همه چیز درباره کمربند سیارکی و مهمانان ناخوانده آن اطراف زمین!

یکی از محدوده‌های هیجان‌انگیز منظومه‌ی شمسی، کمربند سیارکی است که بین مریخ و مشتری قرار دارد و گستره‌ای از میلیون‌ها جرم کوچک را شامل می‌شود. اجرامی که بقایای فرآیند شکل‌گیری منظومه‌ی شمسی هستند و با شکل‌ها و اندازه‌های گوناگون، مانند سیاره‌ها دور خورشید می‌چرخند. این منطقه با داشتن موادی از دوران ابتدایی منظومه‌ی شمسی، برای درک تاریخچه‌ی زمین و منشأ مواد آلی اهمیت ویژه‌ای دارد.

‌
برای دیدن خلاصه این مقاله با هوش مصنوعی کلیک کنید!

کشف کمربند سیارکی

«یوهان تیتیوس» (Johann Titius) ستاره‌شناس آلمانی قرن هجدهم، با اشاره به یک الگوی ریاضی در چیدمان سیارات، وجود سیاره‌ای میان مریخ و مشتری را پیش‌بینی کرد. در سال 1800 میلادی، ستاره‌شناسان به صورت ویژه برای یافتن سیاره‌ی گمشده تلاش کردند که نتیجه نداشت. کشف اولین جرم در این منطقه اما توسط «جوزپه پیازی» (Giuseppe Piazzi) ستاره‌شناس ایتالیایی انجام شد و آن را سرس نامید. جرم دوم یعنی پالاس، کمی بیش از یک سال بعد پیدا شد.

سیاره کوتوله سرس
Credit: SO/L.Calçada/NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/Steve Albers/N. Risinger

این اجرام مدتی به عنوان سیاره شناخته می‌شدند اما تا آغاز قرن نوزدهم، بیش از 100 مورد یافت شد و دانشمندان دریافتند که این اجرام برای اینکه سیاره در نظر گرفته شوند، بسیار کوچک هستند. بنابراین آن‌ها را سیارک نامیدند و جایگاه «کمربند سیارکی» (Asteroid Belt) در منظومه‌ی شمسی تعریف شد.

خاستگاه و تکامل

در آغاز شکل‌گیری سامانه‌ی خورشیدی، قرصی از گرد و غبار و گاز به دور ستاره‌ی مرکزی می‌چرخید که از به هم پیوستن آن‌ها بر اثر گرانش، سیارات و قمرها شکل گرفتند. در ناحیه‌ی بین مریخ و مشتری اما وضعیت متفاوت شد و نیروی گرانش قدرتمند سیاره مشتری از تجمع کامل مواد و شکل‌گیری سیاره‌ی کامل جلوگیری کرد.

طرحی گرافیکی از کمربند سیارکی
Credit: ESA/ATG medialab

در نتیجه‌، خرده‌سنگ‌ها، سیارک‌ها و بسیاری از اجرام کوچک در این ناحیه باقی مانده‌اند که امروز به عنوان کمربند سیارکی شناخته می‌شود. طبق گفته‌ی ناسا، جرم کل کمربند کمتر از قمر زمین و بسیار کوچک‌تر از آن است که به تشکیل یک سیاره برسد. این خرده‌سنگ‌ها همچنین توسط مشتری هدایت می‌شوند که حتی مانع از ادغام آن‌ها با دیگر سیارات در حال رشد می‌شود.

اما منظومه‌ی شمسی ما تنها سامانه‌ی ستاره‌ای نیست که کمربند سیارکی دارد. ستارگان دیگر هم نشانه‌هایی مبنی بر وجود کمربندهای سیارکی دارند و این کمربندها ممکن است بسیار رایج باشند. مطالعات کوتوله‌های سفید، به عنوان پایان عمر ستاره‌های خورشید-مانند هم نشان می‌دهد مواد سنگی روی سطح آن‌ها می‌افتند و این یعنی چنین کمربندهایی در اطراف سیستم‌های در حال مرگ رایج هستند.

