ماه‌های زحل؛ ویژگی‌ها و کاوش‌ها

سیاره زحل دارای تعداد زیادی ماه متنوع است که از ماهواره‌هایی به قطر ده‌‌ها متر تا ماه‌های بزرگی مثل تایتان با ابعادی بزرگ‌تر از سیاره عطارد متغیر هستند. زحل دارای ۸۲ ماه تأیید شده است که تنها ۱۳ عدد از آن‌ها دارای قطر بیش از ۵۰ کیلومتر هستند. تایتان برجسته‌ترین ماه زحل و دومین ماه بزرگ منظومه شمسی پس از گانیمه (ماه مشتری) است. جو این ماه مانند زمین پر از نیتروژن است و چشم‌انداز‌هایی از شبکه‌های رودخانه‌ای و دریاچه‌های هیدروکربنی را در بردارد.

بیست و چهار ماه زحل از ماهواره‌های منظم هستند و مدار پیشرونده آن‌ها مایل به صفحه استوایی زحل نیست. این بیست و چهار ماه شامل هفت ماهواره اصلی، چهار ماه کوچک، دو ماه هم مدار کوچک و دو ماه دیگر هستند که مانند چوپان حلقه F زحل عمل می‌کنند. ۵۸ ماه باقی مانده که دارای قطری متغیر از ۴ تا ۲۱۳ کیلومتر هستند از جمله ماه‌های نامنظم هستند که مدار آن‌ها در فاصله دورتری از زحل قرار دارد. این ماه‌ها احتمالا سیاره‌‌ی گرفتار یا بخش‌هایی از فروپاشی اجرام پس از به دام افتادن آن‌ها هستند. ماه‌های نامنظم براساس ویژگی‌های مداری به گروه‌های اینوئیت، نورس و گالیک تقسیم می‌شوند. اسامی این گروه‌ها برگرفته از اساطیر یونانی است. بزرگ‌ترین ماه نامنظم فوئب نهمین ماه زحل است که در پایان قرن نوزدهم کشف شد. حلقه‌های زحل ترکیبی از اجرام متغیر میکروسکوپی تا ماهواره‌هایی به قطر چند صدمتر هستند که هر کدام در مدار خود به دور زحل می‌چرخند.

شکل‌گیری و منشأ

گمان‌ می‌رود منظومه قمری زحل مشابه ماه‌های مشتری شکل گرفته باشند اما به‌طور کلی جزئیات تشکیل ماه‌های زحل نامشخص است. در ۲۳ ژوئن ۲۰۱۴ ناسا از شواهدی قوی خبر داد که نشان می‌دهند نیتروژن موجود در جو تایتان از مواد ابر اوورت گرفته شده است نه از مواد زحل.

گروه ماه‌ها

گرچه مرزبندی ماه‌های زحل تا اندازه‌ای مبهم است می‌توان براساس ویژگی‌های مداری آن‌ها را به ده گروه تقسیم کرد. تعداد زیادی از این ماه‌ها از جمله پن و دافنیس در سیستم حلقه زحل قرار دارند و دوره مداری آن‌ها اندکی طولانی‌تر از دوره مداری زحل است. ماه‌های داخلی و ماه‌های منظم دارای شیب متوسط مداری هستند که از یک درجه تا ۱.۵ درجه متغیر است. از سوی دیگر ماه‌های نامنظم در بیرونی‌ترین بخش سیستم ماه زحل به‌ویژه در گروه نورس دارای رادیان مداری میلیون‌ها کیلومتر و دوره‌های مداری چندساله هستند. ماه‌های گروه نورس همچنین در جهت مخالف چرخش زحل به دور آن می‌چرخند.

ماه‌‌های بزرگ داخلی: داخلی‌ترین ماه‌های بزرگ زحل در حلقه نازک E زحل قرار دارد. این ماه‌ها عبارت‌اند از میماس، انسلادوس، تتیس، دیون.

