تم بناء أنظمة الكواكب مثل النظام الشمسي من الغبار في السدم الكواكب الأولية ، وسحب الغاز والغبار التي تولد فيها النجوم والكواكب. اصطدمت جزيئات الغبار هذه ، وتجمعت مع بعضها البعض وشكلت في النهاية كواكب من الكواكب. المذنبات هي بقايا كوكبية متخلفة ، مصنوعة من الجليد والغبار ، وتتراوح قطرها من مئات الأمتار إلى عشرات الكيلومترات. يقضون معظم حياتهم في ضواحي النظام الشمسي - بعيدًا عن الإشعاع الضار ودرجات الحرارة المرتفعة ، وتجنب الاصطدام بأشياء أخرى - وبالتالي الحفاظ على المواد التي شكلت في الأصل السديم الكواكب الأولية. من خلال دراسة المذنبات ، يمكننا التعرف على العمليات التي أدت إلى ظهور النظام الشمسي ، على الرغم من أن هذه العمليات حدثت منذ ما يقرب من خمسة مليارات سنة 1 . علىصفحة 73 ، بنتلي وآخرون . يوضح 2 أن جزيئات الغبار المصاحب تتكون من تجميع هرمي للمكونات الأصغر ، وهو اكتشاف له آثار على فهمنا لتكوين وتطور أنظمة الكواكب.

نظرًا لعدم قدرتنا على التقاط المذنب ودراسته في المختبر ، استنتجت التحليلات السابقة خصائص جزيئات الغبار المصاحب من تفاعلاتها مع ضوء الشمس. أشار أحد أقدم هذه التحليلات 3 إلى أن هذه الجسيمات ليست أجسامًا صلبة ومضغوطة ، ولكنها عبارة عن ركام معبأ بشكل فضفاض من حبيبات صغيرة (قطر دون الميكرومتر). تم العثور على هيكل إجمالي أيضًا في جزيئات الغبار بين الكواكب (IDPs) التي تم جمعها في الغلاف الجوي العلوي للأرض. وُجد أن العديد من هؤلاء النازحين قد نشأوا من المذنبات 4 .

جاء المزيد من الأدلة على الطبيعة الكلية للغبار المصاحب من المركبة الفضائية ستاردست ، التي جمعت جزيئات الغبار خلال طيرانها القريب 5 من المذنب Wild 2. ومع ذلك ، لم يتم تعديل الأشخاص النازحين داخليا ولا عينات ستاردست (البكر). قد يتأثر النازحون داخليًا بتعرضهم الطويل للإشعاع الشمسي ، وأي تصادم مع جزيئات الغبار الأخرى والتفاعلات مع الغلاف الجوي للأرض. في حالة عينات Stardust ، جمعت المركبة الفضائية جزيئات الغبار على مسافة مئات بل آلاف الكيلومترات من سطح المذنب - ومع انتقال الجسيمات بين الاثنين ، كانت خصائصها تتغير نتيجة تبخر المكونات المتطايرة ، التدمير المحتمل للمركبات العضوية المعقدة وتفتت الجسيمات نفسها.

كما تضررت عينات IDPs و Stardust ، أو حتى تحطمت بالكامل ، أثناء الجمع. في حالة عينات Stardust ، نظرًا لأن جزيئات الغبار كانت تسير بسرعة 6.1 كيلومترًا في الثانية بالنسبة إلى المركبة الفضائية ، فقد تضررت الجسيمات بسبب الارتطام بالخلايا المجمعة في مجمع عينات Stardust. ونتيجة لذلك ، لم يتم قياس البنية الكلية للجسيمات بشكل مباشر. بدلاً من ذلك ، تم الاستدلال على البنية من الشكل المعقد للمسارات التي تنتجها الجسيمات أثناء عبور الهلام - مادة منخفضة الكثافة - في الخلايا ، أو من فوهات الارتطام التي تركوها على ورق الألمنيوم الذي فصل خلايا الهلام الهوائي 6 . تركت هذه القيود في جمع البيانات وتحليلها تركيبة جزيئات الغبار المذنب غير محددة.

نشأت فرصة فريدة لدراسة جزيئات الغبار البكر عندما جاءت المركبة الفضائية روزيتا على بعد عشرات الكيلومترات من المذنب 67P / Churyumov – Gerasimenko وحصلت على عينات من الغبار المصاحب من هذه المسافة. تم تحليل جزيئات الغبار هذه أولاً باستخدام أداة تسمى محلل الكتلة الأيونية الثانوية (COSIMA) ، والتي جمعت وتصورت جزيئات الركام المئات من الميكرومتر في القطر ( الشكل 1 أ ). كشفت صور COSIMA أن الجسيمات كانت عبارة عن تجمعات من الحبوب بأقطار أكبر من بضعة ميكرومتر 7 ، مما يتعارض مع الدراسات السابقة للنازحين وعينات Stardust التي أشارت إلى الحبوب دون الميكرومتر.