ساختار و ترکیب

کمربند سیارکی یک حلقه‌ی همگن نیست، بلکه اجرام آن ترکیبات گوناگونی مانند مواد سنگی، فلزی تا کربن‌دار و یخی را دربر می‌گیرند. دسته‌بندی رایج برای انواع اجرام موجود در کمربند سیارکی، بر اساس نوع طیفی انجام می‌شود که نشان‌دهنده‌ی ترکیب و تاریخ گرمایش جسم است. بیش از 75 درصد سیارک‌های شناخته‌شده از نوع C یا «کربنی» هستند. این اجرام بسیار تیره و تقریبا سیاه هستند و ترکیبشان شباهت زیادی به شهاب‌سنگ‌های کربنی یافت‌شده در زمین دارد که احتمالا قطعات جداشده از سیارک‌های بزرگ‌ترند. با وجود فراوانی آن‌ها در کمربند سیارکی، تنها حدود 40 درصد از سیارک‌های نزدیک‌تر به خورشید از این نوع هستند و زیرگروه‌هایی مانند B و F و G هم دارند.

پس از آن، سیارک‌های S یا «سیلیکاته» با حدود 17 درصد از کل سیارک‌ها قرار دارند که در بخش درونی کمربند غالب هستند و از ترکیب نیکل-آهن فلزی با سیلیکات‌های آهن و منیزیم ساخته شده‌اند. گروه سوم، سیارک‌های M یا «فلزی»، نسبتا درخشان هستند و بیشتر از نیکل و آهن خالص تشکیل و در نواحی میانی کمربند متمرکز شده‌اند. علاوه بر این، انواع نادرتری مانند A و D و E و P و Q و R هم وجود دارند.

بزرگ‌ترین سیارک‌های کمربند سیارکی
Credit: Wikideas1

کمربند اصلی سیارک‌ها بیش از دو و نیم برابر فاصله‌ی زمین، یعنی حدود 300 تا 500 میلیون کیلومتر از خورشید فاصله و میلیون‌ها سیارک دارد. اکثر آن‌ها نسبتا کوچک و از اندازه‌ی تخته سنگ تا چند هزار متر هستند. برخی از آن‌ها اما به طور قابل توجهی بزرگ‌تر هستند. بیش از 16 سیارک در کمربند با قطری بیش از 240 کیلومتر وجود دارد. بزرگ‌ترین سیارک‌ها، وستا، پالاس و هایجیا، دارای طول 400 کیلومتر و بیشتر هستند. طبق برآوردها، در کمربند اصلی بیش از یک میلیون سیارک بزرگ‌تر از یک کیلومتر وجود دارد و میلیون‌ها ریزسنگ کوچک‌تر هم در آن پراکنده شده‌اند که همه منبع بالقوه‌ای برای ایجاد شهاب‌ها از جمله در آسمان زمین هستند.

سیاره‌ی کوتوله‌ی سرس هم در همین منطقه قرار دارد. این جرم معروف، با قطر 950 کیلومتر یا حدود یک‌چهارم اندازه‌ی ماه، کروی است و تقریبا یک‌سوم جرم کمربند سیارکی را شامل می‌شود، اما برای اینکه یک سیاره‌ی کامل باشد، بسیار کوچک است. با این وجود باید دانست که کمربند سیارکی به اندازه‌ای بزرگ است که احتمال برخورد با یکی از اجرام بسیار کم و طبق یک برآورد حدود یک در میلیارد است.

موقعیت کمربند سیارکی
Credit: Space Facts

اجرامی که به هشت زیرگروه تقسیم می‌شوند. هر گروه به نام سیارک‌های اصلی خود، یعنی هانگریا، فلوراس، فوکایا، کورونیس، ایوس، تمیس، سیبلس و هیلداس نام‌گذاری شده است. همچنین مناطق نسبتا خالی درون کمربند وجود دارد که به عنوان «شکاف‌های کرک‌وود» (Kirkwood Gaps) شناخته می‌شوند و نتیجه‌ی کشش گرانشی مشتری هستند که با تشدید مداری برخی مناطق را خالی و برخی را متمرکز می‌کند.