ماه‌های بزرگ خارجی: این ماه‌ها در آن سوی حلقه E قرار دارند عبارت‌اند از: ریا، تایتان، هایپریون، لاپتوس

ماه‌های نامنظم

ماه‌های نامنظم ماهواره‌های کوچک با رادیان و شیب بالا هستند و گمان می‌رود در گذشته در دام جاذبه زحل گرفتار شده‌اند. اندازه دقیق این ماه‌ها هنوز مشخص نیست زیرا ابعاد آن‌ها به قدری کوچک است که به سختی با تلسکوپ قابل رصد هستند.

آلکئونیدها

به سه ماه کوچک بین ماه‌های میماس و انسلادوس، آلکئونید گفته می‌شود که این نام برگرفته از اساطیر یونان است. این سه ماه عبارت‌اند از: متون، آنت و پالن. آنت و متون دارای قوس حلقوی بسیار رقیقی در مدار خود هستند درحالی‌که پالن دارای یک حلقه رقیق کامل است. از میان این ماه‌ها تنها از متون از فاصله‌ای نسبتا نزدیک عکسبرداری شد. این ماه تخم مرغی شکل دارای تعداد کمی دهانه برخوردی است.

مروری بر تایتان و انسلادوس

تایتان و انسلادوس دو ماه برجسته زحل هستند که به واسطه داده‌های کاوشگر کاسینی هویگنس و پتانسیل حیات در سال‌های گذشته مورد توجه قرار گرفتند و مأموریت‌هایی برای سفر به این دو ماه اسرارآمیز طراحی شدند.

تایتان

تایتان بزرگ‌ترین ماه زحل و دومین ماه بزرگ منظومه شمسی (پس از گانیمه قمر مشتری) است. تایتان تنها ماه منظومه شمسی با اتمسفر سیاره‌مانند متراکم و ابری است. دانشمندان معتقدند شرایط تایتان مشابه شرایط اولیه در زمین است اما تنها تفاوت آن در فاصله نزدیک‌تر زمین به خورشید و گرمای بیشتر آن است. از بسیاری لحاظ تایتان بیشترین شباهت را به زمین دارد.

قطر تایتان به ۲۵۷۵ کیلومتر می‌رسد که تقریبا ۵۰ درصد عریض‌تر از ماه زمین است. فاصله تایتان از زحل نزدیک به ۱/۲ میلیون کیلومتر و نسبت به خورشید ۱.۴ میلیارد کیلومتر یا ۹.۵ واحد نجومی است. یک واحد نجومی به فاصله زمین تا خورشید گفته می‌شود. تقریبا ۸۰ دقیقه طول می‌کشد تا نور خورشید به تایتان برسد به دلیل این فاصله نور خورشید تقریبا ۱۰۰ برابر کم سو‌تر از نور خورشید روی زمین است.

تقریبا ۱۵ روز و ۲۲ ساعت طول می‌کشد تا تایتان یک مدار زحلی را کامل کند. تایتان نسبت به زحل دارای قفل جزر و مدی است به این معنی که مانند ماه زمین همیشه یک سمت آن از زحل دیده می‌شود. تقریبا ۲۹ سال زمینی طول می‌کشد تا زحل مدار خورشید را کامل کند (سال زحلی) و محور چرخش زحل مانند زمین دارای انحراف است که باعث ایجاد فصل در این سیاره می‌شود؛ اما فصل‌های زحل طولانی‌تر هستند و معمولا هر کدام نزدیک به هفت سال زمینی طول می‌کشند. از آنجا که مدار تایتان در راستای صفحه استوایی زحل قرار دارد و انحراف تایتان نسبت به خورشید تقریبا مشابه زحل است، فصل‌های این ماه هم مانند زحل هستند یعنی تقریبا هر فصل تایتان هفت سال زمینی و یک سال آن برابر با ۲۹ سال زمینی است.

