس و گایا، برادر کرونوس و پدر اطلس و پرومتئوس است. یونانیان قدیم، یاپتوس را به عنوان پدر نسل بشر می‌شناسند.

پس از پاسخ به پرسش قمر چیست و آشنایی با قمر عجیب و دوگانه یاپتوس، در ادامه در مورد قمر فوبوس یکی از دو قمر مریخ صحبت می‌کنیم.

قمر فوبوس

قمر «فوبوس» (Phobos) در روز هفدهم آگوست سال ۱۸۷۷ میلادی توسط «آساف هال» (Asaph Hall) کشف شد. سیاره مریخ دو قمر دارد که فوبوس قمر بزرگ‌تر آن و میانگین شعاع آن در حدود ۱۱ کیلومتر است. فاصله فوبوس با سیاره خود نسبت به فاصله دیگر قمرهای منظومه‌شمسی نسبت به سیاره‌هایشان، بسیار کمتر و در حدود ۶۰۰۰ کیلومتر است. این قمر، سه بار در روز به دور سیاره مریخ می‌چرخد. مدار چرخش فوبوس به دور مریخ تقریبا دایره‌ای شکل است و هر چرخش آن به دور مریخ در حدود ۷ ساعت و ۳۰ دقیقه، طول می‌کشد. از آنجا که قمر فوبوس به سطح مریخ بسیار نزدیک است، در برخی از قسمت‌های مریخ هرگز نمی‌تواند دیده شود. به بیان دیگر، ناظری که در قطب‌های مریخ ایستاده باشد، قمر فوبوس را به دلیل انحنای سیاره مشاهده نمی‌کند.

فوبوس هر ۱۰۰ سال به اندازه ۱/۸ متر به مریخ نزدیک می‌شود. بنابراین، این قمر در ۵۰ میلیون سال آینده به مریخ برخورد می‌کند یا به حلقه تبدیل می‌شود. ویژگی مهم فوبوس وجود دهانه ۹/۷ کیلومتری به نام «استیکنی» (Stickney) است که سبب ایجاد الگوهای خطی روی سطح این قمر شده است. استیکنی توسط نقشه‌بردار جهانی مریخ مشاهده شد. دانشمندان پس از مشاهده آن به این نتیجه رسیدند که این دهانه توسط گرد و غبار ریز پر می‌شود.

این‌گونه به نظر می‌رسد که دو قمر مریخ، فوبوس و دیموس، از صخره‌ نوع C تشکیل شده‌اند. این صخره مشابه سیارک‌های کندریتی کربن‌دارِ مایل به سیاه است. مشاهدات نقشه‌بردار جهانی مریخ نشان می‌دهد که سطح این جسم کوچک به دلیل برخوردهای چندین ساله شهاب‌سنگ‌ها به پودر تبدیل شده است. اندازه‌گیری‌های قسمت‌های روز و شب فوبوس، تغییرات دمایی بسیار شدیدی را نشان می‌دهد به گونه‌ای که قسمتِ رو به خورشید همانند روز زمستانی خوشایندی در شیکاگو است. در حالی‌که، چند کیلومتر‌ آن طرف‌تر و در بخش تاریک قمر، هوا به شدت سرد، حتی سردتر از شب در قطب جنوب است.

بیشترین دمای قمر فوبوس در حدود ۲۵ درجه فارنهایت یا ۴- درجه سلسیوس و کمترین دمای آن برابر ۱۷۰- درجه فارنهایت یا ۱۱۲- درجه سلسیوس است. این گرمای شدید از دست‌رفته به احتمال خیلی زیاد در نتیجه گردوغبار ریز در سطح فوبوس است. توجه به این نکته مهم است که قمر فوبوس، جو ندارد. دوره مداری فوبوس در حدود سه برابر سریع‌تر از دوره دوره چرخشی مریخ است. توجه به این نکته مهم است که از دید ناظری که روی سطح مریخ ایستاده است، فوبوس از سمت غرب طلوع و از سمت شرق غروب می‌کند. جرم فوبوس به اندازه‌ای کوچک است که گرانش نمی‌تواند آن را به شکل کره درآورد. مشخصه‌های اصلی قمر فوبوس در جدول زیر آورده شده است.

قمر فوبوس	مشخصه مورد نظر
فاصله متوسط از مرکز مریخ	۹۳۷۵ کیلومتر
فاصله متوسط از سطح مریخ	۵۹۸۹ کیلومتر
ابعاد	$13.0 \times 1.39 \times 9.07 km$
جرم	$10.6 \times 10 ^ { 15 } kg$
دوره چرخشی	همزمان
دوره مداری	0/32 روز یا ۷ ساعت و ۳۹ دقیقه
گریز از مرکز مداری	۰/۰۱۵
شیب مداری	$1.1 ^ o$

نام قمر فوبوس چگونه انتخاب شد؟

نام فوبوس برگرفته از نام پسر آرِس (مارس) در افسانه‌های یونانی است.

تا اینجا می‌دانیم قمر چیست و با دو قمر عجیب یاپتوس و فوبوس آشنا شدیم. در ادامه، در مورد قمر عجیب دیگری به نام قمر میماس، متعلق به سیاره زحل، صحبت می‌کنیم.

قمر میماس

قمر میماس با شعاع متوسطی برابر ۱۹۸ کیلومتر، یکی از اصلی‌ترین و کوچک‌ترین قمرهای سیاره زحل است. این قمر، هفتمین قمر کشف شده سیاره زحل بود. میماس در روز هفدهم ماه سپتامبر سال ۱۹۸۹ میلادی توسط ستاره‌شناسی انگلیسی به نام «ویلیام هرشل» (William Herschel) کشف شد. ستاره‌شناسان تا قبل از فرستادن فضاپیما به فضا، میماس را تنها به شکل نقطه‌ای بسیار کوچک مشاهده می‌کردند. سرانجام، در سال ۱۹۸۰ و با فرستادن فضاپیمای کاسینی به فضا، تصاویر واضح و نزدیکی از این قمر به زمین ارسال شدند.

اندازه میماس برای آن‌که شکل کروی خود را حفظ کند به اندازه کافی بزرگ نیست، بنابراین تا حدودی بیضی شکل با ابعاد $207 \times 197 \times 191$ کیلومتر است. ساختار میماس به دلیل اندازه بسیار کوچک به طور کامل از یخ تشکیل می‌شود. در واقع، آب تنها ماده کشف شده در قمر میماس است.

فاصله این قمر از سیاره کلان‌جرم زحل برابر ۱۸۶۰۰۰ کیلومتر و مدت زمان چرخش کامل آن به دور این سیاره برابر ۲۲ ساعت و ۳۶ دقیقه است. بیشتر سطح میماس با دهانه‌هایی با اندازه‌های بزرگ‌تر از ۴۰ کیلومتر پوشانده می‌شود. گرچه، قطر دهانه‌های ناحیه قطب جنوب برابر ۲۰ کیلومتر یا کمتر است. بنابراین، برخی فرایند‌‌های ذوب در این ناحیه دیرتر از دیگر ناحیه‌های این قمر رخ داده‌اند. وجود حفره اصلی و بزرگی به نام هرشل در سطح میماس، یکی از ویژگی‌های قابل‌توجه آن است که شبیه ستاره مرده در جنگ ستارگان می‌کند. توجه به این نکته مهم است که طول این دهانه برابر ۱۳۰ کیلومتر و در حدود یک‌سوم قطر قمر است. برخوردی که سبب ایجاد دهانه‌ای به این بزرگی شد، به احتمال زیاد به اندازه‌ای شدید بود که تا مرز از هم پاشیدن قمر می‌توانست پیش رود. این‌که ضربه‌ای با این شدت منجر به فروپاشی قمر میماس نشد به یکی از پرسش‌های بی‌پاسخ تبدیل شده است.