مأموریت‌های نمونه‌برداری و شناخت کمربند

شناخت دقیق کمربند سیارکی هم از نظر درک پیشینه‌ی زمین و منظومه‌ی شمسی، و هم از نظر منابع معدنی موجود در سیارک‌های اهمیت زیادی دارد. به همین دلیل دانشمندان تنها به ابزارهای رصدی بسنده نکرده‌اند و نمونه‌برداری از کمربند سیارکی را پیش برده‌اند. از جمله آن‌ها می‌توان به مأموریت «سپیده‌دم» (Dawn) ناسا اشاره کرد که به بازدید از دو جرم بزرگ کمربند یعنی «سرس» (Ceres) و «وستا» (Vesta) اختصاص داشت و ساختار داخلی، تاریخچه‌ی تغییرات و ترکیب این اجرام را آشکار کرد.

طرحی گرافیکی از کاوشگر اسیریس-رکس
Credit: NASA

«اسیریس-رکس» (OSIRIS-REx) هم نمونه‌ای از سیارک «بنو» (Bennu) گردآوری و به زمین آورد. بر اساس تحلیل‌های اولیه، نمونه‌ها حاوی مواد آلی و ترکیبات مرتبط با آب هستند که سرنخ‌هایی را درباره‌ی نقش سیارک‌ها در تأمین مواد اولیه‌ی حیات روی زمین ارائه می‌دهد. فضاپیمای «هایابوسا2» (Hayabusa2) ژاپن هم نمونه‌هایی از سیارک «ریوگو» (Ryugu) را بازگرداند که به شناخت ترکیب کربن‌دار و ساختار سطحی اجرام کوچک کمک کرد.

برخی نمونه‌های سیارکی جمع‌آوری شده توسط کاوشگر هایابوسا2
Credit: JAXA

معدن‌کاوی سیارکی

سیارک‌ها به اندازه‌ای طلا و دیگر فلزات گرانبها دارند که می‌توانند ثروت چند نسل را فراهم کنند. شاید بهترین راه برای استفاده از آن، آوردن سنگ‌های فضایی به زمین باشد. بیشتر فلزاتی که در زندگی روزمره استفاده می‌کنیم در اعماق زمین دفن شده‌اند و این یعنی وقتی سیاره جوان ما هنوز مذاب بود، تقریبا تمام فلزات سنگین به هسته فرو رفتند که دسترسی به آن بسیار دشوار است. رگه‌های قابل دسترس فلزات ارزشمند از برخوردهای بعدی سیارک‌ها به سطح زمین آمده‌اند.

اما سیارک‌ها با داشتن تمام ترکیبات عناصر مشابه سیاره‌ها، برای دستیابی نیازی به حفاری هم ندارند. مشکل اصلی دور بودن آن‌هاست که پرتاب موشک و فرآیند استخراج را بسیار گران خواهد کرد.

نزدیک شدن به زمین

با برهم‌کنش‌های گرانشی به ویژه با مشتری و برخوردهای میان سیارک‌ها، برخی اجرام از مدار پایدار کمربند سیارکی خارج شده و به مدارهای کشیده‌ای وارد می‌شوند که ممکن است مسیرشان حتی با مدار زمین تلاقی داشته باشد. اگر چنین اجرامی وارد فضای نزدیک زمین شوند به عنوان «سیارک‌های نزدیک زمین» (Near-Earth Asteroids) شناخته می‌شوند. شمار این سیارک‌ها طی دهه‌های اخیر افزایش یافته و رصد و دنبال کردن آن‌ها یکی از اولویت‌های آژانس‌های فضایی از جمله ناسا و آژانس فضایی اروپا است.