^{تصویر کاسینی از دریاچه  هیدروکربنی قطب شمال تایتان}

دانشمندان درباره شکل‌گیری و منشأ دقیق تایتان مطمئن نیستند. با این حال جو این ماه سرنخ‌هایی را در خود دارد. تعدادی از ابزارهای کاوشگر کاسینی هویگنس به اندازه‌گیری ایزوتوپ‌های نیتروژن ۱۴ و نیتروژن ۱۵ در جو تایتان پرداختند. براساس یافته‌ها نسبت ایزوتوپ نیتروژن یافت‌شده در تایتان شباهت زیادی به ایزوتوپ‌ دنباله‌دارهای ابر اوورت دارد. ابر اوورت کره‌ای مشتمل بر صدها میلیاد بدنه یخی است که در فاصله‌ای بین ۵۰۰۰ و ۱۰۰ هزار واحد نجومی از خورشید قرار دارند (هر واحد نجومی برابر با ۱۵۰ میلیون کیلومتر است). نسبت نیتروژن جوی تایتان نشان می‌دهد بلوک‌های سازنده این ماه در اوایل تاریخی منظومه شمسی در ابر گاز و غبار یکسان با خورشیدشکل گرفتند و منشأ این بلوک‌ها دیسک گرم مواد زحل نیست.

سطح: سطح تایتان یکی از شبیه‌ترین سطوح به زمین در کل منظومه شمسی است. البته دماهای آن پائین‌تر هستند و ویژگی‌های شیمیایی متفاوتی دارد. دمای سطح تایتان به منفی ۱۷۹ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. تایتان همچنین ممکن است دارای فعالیت‌ آتشفشانی باشد. سطح این ماه مملو از جریان‌های متان و اتان است که کانال‌های رودخانه‌ای و دریاچه‌ای بزرگ را تشکیل می‌دهند. هیچ دنیای دیگری در کل منظومه شمسی (به جز زمین) دارای مایعات سطحی نیست.

جو: نزدیک به ۹۵ درصد از جو تایتان را نیتروژن و پنج درصد آن را متان تشکیل می‌دهد. می‌توان ردپاهایی از ترکیبات کربنی را هم در جو این سیاره پیدا کرد. در ارتفاعات این ماه، مولکول‌های متان و نیتروژن بر اثر برخورد با نور فرابنفش خورشید و ذرات پرانرژی تجزیه می‌شوند. بخش‌هایی از این مولکول مجددا ترکیب شده و مواد شیمیایی زیستی مختلفی مثل مواد حاوی کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و دیگر عناصر ضروری برای حیات را به وجود می‌آورند.

بخشی از ترکیب‌ها با تجزیه و چرخه متان و نیتروژن به وجود می‌آیند. متان و نیتروژن ابری ضخیم و نارنجی رنگ را به وجود می‌آورند که سطح این ماه را می‌پوشاند به همین دلیل بررسی سطح تایتان از فضا کار دشواری است. منشأ کل متان موجود در جو هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است.

^{وجود متان و نیتروژن در جو تایتان باعث ایجاد ابرهای نارنجی رنگ می‌شود}

پتانسیل حیات

اندازه‌گیری‌های گرانشی متعدد فضاپیمای کاسینی از تایتان نشان می‌دهند این ماه دارای اقیانوسی زیرزمینی از آب مایع است که احتمالا با نمک و آمونیاک ترکیب شده است. کاوشگر هویگنس آژانس فضایی اروپا همچنین در سال ۲۰۰۵ به اندازه‌گیری سیگنال‌های رادیویی سطح این ماه پرداخت که نشان‌دهنده اقیانوس‌هایی در عمق ۵۵ تا ۸۰ کیلومتری زیر سطح یخی تایتان هستند. کشف اقیانوس سراسری آب مایع هم تایتان را در گروه ماه‌هایی از منظومه شمسی قرار می‌دهد که از پتانسیل حیات برخوردار هستند. علاوه بر این رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و دریاهای متان و اتان مایع سطح تایتان می‌توانند به‌عنوان محیطی سکونت‌پذیر در سطح این ماه عمل کنند گرچه هرگونه حیات احتمالی روی این ماه با حیات زمینی متفاوت خواهد بود؛ بنابراین تایتان می‌تواند میزبان زیستگاه و شرایط مناسب برای حیات از جمله حیاتی که می‌شناسیم (در اقیانوس زیرسطحی) و حیاتی که نمی‌شناسیم (در مایعات هیدروکربنی سطحی)‌باشد. گرچه هنوز شواهدی از حیات روی سطح تایتان کشف نشده‌اند، ماهیت شیمیایی پیچیده و منحصر‌به‌فرد این ماه از یافته‌های قطعی هستند که آن را به مقصدی ایده‌آل برای کاوش‌ها تبدیل می‌کنند.

