آیا یکی از قمرهای زحل از یخ تیتان ساخته شده است؟
سامانهٔ زحل دو ویژگی عجیب دارد. یاپتوس، یکی از قمرهای بزرگ آن، به‌طور غیرعادی سرشار از یخ است: در مقایسه با اجرام بزرگ یخی منظومهٔ شمسی بیرونی — کوائوار، پلوتو، تریتون — آب بسیار بیشتری نسبت به سنگ در خود دارد. کوائوار از یاپتوس کوچک‌تر است، اما بسیار چگال‌تر. و تیتان، قمر غول‌پیکر زحل، مداری را می‌پیماید که کشیده‌تر از حد انتظار است (با خروج از مرکز ۰٫۰۲۹ در حال حاضر).
تیتان در فاصلهٔ حدود ۱٫۲ میلیون کیلومتری زحل می‌گردد؛ یاپتوس در فاصلهٔ حدود ۳٫۶ میلیون کیلومتری.
یک برخورد، دو معما؟
ایگناسیو موسکیرا از دانشگاه ایالتی سن‌خوزه ایده‌ای را می‌آزماید که در ۲۰۰۵ همراه با پی. آر. استرادا مطرح کرده بود: برخوردی غول‌آسا با تیتان. این برخورد یخ را از گوشتهٔ بیرونی تیتان به مدارهای دوری به گرد زحل پرتاب می‌کرد، که در آن‌جا می‌توانست گرد هم آید و یاپتوس را بسازد. همین ضربه مدار تیتان را نیز کشیده می‌کرد.
این سناریو از برخوردهای «بزن و در رو» الهام می‌گیرد که پیش‌تر برای توضیح هستهٔ آهنی بیش از اندازه بزرگ عطارد به کار رفته‌اند: هستهٔ سنگی جسم برخوردکننده به راهش ادامه می‌دهد، در حالی که یخِ کنده‌شده از گوشته‌ها بر جای می‌ماند.
آنچه شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند
این مطالعه از شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی برخورد (با کد Spheral از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور) استفاده می‌کند که گرانش زحل را نیز در بر می‌گیرند، و سپس آوار را طی روزها، سال‌ها و تا ۵۰ سال دنبال می‌کند. هر دو جرم هسته‌ای سنگی و گوشته‌ای یخی دارند.
سناریوی ۱ — جسم برخوردکننده‌ای از بیرون سامانهٔ زحل. جسمی به جرم یک‌دهم تیتان با سرعت ۱۰ کیلومتر بر ثانیه به‌طور مورب برخورد می‌کند.
- پنج روز بعد، حدود ۳٫۵ برابر جرم یاپتوس آوار همچنان به زحل مقید است که ۸۳ درصد آن یخ است.
- ۹۵ درصد این یخ از گوشتهٔ تیتان می‌آید.
- یک نمونهٔ یخی مداری را می‌پیماید که به فراتر از فاصلهٔ یاپتوس می‌رسد.
- هستهٔ سنگی جسم برخوردکننده برای همیشه از زحل می‌گریزد.
- خروج از مرکز مدار تیتان به حدود ۰٫۱۳ می‌جهد.
سناریوی ۲ — همدمی که از پیش به گرد زحل می‌چرخید. جسمی به جرم یک‌چهارم تیتان با زاویهٔ ۴۵ درجه و سرعت حدود ۳٫۷ کیلومتر بر ثانیه برخورد می‌کند.
- این برخورد ۰٫۶۰ برابر جرم یاپتوس یخ آزاد می‌کند.
- هستهٔ سنگی آن از کنار تیتان می‌جهد و می‌گذرد، سپس — در یکی از اجراها — ۶٫۹ سال بعد بازمی‌گردد و به تیتان برخورد می‌کند. پس از ادغام، خروج از مرکز تیتان حدود ۰٫۱۰ خواهد بود.
محدودیت‌ها، به بیان نویسنده
این‌ها شبیه‌سازی‌های «آزمایشی» با تفکیک‌پذیری پایین‌اند — تنها حدود ۲۷ ذره به ازای هر جرم یاپتوس. اندازهٔ تکه‌ها را تفکیک نمی‌کنند و همگرایی‌شان نشان داده نشده است؛ زمان‌های بازگشت به تنظیمات عددی حساس‌اند.
مهم‌تر از همه، یاپتوس در شبیه‌سازی‌ها شکل نمی‌گیرد. یخ روی مدارهایی بسیار کشیده قرار می‌گیرد که هنوز مسیر تیتان را قطع می‌کنند. برای نشستن روی مداری دایره‌ای در فاصلهٔ یاپتوس، به ۶۷ تا ۸۶ درصد تکانهٔ زاویه‌ای بیشتر نیاز دارد — چیزی که شاید گاز باقی‌مانده یا قرصی از آوار، با کُند کردن و گرد کردن مدارها، فراهم کند. این گام مدل‌سازی نشده است. خروج از مرکز کنونی تیتان نیز کمتر از مقادیر شبیه‌سازی‌شده است، پس به میرایی بعدی هم نیاز خواهد بود.
آنچه پابرجاست، آنچه باید نشان داده شود
گام نخست سناریو پابرجاست: یک برخورد می‌تواند ذخیره‌ای از یخ به اندازهٔ چند برابر جرم یاپتوس پدید آورد که بیشترش از تیتان کنده شده، و همزمان مدار تیتان را کشیده کند. بقیه — گردآوری یاپتوس و دایره‌ای کردن مدارش — هنوز باید اثبات شود. نویسنده همچنین مطرح می‌کند که قرصی از گاز باقی‌مانده شاید بتواند ویژگی‌های دیگری از سامانهٔ زحل را نیز توضیح دهد، مانند قمرهای یخی درونی و حلقه‌هایش؛ این‌ها ایده‌اند، نه نتیجه.