الشكل 1: الغبار من المذنب 67P / Churyumov – Gerasimenko.

شكل 1

ESA / Rosetta / MPS for COSIMA Team / Langevin et al . (2016)

أ ، جسيم غبار تم جمعه بواسطة محلل كتلة أيون الثانوي الثانوي (COSIMA) 7 . تظهر الصورة أن جزيئات الغبار المصاحب هي تجمعات من الحبوب بأقطار أكبر من بضعة ميكرومتر. ب ، بنتلي وآخرون . 2 استخدام مجهر القوة الذرية لقياس حجم وشكل وملمس الغبار المصاحب بدقة أكبر من COSIMA. تُظهر الصورة الثلاثية الأبعاد مثالاً لأحد جزيئات الغبار التي تم تحليلها. تشير نتائج المؤلفين إلى أن حبوب COSIMA مبنية من حبوب أصغر حتى أصغر من الميكرومتر. عند دمجها مع البيانات من COSIMA ، تظهر نتائج بنتلي وزملائها أن جزيئات الغبار المصاحب تنشأ عن التجمع الهرمي للمكونات الأصغر.

صورة بالحجم الكامل

تقوم Bentley وزملاؤها بحل هذا التناقض باستخدام بيانات من نظام تحليل غبار التصوير الدقيق (MIDAS) الخاص بـ Rosetta. MIDAS هو مجهر قوة ذرية - يقوم بمسح جزيئات الغبار المجمعة باستخدام طرف حاد يشبه الإبرة ، والذي يوفر صورة ثلاثية الأبعاد للجسيمات بدقة قصوى تبلغ حوالي 4 نانومتر ( الشكل 1 ب ). تظهر الصور من MIDAS أن الحبوب التي شاهدتها COSIMA مبنية من حبوب أصغر حتى أصغر من الميكرومتر. لا يثبت اكتشاف المؤلفين أن اللبنات الأساسية لجزيئات الغبار المصاحب هي حبيبات دون ميكرومترية ، بل تكشف أيضًا عن الطبيعة الهرمية لجسيمات الغبار.

وقد افترض بعض الباحثين هذا الهيكل الهرمي ، على الرغم من عدم اكتشافه من خلال دراسات الاستشعار عن بعد أو تحليلات عينات ستاردست. على سبيل المثال ، قدمت نماذج الطبقات العليا من الأسطح المصاحبة أكثر النتائج واقعية عندما تم افتراض أن هذه الطبقات تتكون من جزيئات الغبار المهيكلة 8 . وجد تحليل آخر 9 أن النمو الهرمي ضروري لإعادة إنتاج توزيع حجم الغبار الذي يوفر أفضل ملاءمة لخصائص السدم الكوكبية الملاحظة.

بالإضافة إلى إظهار أن جزيئات الغبار المصاحب لها هيكل هرمي ، Bentley et al . تجد أن اللبنات الأساسية للجسيمات هي كروية تقريبًا - شكل كرة مشوهة (ممدودة أو مسطحة). من خلال تقريب الحبوب على شكل أجسام كروية ، وجد المؤلفون أن محورها الكبير هو ، في المتوسط ​​، 2.87 مرة أطول من المحور الصغير. تتشابه هذه النتائج بشكل لافت للنظر مع نموذج اقترحه الفيزيائي الفلكي Mayo Greenberg 10 في الثمانينيات. في نموذج غرينبرغ ، جزيئات الغبار المصاحبة هي تجمعات من جزيئات الغبار بين النجوم ، والتي توصف بأنها كروية مع نسبة محور من 3 إلى 1.

تعزز نتائج المؤلفين فهمنا الأساسي للغبار المصاحب ، والعمليات التي أدت في النهاية إلى ظهور أنظمة كوكبية مثل النظام الشمسي. قد يؤدي اكتشافهم لهيكل هرمي في جزيئات الغبار المصاحب ووصفهم لبنات البناء الأساسية لهذه الجسيمات إلى قيام الفيزيائيين بإعادة النظر في تفسير البيانات التي تم الحصول عليها من الملاحظات الأرضية للمذنبات وإعادة تقييم العمليات في السدم الكوكبية الأولية - وسوف ربما تؤدي إلى نماذج جديدة لكيفية تشكيل الكواكب. الحاشية1