انسلادوس

تعداد کمی از ماه‌های منظومه شمسی به اندازه انسلادوس جذاب هستند. تصور می‌شود برخی از این ماه‌ها از اقیانوس‌های آب مایع زیر پوسته منجمد خود برخورداراند اما یکی از ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد انسلادوس آب‌فشان‌های آن هستند. براساس نمونه‌های به دست آمده از کاوش‌های فضایی، انسلادوس دارای بیشترین مواد اولیه شیمیایی لازم برای حیات است و احتمالا از آبراه‌های هیدروترمال یا آب گرمایی برخوردار است که آب داغ معدنی را از اقیانوس‌های زیر سطح به بیرون منتقل می‌کنند.

انسلادوس که از نظر وسعت هم‌اندازه با ایالت آریزونا است، سفیدترین و انعکاسی‌ترین سطح را در منظومه شمسی دارد. این ماه از سیستم حلقه برخوردار است و قطعات یخ را به داخل مدار خود در فضا منتشر می‌کند این قطعات حلقه E زحل را تشکیل می‌دهند. نام انسلادوس از اساطیر یونانی گرفته شده است. تصاویر فضاپیمای وویجر در دهه ۱۹۸۰ نشان می‌دهند این ماه با وجود کوچکی (قطر تقریبی ۵۰۰ کیلومتری) دارای سطح یخی نسبتا همواری در برخی نقاط است و درخشندگی بالایی دارد. در واقع انسلادوس یکی از انعکاسی‌ترین بدنه‌های منظومه شمسی است که سال‌ها دانشمندان دلیل آن را نمی‌دانستند.

از آنجا که انسلادوس بخش زیادی از نور خورشید را منعکس می‌کند دمای سطحی آن به‌شدت پائین است وبه منفی ۲۰۱ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. انسلادوس در فاصله ۲۳۸ هزار کیلومتری از زحل بین مدار دو ماه دیگر میماس و تتیس قرار دارد. این ماه نسبت به زحل دارای قفل جزر و مدی است و در متراکم‌ترین بخش حلقه E زحل تقریبا ۳۲.۹ ساعت طول می‌کشد تا یک مدار را کامل کند.

^{فضاپیمای کاسینی این تصویر فوق‌العاده را در اکتبر ۲۰۰۸ از انسلادوس به ثبت رساند}

فضاپیمای کاسینی ناسا در سال ۲۰۰۵، ذرات یخ آب و گاز منتشرشده از سطح انسلادوس با سرعت تقریبی ۴۰۰ متر بر ثانیه را آشکار کرد. به نظر می‌رسد این فوران‌ها پیوسته هستند و هاله‌ای عظیم از غبار یخی را در اطراف انسلادوس به وجود آورده‌اند که مواد حلقه E زحل را شکل می‌دهند. تنها بخش کوچکی از این مواد وارد حلقه می‌شوند و بخش زیادی از آن‌ها به شکل برف روی سطح انسلادوس فرود می‌آیند. به همین دلیل این ماه از سطح سفید و درخشانی برخوردار است.

آبفشان‌های انسلادوس از شکاف‌های نسبتا گرمی در پوسته آن سرچشمه می‌گیرند که دانشمندان به آن‌ها نوارهای ببری می‌گویند. گاز‌های متعددی مثل بخار آب، کربن دی‌اکسید، متان و شاید اندکی آمونیاک و کربن مونوکسید و نیتروژن همراه‌با نمک و سیلیکا پوشش گازی کانال‌های آبفشان انسلادوس را تشکیل می‌دهند. تراکم مواد زیستی در آبفشان‌ها بیست برابر بیشتر از انتظار دانشمندان است.