شکل جامد یخ‌زده میماس گیج‌کننده به نظر می‌رسد. از آنجا که فاصله این قمر نسبت به مریخ، کمتر از فاصله قمر «انسلادوس» (Enceladus) نسبت به مریخ است، مدار میماس بسیار کشیده‌تر از مدار انسلادوس است. بنابراین، از نظر منطقی انتظار می‌رود که قمر میماس گرمایش جزرومدی بیشتری در مقایسه با قمر انسلادوس داشته باشد. اما مشاهدات خلاف این موضوع را نشان می‌دهند. وجود چشمه‌های آب گرم در قمر آنسلادوس دلالت بر وجود حرارت داخلی در این قمر دارد. در مقابل، سطح قمر میماس یکی از سخت‌ترین سطوح در منظومه‌شمسی است.

نکته جالب دیگر در مورد میماس آن است که این قمر به عنوان کوچک‌ترین جسم در منظومه‌شمسی شناخته می‌شود. این قمر به دلیل اثر گرانش خود می‌تواند شکلی نزدیک به کره داشته باشد. مساحت سطحی میماس تنها در حدود ۵۰۰ کیلومتر مربع و قابل مقایسه با مساحت کشور اسپانیا است. سازمان فضایی آمریکا، ناسا، نقشه دمایی میماس را در سال ۲۰۱۰ میلادی منتشر کرد. نقشه منتشر شده، بسیاری از محققان را شگفت‌زده کرد. بر طبق نقشه منتشر شده، استوای میماس، داغ‌ترین ناحیه آن نیست، بلکه نواحی با بیشترین دما در لبه‌های آن گسترده شده‌اند.

نام قمر میماس چگونه انتخاب شد؟

میماس اساطیری، غولی بود که در جنگ بین تیتان‌ها و خدایان المپ، توسط مریخ کشته شد. «جان هرشل» (John Herschel) پسر ویلیام هرشل، نام میماس را برای این قمر انتخاب کرد. ستاره‌شناسان، نام میماس را «زحل ۱» گذاشته‌اند. این نام‌گذاری به این دلیل است که میماس، نزدیک‌ترین قمر به سیاره زحل است.

تا اینجا می‌دانیم قمر چیست و با برخی از قمرهای عجیب در منظومه شمسی آشنا شدیم. در ادامه، ویژگی‌های مهم چند قمر عجیب دیگر را در منظومه‌شمسی توضیح می‌دهیم.

قمر آیو

قمر آیو متعلق به سیاره مشتری و یکی از فعال‌ترین قمرها در منظومه‌شمسی است. این قمر در روز هشتم ماه ژانویه سال ۱۶۱۰ میلادی توسط گالیله کشف شد. در قمر آیو پدیده‌هایی مانند فعالیت‌های آتشفشانی و شفق قطبی وجود دارند. همچنین، این قمر جو یا اتمسفر مخصوص به خود دارد. تاکنون، ۷۹ قمر مشتری شناخته شده‌اند. برخی از این قمرها در مدارهایی نزدیک به مشتری، به دور آن می‌چرخند. قمرهای گالیله‌ای در فاصله دورتری از سیاره مشتری قرار گرفته‌اند. تعداد این قمرها، چهار و به ترتیب آیو، اروپا، گانیمد و کالیستو نام دارند. قمر آیو در فاصله نزدیک‌تری نسبت به سیاره مشتری و قمر کالیستو در فاصله دورتری نسبت به آن قرار گرفته‌اند. فراتر ار قمرهای گالیله و در فاصله بسیار دورتری از سیاره مشتری، قمرهای بدون شکل قرار دارند.

آیو در فاصله بسیار نزدیکی نسبت به مشتری، در فاصله‌ای در حدود ۳۵۰ هزار کیلومتر از سطح سیاره، به دور آن می‌چرخد. مدت زمان چرخش کامل آیو به دور مشتری برابر ۴۲/۵ ساعت است. هر یک چرخش کامل قمر اروپا به دور مشتری برابر دو چرخش کامل‌ آیو به دور مشتری و هر یک چرخش کامل قمر گانیمد به دور مشتری، برابر ۴ چرخش کامل آیو به دور مشتری است. به این پدیده، رزونانس مداری گفته می‌شود. رزونانس مداری، اثر گرانشی متقابل قمرها را بهبود می‌بخشد. به همین دلیل، نیروهای گرانشی دیگر قمرها منجر به خروج از مرکز مدار آیو می‌شوند. این امر یکی از منابع اصلی گرما در آیو و فعالیت‌های آتشفشانی در سطح آن است. گرانش وارد شده بر قمر آیو از سمت سیاره مشتری سبب ایجاد جزومدهای گرمایی در سطح آیو می‌شود. ارتفاع جزرومدها در برخی نقاط در مدار آیو به ۱۰۰ متر می‌رسد. این اثر شبیه جزرومدهای ایجاد شده در اقیانوس‌ها به دلیل گرانش ماه در سطح زمین است. اما قدرت این اثر در زمین بسیار کمتر است و ارتفاع جزر‌ومدها حداکثر به دو متر می‌رسد.

شفق قطبی چیست و به چه دلیل رخ می‌دهد؟ — به زبان ساده

فیلم آموزش کیهان‌شناسی و نجوم – مقدماتی در فرادرس

مقدار نیروی جزرومدی وارد شده بر قمر آیو در حدود ۳۰۰ برابر مقدار این نیرویی است که از طرف ماه بر زمین وارد می‌شود. دلیل این موضوع به نزدیکی آن به بزرگ‌ترین سیاره منظومه‌شمسی مربوط می‌شود. یک روز در قمر آیو مشابه دوره مداری آن است. این بدان معنا است که این قمر از نظر جزرومدی به سیاره مشتری قفل شده است. همان‌گونه که ما تنها می‌توانیم یک رخ ماه را از زمین ببینیم، تنها یک رخ قمر آیو می‌تواند از سطح سیاره مشتری دیده شود. آیو از نظر اندازه تقریبا قمر بزرگی محسوب می‌شود، اما از لحاظ بزرگی در جایگاه سوم بین چهار قمر گالیله‌ای قرار گرفته است. اندازه آن در حدود اندازه ماه است. چگالی ماه برابر ۳/۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب و چگالی آیو برابر ۳/۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب است. بنابراین، اندازه چگالی‌های این دو قمر و در نتیجه اندازه نیروی گرانشی آن‌ها بسیار به یکدیگر نزدیک هستند.

