سیاره زحل از آب کم‌چگال‌تر است؛ اما آیا واقعاً روی آب شناور می‌ماند؟
هر از گاهی، یک دانستنی علمی در اینترنت دست‌به‌دست می‌شود. یکی از آن‌ها این است که اگر سیاره غول‌پیکر زحل در آب قرار گیرد، شناور می‌ماند. اما آیا این ادعا واقعاً درست است؟ برای پاسخ به این پرسش، باید کمی درباره شناوری و کمی هم درباره سیارات گازی بدانیم.
شناوری، نیرویی رو به بالاست که در یک سیال (هر ماده‌ای که جریان دارد، معمولاً مایع و گاز) به همه اجسام موجود در آن وارد می‌شود. منشأ این نیرو، اختلاف فشار درون سیال است: هرچه پایین‌تر برویم، فشار بیشتر می‌شود. بنابراین، فشاری که از سمت پایین به جسم وارد می‌شود، بیشتر از فشاری است که از بالا به آن وارد می‌شود، و همین اختلاف باعث ایجاد نیرویی به سمت بالا می‌شود.
«اصل ارشمیدس» می‌گوید: نیروی واردشده بر هر جسمی که به‌طور کامل یا جزئی در سیال غوطه‌ور شده باشد، برابر با وزن سیالی است که آن جسم در هنگام ورود خود جابه‌جا کرده است.
اگر نیروی شناوری سیال از نیروی رو به پایین (که برابر با جرم جسم ضرب‌در شتاب گرانش است) بیشتر باشد، جسم روی سیال شناور می‌ماند. اما اجسامی که چگالی‌شان بیشتر از آب است، آن‌قدر در آب فرو می‌روند تا این دو نیرو برابر شوند.
سیارات منظومه شمسی، همان‌طور که انتظار می‌رود، عموماً چگال‌تر از آب هستند. چهار سیاره سنگی نزدیک به خورشید همگی هسته‌ای سنگین از آهن دارند؛ حتی اگر اجزای سنگی دیگرشان را نادیده بگیریم.
اما درباره سیارات گازی چطور؟ ماجرا کمی جالب‌تر می‌شود. هر دو سیاره مشتری و زحل عمدتاً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند” همان عناصر معروف به «سبک‌تر از هوا». در واقع، با وجود اینکه مشتری ۳۱۸ برابر زمین جرم دارد، چگالی متوسط کلی آن کمتر از زمین است. چگالی مشتری حدود ۱٫۳۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب است، درحالی که چگالی زمین به حدود ۵٫۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌رسد.
برای اینکه جسمی بتواند روی آب شناور بماند، چگالی آن باید کمتر از چگالی آب باشد
هرچند مقدار یادشده نسبتاً کم است، هنوز برای آنکه مشتری بتواند روی آب شناور بماند کافی نیست. اما زحل حتی کم‌چگال‌تر از این است.
ناسا توضیح می‌دهد: «زحل نیز مانند مشتری، عمدتاً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌است. در مرکز زحل هسته‌ای چگال از فلزاتی مانند آهن و نیکل قرار دارد که با مواد سنگی و ترکیبات دیگر احاطه شده که تحت فشار و حرارت شدید به حالت جامد درآمده‌اند. این هسته با هیدروژن فلزی مایع در لایه‌ای از هیدروژن مایع احاطه شده است که ساختاری مشابه هسته مشتری اما به‌مراتب کوچک‌تر دارد.»
چگالی متوسط زحل حدود ۰٫۶۸۷۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب است. چگالی آب نیز با دما و فشار تغییر می‌کند، اما در فشار جو، حدود ۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب است.
ناسا می‌افزاید: «باور کردنش سخت است، اما زحل تنها سیاره‌ی منظومه شمسی محسوب می‌شود که چگالی متوسطش کمتر از آب است. این سیاره‌ی گازی عظیم‌الجثه می‌تواند روی آب یک وان شناور بماند، البته اگر وانی به آن بزرگی وجود داشته باشد.»
با اینکه ناسا مرجع مطمئنی در زمینه نجوم است، نباید موضوع شناوری زحل در آب را بیش از حد تحت‌اللفظی برداشت کرد. درست است که چگالی متوسط زحل از آب کمتر است، اما ما نمی‌توانیم یک وان غول‌پیکر بسازیم و زحل را مثل یک اردک پلاستیکی آسمانی در آن شناور کنیم. هدف ناسا بیشتر برجسته کردن کم‌چگال بودن زحل است.
بیشتر بخوانید
همان‌طور که «رت آلین»، استاد فیزیک دانشگاه جنوب شرقی لوئیزیانا توضیح داده، اگر پهنه‌ای آبی آن‌قدر بزرگ باشد که بتواند زحل را در خود جای دهد، فشار در بخش‌های پایین آن‌قدر زیاد خواهد بود که آب دیگر نمی‌تواند به شکل مایع باقی بماند. به‌طور دقیق‌تر، فشار در آن عمق به حدی می‌رسد که حتی می‌تواند موجب آغاز «همجوشی هسته‌ای» شود.
پس شناورکردن زحل روی آب نه‌تنها عملی نیست، بلکه اساساً غیرممکن است. درست است که چگالی متوسط زحل از آب کمتر است، اما زحل ساختاری صلب و سفت مانند یک قایق ندارد. هیدروژن و هلیومی که عمده‌ی ترکیب زحل را تشکیل می‌دهند، توسط گرانش در کنار هم نگه داشته شده‌اند و به وسیله‌ی هسته‌ی زحل پشتیبانی می‌شوند. اگرچه این کافی است تا زحل برای میلیاردها سال پایدار باقی بماند، اگر بخواهیم آن را در یک وان عظیم رها کنیم، گازهای هیدروژن و هلیوم به سطح آمده و به جوِ جدید وان تبدیل می‌شوند. در مقابل، هسته‌ی زحل، که چگال‌تر از آب و از جو جدید وان هم سنگین‌تر است، به سمت مرکز وان پر از آب فرو خواهد رفت.
خلاصه اینکه: اگرچه زحل چگالی کمتری نسبت به زمین دارد و در تئوری، اگر پوسته‌ای صلب آن را کنار هم نگه می‌داشت، می‌توانست روی آب شناور بماند؛ اما در عمل، سیاره در برخورد با چنین محیطی از هم پاشیده و در دنیای آبی فرو می‌رود؛ حتی اگر واقعاً بتوان چنین حجم آبی را برای انجام این آزمایش عجیب پیدا کرد.