دانشمندان براساس اندازه‌گیری‌های اثر داپلر و دامنه لرزش بسیار اندک انسلادوس در حین چرخش آن به دور به اقیانوس سراسری زیر سطح این ماه پی بردند. آن‌ها معتقدند ضخامت پوسته یخی انسلادوس در قطب جنوب آن نزدیک به ۱ تا ۵ کیلومتر است. ضخامت میانگین سراسر پوسته بین ۲۰ تا ۲۵ کیلومتر است.

از آنجا که اقیانوس انسلادوس از یخفشان برخوردار است و  یخ‌فشان‌ها حلقه E زحل را تشکیل می‌دهند، بررسی حلقه E می‌تواند به‌معنی بررسی اقیانوس انسلادوس باشد. بخش زیادی از حلقه E را قطعات یخی تشکیل می‌دهند اما در میان آن‌ها می‌توان ذرات بسیار کوچک سیلیکا را هم پیدا کرد. این ذرات هنگامی به وجود می‌آیند که آب مایع و سنگ در دماهای بالای ۹۰ درجه سانتی‌گراد با یکدیگر واکنش دهند. این نشانه دیگری از وجود کانال‌های گرم آبی زیر پوسته یخی انسلادوس است که بی‌شباهت به کانال‌های گرم آبی اقیانوس‌های زمین نیست. انسلادوس با ویژگی‌هایی مثل اقیانوس سراسری، شیمی منحصربه‌فرد و گرمای داخلی یکی از کاندیدهای اصلی حیات در منظومه شمسی است.

^{یخفشان‌های انسلادوس؛ بخش‌هایی از قطعات یخی به حلقه E زحل راه پیدا می‌کنند}

اکتشافات و کاوش‌های فضایی

اولین ماه زحل در سال ۱۶۵۵ کشف شد. در طی دویست سال پس از کشف اولین ماه، هفت ماه بزرگ دیگر رصد شدند. ستاره‌شناسان تا سال ۱۹۹۷ موفق به کشف ۱۸ ماه در مدار این سیاره شدند. مأموریت کاسینی ناسا و پیشرفت‌ تلسکوپ‌های زمینی امکان کشف دیگر قمرهای زحل را داد. سر جان هرشل، ستاره‌شناس بریتانیایی در سال ۱۸۴۷ پیشنهاد داد قمرهای زحل براساس اساطیر یونانی نام‌گذاری شوند.

با آغاز عصر فضا ویژگی‌های بیشتری از قمرهای زحل به دست آمدند. کاوشگرهای بدون سرنشین بررسی سیاره‌های خارجی را متحول کردند. فضاپیمای وویجر در سال‌های ۱۹۸۰ تا ۱۹۸۱ به زحل رسید و سه ماه آن به نام‌های اطلس، پرومتئوس و پاندورا را کشف کرد. تعداد ماه‌های زحل تا آن زمان به ۱۷ عدد می‌رسید. در سال ۱۹۹۰ هم ماه پن در تصاویر آرشیوی وویجر کشف شد.

فضاپیمای کاسینی که در تابستان ۲۰۰۴ به زحل رسید، سه ماه داخلی دیگر زحل را کشف کرد. دانشمندان کاسینی در نوامبر ۲۰۰۴ اعلام کردند که ماه‌های بیشتری در ساختار حلقه‌های زحل وجود دارند گرچه تنها یکی از آن‌ها به نام دافینس در آن زمان تأیید شد. در سال ۲۰۰۷ ماه آنته کشف شد و در سال ۲۰۰۸ مشاهدات کاسینی از الکترون‌های پرانرژی ماه ریا در نزدیکی مغناطیس کره زحل خبر دادند که نشان‌دهنده سیستم حلقوی در اطراف دومین ماه بزرگ زحل بود. در مارس ۲۰۰۹، ماهواره اگئون در حلقه G زحل کشف شد. در جولای همان سال S/۲۰۰۹ S1 اولین ماهواره حلقه B رصد شد. در آوریل ۲۰۱۴ ماه جدیدی در حلقه A گزارش شد.