چگالی متوسط قمر آیو از چگالی‌ قمرهای دیگر در منظومه‌شمسی، بزرگ‌تر است. ویژگی مهم دیگر این قمر ماده‌های سازنده آن، یعنی صخره‌های سیلیکاتی و آهنی، هستند. بنابراین، ساختار‌ تشکیل‌دهنده آیو مشابه ساختار زمین و ماه است. بیشتر قمرهای بزرگ در منظومه‌شمسی از یخ و سیلیکات تشکیل شده‌اند. قمر آیو کمترین میزان آب را نسبت به دیگر اجرام شناخته شده در منظومه‌شمسی دارد. هسته آن به احتمال زیاد از آهن یا سولفیدهای آهن ساخته و توسط پوششی غنی از سیلیکات احاطه شده است. بر طبق فرضیه‌های بیان شده، این پوشش به احتمال زیاد مایع است و ضخامت آن به ۵۰ کیلومتر می‌رسد. تمام فعالیت‌های آتشفشانی آیو از این قسمت ناشی می‌شود.

نکته بسیار جالب دیگر در مورد قمر آیو وجود صدها آتشفشان عظیم در سطح آن است. قبل از دهه ۷۰ میلادی، چیز زیادی در مورد این قمر نمی‌دانستیم. گرچه با مشاهدات آن زمان این نتیجه گرفته شد که قمر آیو خالی از آب است و سطح آن از گوگرد ساخته شده است. نخستین ماموریت برای مشاهده جزییات این قمر توسط Pioneer 11 انجام شد. اما اطلاعات به‌دست آمده و تصاویر گرفته شده از کیفیت بالایی برخوردار نبودند. براساس اطلاعات به‌دست آمده از Pioneer 11 مشخص شد که آیو از صخره‌های سیلیکاتی و نه یخ، ساخته شده است و ضخامت جو تشکیل‌دهنده آن بسیار کوچک است.

ماموریت بعدی برای به‌دست آوردن اطلاعات بیشتر از قمر آیو توسط Voyager 1 و Voyager 2 در سال ۱۹۷۹ انجام شد. فاصله Voyager 1 از أیو در حدود ۲۰۰۰۰ کیلومتر بود و توانست تصاویر شگفت‌انگیزی از سطح این قمر تهیه کند. آنچه دیده شد چشم‌اندازی بسیار زیبا و سرشار از رنگ‌های دل‌انگیز بود.همچنین، در تصاویر ثبت شده از آیو در آن زمان، هیچ ردی از دهانه‌های عمیق وجود نداشت. ارتفاع کوه‌ها در سطح آیو از ارتفاع اورست بیشتر است. همچنین، گستره حفره‌های آتشفشانی به صدها کیلومتر می‌رسد.

نکته بسیار جالب دیگر در عکس‌های ثبت شده از آیو، وجود برآمدگی بنفش‌رنگی در سطح آن بود. وجود این برآمدگی ثابت می‌کند که آیو از نظر آتشفشانی فعال است. مشاهدات ثبت شده توسط Voyager 1 نشان داد که سطح آیو از تکه‌های یخی گوگرد تشکیل شده است. بنابراین، رنگ‌های جذاب آیو به دلیل وجود همین تکه‌های گوگرد یخ‌زده است. همچنین، ترکیبات گوگردی مواد اصلی تشکیل‌دهنده جو آیو هستند. کاوشگر Voyager 2 نیز در ماه جولای سال ۱۹۷۹ میلادی، ولی در فاصله بسیار دورتری نسبت به کاوشگر Voyager 1، قمر آیو را رصد کرد. در سال 1995 میلادی تصاویر بسیار دقیق و با وضوح بالا از آیو ثبت شد.

همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، سطح آیو از رنگ‌های مختلف و جذابی تشکیل شده است. بخش‌های زردرنگ از گوگرد و بخش‌های سفیدرنگ از دی‌اکسیدگوگرد یخ‌زده تشکیل شده‌اند. با حرکت به سمت قطب‌ها مشاهده می‌شود که توده‌های گوگرد به دلیل تشعشع آسیب دیده‌اند. بنابراین، بخش‌های نزدیک به قطب در مقایسه با دیگر بخش‌های قمر، قرمزتر به نظر می‌رسند. توجه به این نکته مهم است که نقطه‌های قرمزرنگی در بخش‌هایی از آیو (دور از قطب) نیز دیده می‌شوند. این نقطه‌ها به دلیل فعالیت‌های آتشفشانی سطح آیو ظاهر شده‌اند.

فعالیت شدید قمر آیو به دلیل کشمکش بین گرانش بسیار قوی سیاره مشتری و کشش‌های کوچک‌تر اما دقیق‌تر دو قمر همسایه آن است که در فاصله دورتری از مشتری به دور آن می‌چرخند (قمرهای اروپا و گانیمد). براساس افسانه‌های قدیمی، آیو زنی فانی است که در جنگ بین خدای یونان، زئوس، و همسرش، هرا، به گاو تبدیل شد.

نکته های جالب در مورد قمر آیو

نکته‌های جالبی در مورد قمر آیو وجود دارند که در ادامه مهم‌ترین آن‌ها را بیان می‌کنیم:

سن: قمر آیو در حدود ۴/۵ میلیارد سال قبل و هم‌زمان با سیاره مشتری تشکیل شد.
فاصله از سیاره مشتری: آیو پنجمین قمر از نظر فاصله نسبت به مشتری و فاصله مداری متوسط آن در حدود ۴۲۲ هزار کیلومتر است. این قمر در مدت زمان ۱/۷۷ روز زمینی به دور مشتری می‌چرخد.
اندازه: شعاع متوسط قمر آیو برابر ۱۸۲۱/۳ کیلومتر و کمی از ماه بزرگ‌تر است. آیو از نظر ظاهری به بیضی شباهت دارد و بلندترین محور آن به سمت مشتری قرار گرفته است.
دما: دمای متوسط سطحی آیو در حدود ۱۳۰- درجه سلسیوس است. اما دمای آتشفشان‌های آن می‌تواند تا ۱۶۴۰ درجه سلسیوس برسد.
فاصله از زمین: اگر سیاره‌های مشتری و زمین در یک سمت خورشید قرار بگیرند، فاصله بین قمر آیو و زمین می‌تواند به کمترین مقدار خود، یعنی ۵۸۸ میلیون کیلومتر، برسد. اما در حالت‌های دیگر این فاصله تا حداکثر مقدار ۶۰۱ میلیون کیلومتر افزایش می‌یابد.

تا اینجا، می‌دانیم قمر چیست و با قمرهای یاپتوس، میماس و آیو آشنا شدیم. در ادامه، در مورد قمر کالیستو، یکی از قمرهای مهم سیاره مشتری صحبت خواهیم کرد.

قمر کالیستو

قمر کالیستو، دومین قمر بزرگ مشتری و سومین قمر بزرگ در منظومه‌شمسی است. این قمر از لحاظ اندازه، در حدود سیاره تیر است. در گذشته، دانشمندان کالیستو را همانند جوجه اردکی زشت و تکه‌ای متشکل از سنگ و آب تصور می‌کردند. زیرا این‌گونه به نظر می‌رسید که فعالیت‌های آتشفشانی یا صفحات تکتونیکی فعالی در سطح این سیاره وجود ندارند. اما اطلاعات جمع‌آوری شده توسط فضاپیمای گالیله در دهه ۹۰ میلادی نشان داد که قمر کالیستو رازی را در خود پنهان کرده است.