شماری از اجرام نزدیک زمین
Credit: NASA

بارش‌های شهابی

برخی سیارک‌ها، به ویژه آن‌هایی که مدارشان زمین‌گذر است یا تمایل به آزادسازی خرده‌ریز دارند، می‌توانند سالانه آسمان ما را با شهاب‌هایی چشمگیر همراه کنند. هرچند بیشتر بارش‌های شهابی از بقایای انواع دنباله‌دار سرچشمه می‌گیرند، اما چند بارش مشهور منشأ سیارکی دارند. «بارش شهابی جوزایی» (Geminids) که منشأ آن به سیارک 3200 فایتون (Phaethon) نسبت داده می‌شود، یکی از درخشان‌ترین بارش‌های سالانه است و برخلاف ماهیتِ معمول بارش‌ها از دنباله‌دارها، از یک جسم سنگی ایجاد می‌شود. «بارش شهابی ربعی» (Quadrantids) هم به احتمال قوی از بقایای یک جرم مشابه یا دنباله‌دار منقرض‌شده سرچشمه می‌گیرند و اوج درخشانی دارند.

طرح گرافیکی سیارک فایتون
Credit: NASA

خطر برخورد با زمین و راهبردهای دفاعی

برخورد اجرام بزرگ کمربند سیارکی با زمین بسیار نادر است، با این وجود نمونه‌هایی مانند رویداد «چلیابینسک» (Chelyabinsk) در سال 2013 که از یک جسم کوچک وارد شده به زمین با منشأ کمربند سیارکی رخ داد، نشان می‌دهند که رصد و پیش‌بینی مسیر سیارک‌ها و اجرام نزدیک به زمین ضروری است. به همین دلیل سازمان‌های فضایی بین‌المللی برنامه‌هایی را برای کشف و ردیابی سیارک‌های نزدیک زمین شکل داده‌اند و حتی طراحی روش‌هایی را برای منحرف‌سازی احتمالیِ اجرام خطرناک دنبال می‌کنند.

از جمله فضاپیمای «دارت» (DART) ناسا در سال 2022 به صورت کنترل شده با قمر کوچک سیارک دیمورفوس برخورد کرد، تا نشان دهد که می‌توان مسیر سیارک را با ضربه‌ی کنترل‌شده تغییر داد. موفقیت مأموریت دارت نخستین آزمایش عملی دفاع سیاره‌ای در تاریخ بشر بود و نشان داد که انسان توانایی فنی منحرف‌سازی اجرام کوچک خطرناک را برای محافظت از زمین دارد.

اهمیت علمی

کمربند سیارکی مانند یک موزه‌ی زنده از مواد اولیه‌ی سامانه‌ی خورشیدی است. نمونه‌برداری‌ها و رصدهای آینده توسط تلسکوپ‌های اپتیکی، رادیویی و مأموریت فضاپیماها، اطلاعات بیشتری درباره‌ی ترکیب آلی، تاریخچه‌ی گرمایی و تحولات دینامیکی این اجرام فراهم می‌کنند. دانشی که هم در اخترزیست‌شناسی و هم در آماده‌سازی برای دفاع سیاره‌ای، حیاتی است و نمی‌توان از آن غافل بود.

فاصله کمربند سیارکی نسبت به خورشید
Credit: NASA

جمع‌بندی

کمربند سیارکی، در میان مدار مریخ و مشتری، ناحیه‌ای پویا و در عین حال قدیمی است که رازهای شکل‌گیری سیارات و سرگذشت مواد سازنده‌ی حیات را در دل خود جای داده است. این محدوده منشاء برخی بارش‌های شهابی و حتی تهدیدات بالقوه برای زمین به شمار می‌رود و همه‌ی این‌ها باعث می‌شوند از مناطق اسرارآمیز و جذاب منظومه‌ی شمسی برای کاوش باشند. کاوش‌هایی که هرچند اکنون به صورت رباتیک انجام می‌شوند، اما شاید روزی بشر مستقیما از کمربند سیارکی بازدید کند و حتی روی یکی از اجرام آن گام بگذارد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از کمربند سیارکی
Credit: National Geographic

منابع: NASA Science, Space, Britanica, ESA