^{تصاویری از ماه‌های زحل} 

فضاپیمای کاسینی هویگنس در اول جولای ۲۰۰۴، مانور SOI (ورود به مدار زحل) را آغاز کرد و وارد مدار زحل شد. کاسینی قبل از SOI به شکلی گسترده به بررسی منظومه زحلی پرداخته بود. این کاوشگر در ژوئن ۲۰۰۴ از کنار ماه فوئب عبور کرده بود و داده‌های باکیفیتی را ارسال کرد. کاسینی همچنین دو بار بر سطح تایتان به پرواز درآمد و در ۲۵ دسامبر ۲۰۰۴ کاوشگر هویگنس به سطح این قمر ارسال شد. هویگنس در ۱۴ ژانویه ۲۰۰۵ روی سطح تایتان فرود آمد و مجموعه‌ای از داده‌ها را به زمین ارسال کرد. در سال ۲۰۰۵ کاسینی چندین بار از کنار تایتان و دیگر ماه‌های یخی زحل عبور کرد.

براساس گزارش ناسا در ۱۰ مارس ۲۰۰، کاوشگر کاسینی شواهدی از مخازن آب مایع را در یخ‌فشان‌ها و آبفشان‌های انسلادوس، ماه زحل کشف کرد. در جولای ۲۰۰۵، کاسینی اولین شواهد دریاچه‌های هیدروکربنی را در نزدیکی قطب شمال تایتان کشف کرد که بعدها این شواهد در ژانویه ۲۰۰۷ تأیید شدند. در مارس ۲۰۰۷ شواهد بیشتری از دریاهای هیدروکربنی قطب شمال تایتان به دست آمدند که بزرگ‌ترین آن هم‌اندازه با دریای خزر است. کاسینی در سال ۲۰۰۹، چهار قمر جدید را کشف کرد. مأموریت‌های کاسینی در سپتامبر ۲۰۱۷ پس از برخورد عمدی با جو زحل به پایان رسید.

مأموریت‌های آینده

مأموریت‌های آینده زحل به بررسی دو ماه اقیانوسی آن یعنی تایتان و انسلادوس اختصاص خواهند یافت. اگر همه چیز طبق برنامه پیش برود کاوشگر رباتیک دراگن فلای ناسا در سال ۲۰۲۶ پرتاب خواهد شد و تا سال ۲۰۳۴ به تایتان خواهد رسید. هدف این کاوشگر بررسی موقعیت‌های متعددی در سطح تایتان است.

دراگن فلای اولین سطح‌نشین پهپادی است که می‌تواند در جو ضخیم تایتان پرواز کند. ابزار این کاوشگر به ارزیابی آثار شیمیایی و زیستی، حیات گذشته و فعلی احتمالی در تایتان کمک می‌کنند. این کاوشگر همچنین به بررسی تپه‌های شنی تایتان و مواد زیستی آن خواهد پرداخت. به‌طور کلی دراگن فلای به بررسی جو، ویژگی‌های سطحی، اقیانوس‌های زیر سطحی و مایعات سطحی تایتان خواهد پرداخت.

انسلادوس پس از تایتان هدف بعدی پژوهش‌های منظومه زحلی است. اکتشافات کاسینی از این ماه نظر بسیاری را به آن جلب کرد و طرح‌های متعددی برای کاوش در انسلادوس پیشنهاد شد اما هیچ‌کدام نهایی نشدند. در سپتامبر ۲۰۱۸ ناسا با همکاری برنامه Breakthrough Initiative توافق‌نامه‌ای را برای فاز اولیه مأموریت انسلادوس پیشنهاد کردند. این فضاپیما کم وزن و کم هزینه خواهد بود و به بررسی یخ‌فشان‌ها و نمونه‌برداری از آن‌ها خواهد پرداخت.