این قمر اقیانوس نمکی در زیر سطح خود دارد. بنابراین، قمر کالیستو از لیست قمرهای مرده خارج و حتی به جایگاهی محتمل برای ادامه حیات، تبدیل شد. کالیستو به همراه سه قمر بزرگ دیگر، یعنی آیو، گانیمد و اروپا، در روز هفتم ژانویه سال ۱۶۱۰ میلادی توسط گالیله کشف شد. در اساطیر یونانی، کالیستو نام زنی است که توسط زئوس به خرس تبدیل شد.

اندازه و فاصله

کالیستو پس از قمر گانیمد، دومین قمر بزرگ سیاره مشتری و سومین قمر بزرگ منظومه‌شمسی است. محیط این قمر (محاسبه شده در بخش استوا) در حدود ۱۵۱۴۴ کیلومتر محاسبه شد. این قمر در فاصله ۱۸۸۳۰۰۰ کیلومتری از سیاره مشتری، به دور آن می‌چرخد. همچنین، فاصله مشتری از خورشید برابر ۷۷۸ میلیون کیلومتر است. یک چرخش کامل کالیستو به دور مشتری در حدود ۱۷ روز زمین به طور می‌انجامد. کالیستو نیز، همانند آیو به صورت جزرومدی به مشتری قفل شده است و همیشه یک طرف آن روبروی مشتری قرار دارد.

ساختار

کالیستو سطحی یخی است که توسط دهانه‌هایی با شکل‌ها و اندازه‌های مختلف، مانند دهانه‌های کاسه‌ای شکل و دهانه‌هایی با حلقه‌های متعدد، پوشیده شده است. داده‌های جمع‌آوری شده توسط فضاپیمای گالیله نشان داد که کالیستو ممکن است اقیانوسی زیرزمینی داشته باشد. براساس محاسبات انجام شده در آن زمان، این اقیانوس ممکن است در فاصله ۲۵۰ کیلومتری از سطح کالیستو قرار داشته باشد. محاسبات جدید دو فرضیه را در مورد این اقیانوس محتمل می‌دانند:

این اقیانوس در عمق عمیق‌تری قرار داشته باشد.
ممکن است کلا اقیانوسی وجود نداشته باشد.

اگر اقیانوسی وجود داشته باشد، با صخره‌ها برهم‌کنش خواهد کرد. بنابراین، شانس کالیستو برای داشتن حیات افزایش می‌یابد. داخل قمر کالیستو ممکن است لایه‌هایی از مخلوط یخ، صخره و فلز وجود داشته باشند که تا مرکز آن گسترش یافته‌اند.

تشکیل

دانشمندان معتقد هستند که کالیستو و دیگر قمرهای مشتری داخل قرصی از مواد باقی‌مانده از شکل‌گیری مشتری، تشکیل شده‌اند.

سطح

سطح صخره‌ای و یخی کالیستو، قدیمی‌ترین و سنگین‌ترین دهانه در منظومه‌شمسی است. طول عمر سطح این قمر به ۴ میلیارد سال قبل برمی‌گردد و به احتمال قوی توسط شهاب‌سنگ‌ها به آن ضربه‌های مختلفی وارد شده است. از آنجا که اثر این برخوردها به صورت دهانه‌های مختلف هنوز قابل مشاهده است، کالیستو از نظر زمین‌شناسی خیلی فعال نیست و آتشفشان‌های فعالی در سطح آن مشاهده نمی‌شوند. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود سطح کالیستو گویی توسط نقطه‌های درخشانی پوشیده شده است. این نقطه‌های درخشان در واقع قله‌های دهانه‌هایی است که با آب یخ‌زده پوشیده شده‌اند.

جو

فضاپیمای گالیله در سال ۱۹۹۹ میلادی لایه بسیار نازکی از دی‌اکسیدکربن را (جوی با ضخامت بسیار نازک) شناسایی کرد. تحقیقات انجام شده در سال‌های اخیر وجود هیدروژن و اکسیژن را در جو کالیستو نشان می‌دهد.

حیات در کالیستو

کالیستو در فهرست مکان‌های ممکن برای زندگی در منظومه‌شمسی وجود دارد. وجود اکسیژن و اقیانوس نمکی در عمق ۲۵۰ کیلومتری از سطح این قمر این فرضیه را قوت بخشیده است. در مطالب بالا گفتیم که اندازه کالیستو تقریبا برابر سیاره زهره است. بنابراین، این قمر به دلیل اندازه بزرگش می‌توانست سیاره باشد تا قمر. اما از آنجا که کالیستو به جای چرخش به دور خورشید (ستاره)، به دور مشتری (سیاره) می‌چرخد، قمر در نظر گرفته می‌شود. باید به این نکته توجه داشته باشید که چرخش به دور خورشید یکی از اصلی‌ترین عامل‌ها برای تعیین سیاره بودن جرم آسمانی در نظر گرفته شده است.

کالیستو از ماه درخشان تر است

گرچه فاصله کالیستو از زمین در حدود ۶۲۸ میلیون کیلومتر و فاصله آن تا زمین در حدود ۱۸۰ برابر فاصله ماه از زمین است، درخشش آن به هنگام مشاهده با تلسکوپ بسیار بیشتر از ماه است.

فیلم آموزش مبانی گرانش در فرادرس

پس از پاسخ به پرسش قمر چیست و آشنایی با برخی از قمرهای عجیب در منظومه‌شمسی، در ادامه در مورد قمر زمین، یعنی ماه، صحبت می‌کنیم.

قمر ماه

اگر از شما بپرسند قمر چیست و چند قمر نام ببرید، به طور قطع نخستین پاسخی که به ذهنتان می‌رسد، ماه نام دارد. ماه، قمر زمین و یکی از قابل‌تشخیص‌ترین اجسام در منظومه‌شمسی است. نزدیکی ماه به زمین از اهمیت ویژه‌ای برخوردار و به معنای آن است که ماه نقش مهمی در جزرومد زمینی ایفا می‌کند. برخی از مهم‌ترین ویژگی‌های ماه عبارت هستند از:

محیط استوای آن برابر ۱۰۹۱۷ کیلومتر است.
شعاع ماه برابر ۱۷۳۷ کیلومتر است.
فاصله متوسط ماه از زمین برابر ۳۸۴۴۰۰ کیلومتر است.
دمای ماه بین ۱۷۱- تا ۱۲۷ درجه سلسیوس تغییر می‌کند.
ماه با سرعت چرخشی متوسط ۳۶۸۳ کیلومتر بر ساعت می‌چرخد.
مدت زمان چرخش کامل ماه به دور زمین برابر ۲۷ روز زمینی است.
ساختار ماه از نوع صخره‌ای دسته‌بندی شده است.

اندازه ماه

ماه با محیط ۱۰۹۱۷ کیلومتر و شعاع ۱۷۳۷ کیلومتر، اندکی از یک‌چهارم زمین بزرگ‌تر است. در رابطه با زمین، ماه بزرگ‌تر از اندازه‌ای است که انتظار می‌رود. این موضوع ممکن است به دلیل چگونگی شکل‌گیری آن باشد.

ماه چگونه تشکیل شد ؟

آنالیز نمونه‌های جمع‌آوری شده از ماه توسط آپولو نشان می‌دهد که زمین و ماه می‌توانند در اثر برخورد شدیدی بین پیش‌سیاره و جسم نجومی به نام «ثیا» (Theia) تشکیل شده باشند. نظریه‌های مختلفی در مورد چگونگی تشکیل ماه وجود دارند که در ادامه، آن‌ها را به اختصار توضیح می‌دهیم.

ماموریت مهم آپولو پی بردن به چگونگی تشکیل ماه بود. قبل از ماموریت این کاوشگر، سه نظریه در مورد تشکیل ماه وجود داشت:

نظریه تسخیر: بر طبق این نظریه، ماه، همانند سیارک، جسمی سرگردان در منظومه‌شمسی بود که در جای دیگر از این منظومه تشکیل شده بود و به هنگام عبور از نزدیکی زمین، توسط گرانش آن جذب شد.
نظریه برافزایش: بر طبق این نظریه، ماه همراه با زمین و به هنگام شکل‌گیری آن، تشکیل شده است.
نظریه شکافت: بر طبق این نظریه، سرعت چرخش زمین به قدری سریع بود که بخش از مواد آن جدا و به دور سیاره شروع به چرخش کردند.

امروزه، نظریه برخورد بزرگ با استقبال زیادی از طرف ستاره‌شناسان و منجمان همراه است. براساس این نظریه، ماه در اثر برخورد بین زمین و سیاره کوچک دیگری با اندازه‌ای در حدود سیاره مریخ، تشکیل شد. مواد باقی‌مانده از این برخورد در مداری به دور زمین جمع و ماه تشکیل شد. کاوشگر آپولو به هنگام بازگشت به سطح زمین در حدود ۳۳۳ کیلوگرم سنگ و خاک از سطح ماه به زمین آورد. پس از بررسی نمونه‌های جمع‌آوری شده توسط آپولو مشخص شد که شباهت‌های ایزوتوپی و شیمیایی قابل‌توجهی بین زمین و ماه وجود دارند. بنابراین، ستاره‌شناسان به این نتیجه رسیدند که تاریخچه ماه جدا از تاریخچه زمین نیست.

فیلم آموزش رصد آسمان و نجوم در فرادرس

نظریه تسخیر بیان می‌کند که ماه در قسمت دیگری از منظومه‌شمسی به وجود آمد و توسط نیروی جاذبه زمین جذب شد. اگر این نظریه درست باشد، ساختار ماه با ساختار زمین بسیار متفاوت خواهد بود. در صورتی‌که، آنالیز نمونه‌های به‌دست آمده از ماه، خلاف این نظریه را نشان می‌دهد. بر طبق نظریه برافرازش، ماه همراه با زمین و به هنگام شکل‌گیری آن تشکیل شد. همچنین، نظریه شکافت، ماه را بخشی جدا شده از زمین می‌داند. در صورت درستی این دو نظریه، ماه و زمین باید ساختارهای کاملا یکسانی داشته باشند. اما بررسی نمونه‌های به‌دست آمده از ماه نشان داد که ساختار آن اندکی با ساختار زمین متفاوت است. مقدار آب موجود در مواد معدنیِ ماه، کمتر از آب داخل سنگ‌های زمینی مشابه است. همچنین، ماه غنی از موادی است که در دمای بالا به سرعت تشکیل شده‌اند.

در دهه‌های ۷۰ و ۸۰ میلادی بحث‌های زیادی در مورد چگونگی تشکیل ماه انجام شد و سرانجام نظریه برخورد بزرگ مورد قبول عموم دانشمندان قرار گرفت. شهاب‌سنگ‌های قمری نیز منبع بسیار مهمی برای پی بردن به چگونگی تشکیل ماه هستند. حتی گاهی شهاب‌سنگ‌ها نسبت به نمونه‌های جمع‌آوری شده توسط آپولو، اطلاعات بسیار بیشتری به ما می‌دهند. زیرا شهاب‌سنگ‌ها از تمام سطح ماه می‌آیند. در حالی‌که نمونه‌های آپولو تنها از ناحیه‌ای از سطح ماه در نزدیکی استوا جمع شده‌اند.

نظریه برخورد بزرگ

قبل از زمین و ماه، پیش‌زمین و ثیا (هم‌اندازه با سیاره مریخ) وجود داشتند. بر طبق نظریه برخورد بزرگ، در نخستین سال‌های تشکیل زمین، این دو جسم با یکدیگر برخورد کردند. پس از این برخورد سهمگین، تقریبا تمام زمین و ثیا ذوب شدند و به عنوان یک جسم، دوباره تشکیل شدند. دانشمندان، این برخورد عظیم را تحت شرایط مختلف شبیه‌سازی کردند تا به محتمل‌ترین حالت برخورد برسند.

تا اینجا می‌دانیم قمر چیست، در ادامه، در مورد رزونانس مداری و نقش آن در چرخش قمرها به دوره سیاره‌های مختلف صحبت می‌کنیم.

رزونانس مداری در قمر چیست ؟

در مطالب بالا از عبارت رزونانس مداری برای قمرهای مختلف استفاده کردیم. در این بخش، سعی می‌کنیم بدانیم نقش رزونانس مداری در تعیین حرکت قمر چیست. مدت زمان چرخش سیاره‌های مختلف در منظومه‌شمسی به دور خورشید یا دوره مداری هر سیاره، به فاصله آن‌ها نسبت به خورشید بستگی دارد. به عنوان مثال، دوره مداری زمین برابر یک سال یا دوره مداری مریخ به دور خورشید برابر ۱/۹ سال زمینی است.

از میان سیاره‌های منظومه‌شمسی، سیاره زهره کوتاه‌ترین دور مداری و سیاره نپتون طولانی‌ترین دوره مداری را دارند. توجه به این نکته مهم است که علاوه بر چرخش سیاره‌های مختلف به دور خورشید، قمرهای مختلف نیز به دور سیاره‌های خود می‌چرخند. به طور ویژه، به سه قمر بزرگ سیاره مشتری توجه می‌کنیم.

منظومه شمسی چیست — هر آنچه باید بدانید

مدت زمان چرخش قمر آیو به دور مشتری برابر ۱/۷۷ روز و این عدد برابر یک ماهِ آیو است. همچنین، قمر اروپا در مدت زمان ۳/۵۵ روز به دور مشتری می‌چرخد. این عدد به طور دقیق برابر دو ماهِ آیو است. مدت زمان چرخش قمر گانیمد به دور مشتری برابر ۱/۷۷ روز و این عدد برابر چهار ماهِ آیو است. به همین دلیل، مدت زمان چرخش قمر اروپا به دور مشتری به طور دقیق، دو برابر مدت زمان چرخش آیو به دور مشتری و مدت زمان چرخش قمر گانیمد به دور مشتری به طور دقیق، چهار برابر مدت زمان چرخش آیو به دور مشتری یا دو برابر مدت زمان چرخش قمر اروپا است. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چگونه این ارتباط ریاضی دقیق بین مدت زمان چرخش قمرهای گالیله‌ای به دور مشتری وجود دارد. این مورد مثالی از همگامی یا همزمانی است. آیا می‌دانید سازوکار آن چیست؟ در ادامه، به این پرسش با جزییات بیشتری پاسخ می‌دهیم.

به این نکته توجه داشته باشید که مفهوم رزونانس در رزونانس مداری با آنچه در امواج شنیده‌ایم تفاوت دارد. حلقه‌های سیاره زحل را در نظر بگیرید. شکاف‌هایی در حلقه وجود دارند که اجرام فضایی زیادی در آن‌ها قرار گرفته‌اند. هر چه فاصله از سیاره‌ای بیشتر باشد، مدت زمان چرخش کامل به دور آن سیاره نیز افزایش خواهد یافت. فرض کنید در فضاپیمایی در شکاف داخل حلقه‌های زحل قرار داریم. فضاپیما را روشن می‌کنیم و از محل شکاف و حتی از زحل دور می‌شویم. این دور شدن را تا زمانی ادامه می‌دهیم که دوره مداری دو برابر دور مداری صخره‌ها یا اجرام قرار گرفته در شکاف داخل حلقه‌های زحل شود. در این لحظه و در این فاصله چیز بسیار جالبی پیدا خواهیم کرد، قمر میماس.

در برخی مواقع، رزونانس مداری سبب قفل شدن اجسام آسمانی در موقعیت خاصی می‌شود. در مقابل، در برخی مواقع، رزونانس مداری سبب خارج شدن اجسام آسمانی از موقعیت فعلی آن‌ها خواهد شد. دو جسم مختلف را در نظر بگیرید که در فاصله‌های متفاوتی از سیاره خود قرار گرفته‌اند و به دور آن می‌چرخند. از آنجا که دو جسم در فاصله‌های متفاوتی نسبت به سیاره قرار گرفته‌اند، دوره‌های مداری متفاوتی دارند. همچنین، فاصله دو جسم چرخان از یکدیگر نیز به طور پیوسته تغییر می‌کند و گاهی به هم نزدیک و گاهی از یکدیگر دور می‌شوند. در برخی مواقع، فاصله دو جسم از یکدیگر به بیشینه مقدار خود و گاهی اوقات، فاصله آن‌ها از یکدیگر به کمینه مقدار خود می‌رسد. هنگامی که دو جسم در نزدیک‌ترین فاصله از یکدیگر قرار دارند، به اصطلاج گفته می‌شود که با یکدیگر ملاقات می‌کنند. به این نقطه، نقطه ملاقات گفته می‌شود.

اجازه دهید حالت توصیف شده در قسمت قبل را در مورد جرم صخره‌ای قرار گرفته داخل شکاف داخل حلقه‌های زحل و قمر میماس به کار ببریم. مکان صخره را به گونه‌ای در نظر می‌گیریم که دوره مداری آن به طور دقیق، دو برابر دوره مداری قمر میماس باشد. موقعیت را با حالتی آغاز می‌کنیم که صخره و قمر میماس در نزدیک‌ترین فاصله نسبت به یکدیگر قرار داشته باشند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که پس از چه مدت زمانی دوباره در نزدیک‌ترین فاصله نسبت به یکدیگر قرار می‌گیرند.

قمر میماس و صخره در نزدیک‌ ترین فاصله نسبت به یکدیگر قرار گرفته اند — قمر میماس و صخره در نزدیک‌‌ترین فاصله نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند.

قمر میماس و صخره هنگامی برای بار دوم در نزدیک‌ترین فاصله از یکدیگر قرار می‌گیرند که قمر میماس چهار دور کامل (چهار دوره مداری) و صخره دو دور کامل (دو دوره مداری) به دور سیاره زحل بچرخند. پس از این حالت، این دو دوباره در نزدیک‌ترین فاصله و در نقطه یکسانی، همانند تصویر نشان داده شده در بالا، برای بار دوم یکدیگر را ملاقات می‌کنند و این حالت بارها و بارها تکرار می‌شود. به این حالت، رزونانس گفته می‌شود. بنابراین، دو جسم هر بار در زمان و نقطه یکسانی یکدیگر را ملاقات می‌کنند (در نزدیک‌ترین فاصله از یکدیگر قرار می‌گیرند). هر بار که صخره و قمر میماس یکدیگر را ملاقات می‌کنند، نیروی گرانشی میماس ضربه‌ای را به صخره وارد می‌کند. در نهایت، صخره به طور کامل از مکان خود خارج می‌شود. این اتفاق برای تمام صخره‌های موجود در شکاف داخل حلقه‌های زحل رخ می‌دهد. توضیحات بالا حس شهودی ایجاد می‌کند، اما اشتباه هستند.

توضیح بالا بر این حقیقت استوار است که صخره به دلیل نیروی گرانشی قمر میماس به طور منظم و پس از هر ملاقات، پس زده می‌شود. برای انجام این کار نیازی نیست که حتما دوره مداری میماس، نصف دوره مداری صخره باشد. در واقع، لازم نیست نسبت دوره‌های مداری میماس و صخره عدد صحیحی باشد. دو جسم چرخان به دور سیاره‌ای را در نظر بگیرید که نسبت به یکدیگر در رزونانس مداری قرار ندارند. این دو جسم هنوز به طور منظم و در بازه‌های ثابت بین هر ملاقات، در نزدیک‌ترین فاصله از یکدیگر قرار می‌گیرند. اما، این‌بار محل ملاقات آن‌ها ثابت نیست و پس از هر دوره، تغییر می‌کند. آیا در این حالت نیروی گرانشی قمر میماس بر صخره ضربه وارد می‌کند؟ بله. در این حالت، کسی به محل ملاقات و ثابت یا متغیر بودن آن توجهی نمی‌کند. بنابراین، با توجه به توضیح ضربه گرانشی مربوط به قمر زحل، هیچ صخره‌ای نباید در حلقه‌های زحل وجود داشته باشد، اما این‌گونه نیست. بنابراین، اتفاق دیگری می‌افتد.

اگر مدار چرخش بیضی شکل باشد، سرعت حرکت جسم در هر نقطه از مدار متفاوت خواهد بود. سرعت در نقطه‌هایی که بیضی باریک می‌شود بیشتر و در نقطه‌هایی که بیضی پهن می‌شود، کمتر است. نکته کلیدی در اینجا، مدارهای بیضی شکل است. رزونانس مداری تنها در این مدارها اتفاق می‌افتد. در مدارهای دایره‌ای شکل، تمام نقاط روی مدار یکسان هستند. بنابراین، چه کسی به این موضوع اهمیت می‌دهد که دو جسم در نقطه یکسانی یکدیگر را ملاقات کنند یا در نقطه‌های متفاوتی به یکدیگر نزدیک شوند. زیر تمام نقطه‌ها یکسان هستند. این حالت، تنها برای مدارهای دایره‌ای صدق می‌کند. اما در مدارهای بیضی شکل قضیه متفاوت می‌شود. به حرکت جسم روی مدار بیضی در تصویر زیر دقت کنید. همان‌طور که دیده می‌شود، سرعت حرکت جسم در قسمت‌های مختلف مدار متفاوت است. همچنین، مقدار نیروی گرانشی وارد شده بر جسم در نقاط مختلف روی مدار یکسان نیست و در نقطه‌‌ نزدیک به سیاره مقدار نیروی گرانشی، بیشترین مقدار و در نقطه دور از سیاره، مقدار نیروی گرانشی وارد شده کمترین مقدار را دارد.

دو قمر را در نظر بگیرید که به دور سیاره‌ای می‌چرخند و در فاصله‌های متفاوتی نسبت به آن قرار دارند. فرض کنید مدار قمری که در فاصله دورتری نسبت به سیاره قرار دارد، بیضی شکل باشد. همچنین، فاصله قمرها نسبت به سیاره به گونه‌ای است که دوره مداری قمر دورتر، دو برابر دور مداری قمر نزدیک‌تر است. همچنین، فرض کنید دو قمر هنگامی در نزدیک‌ترین فاصله نسبت به یکدیگر قرار می‌گیرند که قمر دورتر در دورترین فاصله نسبت به سیاره قرار داشته باشد. به علاوه، فرض می‌کنیم که قمر نزدیک بزرگ‌تر از قمر دورتر است. بنابراین، اثر قمر دورتر بر قمر نزدیک‌تر قابل‌چشم‌پوشی است. همواره نیروی کششی از سمت قمر نزدیک‌تر بر قمر دورتر وارد می‌شود. توجه به این نکته مهم است که زاویه این نیروی کششی با چرخش قمرهای به دور سیاره تغییر می‌کند. لحظه قبل از ملاقات دو قمر را با یکدیگر در نظر بگیرید (تصویر نشان داده شده در ادامه).

در این لحظه، مولفه‌ای از نیروی کششی در خلاف جهت چرخش قمر دورتر قرار دارد. به بیان دیگر، قبل از آن‌که دو قمر در نزدیک‌ترین فاصله نسبت به یکدیگر قرار بگیرند، قمر نزدیک، حرکت قمر دورتر را کمی کندتر می‌کند یا سبب کاهش تکانه زاویه‌ای قمر دورتر می‌شود. اما پس از ملاقات دو قمر از یکدیگر و فاصله گرفتن آن‌ها از هم، اتفاق کاملا متفاوتی می‌افتد. در این حالت، قمر نزدیک‌تر کمی جلوتر از قمر دورتر حرکت می‌کند. همچنین، مولفه نیروی کششی هم‌جهت با حرکت قمر دورتر است. بنابراین، تکانه زاویه‌ای قمر دورتر پس از ملاقات با قمر نزدیک‌تر، بیشتر می‌شود. از این‌رو، قمر نزدیک‌تر، تکانه زاویه‌ای قمر دورتر را قبل از ملاقات کاهش و پس از ملاقات افزایش می‌دهد.

از آنجا که مدارهای چرخش دو مدار نسبت به خط‌چین سفید نشان داده شده در تصویر زیر متقارن هستند، انتظار می‌رود که دو اثر یکدیگر را خنثی کنند. افزایش تکانه زاویه‌ای قمر دورتر پس از ملاقات دو قمر با یکدیگر، کاهش تکانه زاویه‌ای قمر دورتر را قبل از ملاقات دو قمر با یکدیگر خنثی می‌کند. بنابراین انتظار داریم که این موقعیت با گذر زمان تغییر نکند.

در ادامه، قمرهای یکسان حالت قبل را در نظر بگیرید، اما فرض کنید دو قمر در نقطه متفاوتی نسبت به حالت قبل با یکدیگر ملاقات می‌کنند. سیستم در این حالت متقارن نیست.

یک روز قبل از ملاقات دو قمر با یکدیگر و یک روز بعد از ملاقات دو قمر با یکدیگر را در نظر بگیرید. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، اندازه مولفه نیروی کششی در جهت چرخش قمر دورتر (پس از ملاقات دو قمر با یکدیگر)، بزرگ‌تر از اندازه مولفه نیروی کشش در خلاف جهت چرخش (قبل از ملاقات دو قمر با یکدیگر) است. بنابراین، افزایش تکانه‌ای زاویه‌ای پس از ملاقات نمی‌تواند اثر کاهش تکانه زاویه‌ای قبل از ملاقات دو قمر با یکدیگر را خنثی کند. به بیان دیگر، هنگامی که محل ملاقات دو قمر متقارن نباشد، قمر دورتر هر بار مقداری تکانه زاویه به‌دست می‌آورد.

حالت نامتقارن محل ملاقات دو قمر با یکدیگر

تکانه زاویه‌ای برابر حاصل‌ضرب تکانه در شعاع مدار است:

$L = r m v$

شاید فکر کنید که هر بار با افزایش تکانه زاویه‌ای، سرعت چرخش جسم نیز افزایش خواهد یافت. اما این تصور اشتباه است. به جای آن‌که سرعت حرکت افزایش یابد، شعاع مداری افزایش خواهد یافت. در واقع، اندازه سرعت حتی کمی کاهش می‌یابد، اما افزایش شعاع مداری، کاهش آن را جبران می‌کند. بنابراین، در حالت کلی تکانه زاویه‌ای افزایش می‌یابد. تمام این توضیحات را می‌توان از معادله گرانش به‌دست آورد. در نتیجه، شعاع مداری قمر دورتر، افزایش و سرعت چرخش آن کاهش خواهد یافت. از آنجا که سرعت قمر دورتر کاهش می‌یابد، دو قمر بار دیگر یکدیگر را در نقطه بالاتری نسبت به نقطه قبل ملاقات می‌کنند. از این‌رو، محل ملاقات جدیدتر به خط‌چین تقارن نزدیک‌تر می‌شود. این فرایند تا جایی پیش می‌رود که نقطه ملاقات دو قمر با یکدیگر روی خط متقارن قرار می‌گیرد.

اگر نقطه ملاقات دو قمر قبل از خط تقارن باشد نیز حالت مشابهی رخ می‌دهد. در این حالت، قمر نزدیک‌تر، تکانه زاویه‌ای قمر دورتر را کاهش می‌دهد. بنابراین، شعاع مداری کاهش و سرعت چرخش افزایش می‌یابد. بنابراین، نقطه ملاقات دو قمر با هر بار چرخش به خط تقارن نزدیک‌تر می‌شود. با توجه به توضیحات بالا، به نکته مهمی می‌رسیم. این‌گونه به نظر می‌رسد که با یک مکانیزم بازیابی روبرو هستیم. هرگونه انحراف نقطه ملاقات دو قمر نسبت به خط تقارن با بازگشت نقطه به خط تقارن همراه است. در واقع با حالت تعادلی پایداری طرف هستیم.

توجه به این نکته مهم است که مکانیزم بازیابی برای قمر دورتر به کار برده می‌شود. زیرا، دوره مداری قمر دورتر به طور دقیق دو برابر دوره مداری قمر نزدیک‌تر است. این حالت توسط ما انتخاب شد. اگر این‌گونه نبود و شرایط متفاوتی حاکم بود، نقطه ملاقات می‌توانست در هر جایی از فضا رخ دهد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که نسبت دوره مداری دو قمر نسبت به یکدیگر چگونه مطرح شد.

چگونه مکانیزم بازیابی سبب شد این نسبت از بین نرود؟ قمرها به دلیل نیروهای جزرومدی تمایل دارند تا از سیاره مرکزی دور شوند. زمین به دلیل وجود قمر خود، ماه، دو برآمدگی جزرومدی دارد. یکی از برآمدگی‌ها به سمت ماه و دیگری دور از آن قرار دارد. این برآمدگی‌های به صورت اغراق شده در تصویر زیر نشان داده شده‌اند. برآمدگی جزرومدی نزدیک به ماه، نیروی کششی بر ماه وارد می‌کند و تکانه زاویه‌ای آن را افزایش می‌دهد. در مقابل، برآمدگی جزر‌ومدگی که دور از ماه قرار دارد، عمل متضادی را انجام می‌دهد. اما اثر آن به دلیل دوری بسیار کمتر خواهد بود. نتیجه کلی افزایش تکانه زاویه ماه است. بنابراین، ماه تمایل به دور شدن از زمین دارد.

در ادامه، سیاره‌ای را تصور کنید که دو قمر دارد که در فاصله‌های مشخصی نسبت به سیاره قرار دارند. در این حالت، دوره‌های مداری دو قمر دلخواه هستند و نسبت آن‌ها لزوما دو به یک نیست. نسبت آن‌ها می‌تواند ۱/۸ به یک یا هر عدد دلخواهی باشد. اما به این نکته توجه داشته باشید که در این حالت نیز نیروهای جزرومدی بر قمرها وارد می‌شوند. فرض کنید قمر نزدیک‌تر به دلیل بزرگی اثر این نیروها را زیاد احساس نمی‌کند. اما قمر دورتر اثر نیروهای جزرومدی را به خوبی احساس می‌کند و به آهستگی از سیاره مرکزی دور می‌شود.

با افزایش شعاع مداری، دوره مداری نیز افزایش می‌یابد. با افزایش دوره مداری قمر دورتر، در برخی از نقاط مقدار آن به طور دقیق دو برابر دوره مداری قمر نزدیک‌تر خواهد بود. تا زمانی که مدار قمر دورتر بیضی باشد، مکانیزم بازیابی نقطه ملاقات دو قمر را روی خط تقارن قرار می‌دهد. در این حالت نیز نیروهای جزرومدی هنوز وجود دارند. بنابراین، قمر دورتر به آهستگی دور می‌شود و دوره مداری آن تا هنگامی که نسبت دو به یک دیگر برقرار نباشد، به آهستگی افزایش می‌یابد.

گفتیم قمر دورتر به دلیل افزایش تکانه زاویه‌ای، به آهستگی از سیاره مرکزی دور می‌شود. با افزایش تکانه زاویه‌ای، شعاع مداری افزایش و سرعت چرخش در مدار کاهش می‌یابد. همان‌طور که در مطالب بالا دیدیم کاهش سرعت، نقطه ملاقات دو قمر را تغییر می‌دهد. اما می‌دانیم مکانیزم بازیابی از این تغییر مکان جلوگیری می‌کند. بنابراین، تا زمانی که مکانیزم بازیابی از اثر نیروهای جزرومدی قوی‌تر باشد، قمر دورتر در جایگاه خود باقی می‌ماند. صخره‌های قرار گرفته در شکاف حلقه‌های زحل به دلیل مکانیزم مشابهی از آنجا خارج می‌شوند. مثال‌های زیادی از رزونانس مداری در منظومه‌شمسی وجود دارند. به این نکته توجه داشته باشید که نسبت دوره‌های مداری حتما دو به یک نیستند و می‌توانند نسبت‌های مختلفی داشته باشند.

تا اینجا می‌دانیم رزونانس مداری در قمر چیست و چه نقشی در حرکت آن دارد. در ادامه، در مورد چگونگی اندازه جرم قمر صحبت می‌کنیم.

جرم چیست ؟ – تعریف، نحوه و واحد اندازه گیری در فیزیک

فیلم آموزش فیزیک علوم‌تجربی پایه نهم در فرادرس

اندازه گیری جرم قمر

یکی از مستقیم‌ترین روش‌ها برای تعیین جرم هر جسم نجومی، تعیین شعاع و دوره تناوب ماهواره (طبیعی یا مصنوعی) در مدار چرخش به دور آن است. در مطالب بالا گفتیم که قمرها را به عنوان ماهواره‌های طبیعی می‌شناسند. زمین، یک قمر یا ماهواره طبیعی به دور زمین دارد. اکنون سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که برای تعیین جرم ماه چه کاری باید انجام دهیم.

محصول، خدمات یا برند خود را در مجله فرادرس معرفی کنید.

خوشبختانه، ماه ماهواره‌ای طبیعی به نام زمین دارد. در حقیقت، دو جسم به دور مرکز جرم مشترکشان می‌چرخند. مرکز جرم ماه و زمین در فاصله ۴۶۷۰ کیلومتری از مرکز زمین (

\frac { 3 } { 4 }

شعاع زمین) قرار گرفته است. ماه و زمین هر ۲۷/۳ روز به دور این نقطه می‌چرخند. اگر

R _ e

R _ m

به ترتیب فاصله‌های زمین و ماه از مرکز جرم مشترکشان و

M _ e

M_ m

به ترتیب جرم زمین و ماه باشند، رابطه زیر برقرار است:

$R_ e M_ e = R_ m M _ m$

فاصله مرکز زمین تا مرکز ماه با استفاده از اندازه‌گیری‌های اختلاف منظر در حدود ۳۸۴۴۰۰ کیلومتر به‌دست آمده است. بر طبق محاسبات انجام شده از چرخش ماه و زمین نسبت به یکدیگر و فاصله نسبی آن‌ها نسبت به هم، جرم ماه در حدود $\frac { 1} { 81.3 }$ برابر جرم زمین است. همچنین، جرم زمین را نیز می‌توان با استفاده از رابطه زیر به‌دست آورد:

$M_ e = \frac { 4 \pi ^ 2 ( R_ m + R_ 2 ) ^ 2 } { G T ^ 2 } R _ m$

در رابطه فوق، T برابر ۲۷/۳ روز و G ثابت جهانی گرانش است. با توجه به داشتن مقدارهای زیر و قرار دادن آن‌ها در رابطه مربوط به جرم زمین، مقدار آن را به صورت زیر به‌دست می‌آوریم:

$$G = (6.67) \times 10 ^ { - 11 } \frac {N m ^ 2 } { kg ^ 2 } \ T = (2.358) \times 10 ^ 6 \sec \ R _ m = ( 3. 797 ) \times 10 ^ 8 m \ R _ e = ( 4.670) \times 10^ 6 m \M_e = \frac { 4 (3.14) ^ 2 ( 3.979 \times 10 ^ 8 + 4.670 \times 10 ^ 6 )^ 2 } { 6.67 \times 10 ^ { -11} ( 27.3 ) ^ 2 } \times (3.797 \times 10 ^ 8 ) = 5.973 \times 10 ^ { 2 4 } kg \ M _ m = \frac { M _ e } { 81.3 } = 7.346 \times 10 ^ { 22 }$$