لعقود طويلة، اعتقد علماء الفلك أن الحلقات هي ميزة تقتصر فقط على الكواكب العملاقة. وقد تغير ذلك في عام 2013، عندما مر جسم صغير مظلم يدور بين زحل وأورانوس أمام نجم وأومض مرتين على جانبي الحدث الرئيسي، كاشفاً عن حلقتين ضيقتين حول جسم لا يتجاوز قطره 250 كيلومتراً. يقول بابلو سانتوس-سانز، الفلكي في معهد الفيزياء الفلكية في أندلسيا بمدينة غرناطة في إسبانيا: "لقد كانت مفاجأة". ومنذ ذلك الحين، كان السؤال يدور حول ما تتكون منه هذه الحلقات ومدى المدة التي يمكن أن تبقاها. في دراسة حديثة، استخدم سانتوس-سانز وزملاؤه تلسكوب جيمس ويب الفضائي لمراقبة نفس الجسم، المعروف الآن باسم خاريكلو، وهو يمر أمام نجم خلفي مرة أخرى.

وجد الباحثون أن إحدى حلقاته أصبحت أكثر كثافة بينما كادت الحلقة الأخرى أن تختفي تماماً. نحن لا نعرف السبب بالتحديد. تقنية مراقبة النجوم وراء هذا الرصد بسيطة للغاية. يقول سانتوس-سانز: "نحن نتنبأ بموعد مرور جسم في النظام الشمسي أمام نجم". يخفت ضوء النجم لفترة وجيزة، ويكشف شكل ذلك الانخفاض عن حجم وحقلي ومحيط الجسم الذي تسبب في ذلك. وقال إن هذا يمثل تحدياً خاصاً للأجسام الصغيرة، وتحدياً أكبر للأجسام الصغيرة البعيدة. تكمن الصعوبة في أن ظل الهدف في السماء ضئيل للغاية، ومعرفة متى سيعبر نجماً معيناً يتطلب بيانات تحديد موقع دقيقة للغاية لكليهما.

مع ذلك، في عام 2013، استخدمنا التلسكوبات الأرضية لتمييز حلقتي خاريكلو، وهما C1R و C2R. كانت هاتان الحلقات تقعان على مسافة 390 و 405 كيلومترات من مركز الجسم، وكان عرضهما بضعة كيلومترات فقط وتبعدان عن بعضهما نحو 7 كيلومترات. ومع ذلك، فإن القيام بذلك باستخدام تلسكوب فضائي يجعل مواءمة الأمور أصعب بكثير. يستقر تلسكوب جيمس ويب في نقطة لاغرانج L2، ويحتاج المراقبون إلى دفع التلسكوب كل بضعة أسابيع للحفاظ على استقرار مدار.

يقول سانتوس-سانز: "إنها مهمة معقدة نوعاً ما". حدد فريقه احتجاباً محتملاً لخاريكلو في أغسطس 2022 وأعادوا إجراء التنبؤ كل أسبوع. بين التنبؤ الأول وأحد التنبؤات الأخيرة، انحرف خط الرؤية المتوقع بحوالي 110 كيلومترات، وهو ما كان كافياً لإبعاده عن الجسم تماماً. لسوء الحظ، يتطلب تلسكوب جيمس ويب التخطيط لمثل هذه الملاحظات قبل 14 يوماً على الأقل. يقول سانتوس-سانز: "فعلنا ذلك ربما بطريقة عمياء بعض الشيء، لأننا لم نكن نعرف بدقة أين كان خط الرؤية". "سأقوم بتحريك واحد من أكبر وأفضل التلسكوبات في الفضاء، ونحن لا نعرف ما إذا كنا سنلتقط هذا أم لا في النهاية".

لكن الأمور سارت على ما يرام. جاء الاحتجاب في 18 أكتوبر 2022. تُظهر الهندسة المعاد بناؤها أن خط رؤية تلسكوب جيمس ويب إلى النجم الخلفي مر على مسافة 7.4 كيلومترات فوق سطح خاريكلو، متخطياً الجسم ولكنه التقط حلقاته. سجل تلسكوب جيمس ويب الحدث في وقت واحد في نطاقين قريبين من الأشعة تحت الحمراء، عند 1.5 و 3.2 ميكرومتر، مما جعلها المرة الأولى التي يلتقط فيها أي شخص حلقات جسم صغير في نطاق يتجاوز ثلاثة ميكرومترات، وهو نطاق يخرجه الغلاف الجوي للأرض عن متناول التلسكوبات الأرضية.

ظهرت الحلقة الداخلية بشكل لا يخطئه العين، بحواف حادة ومميزة، لكنها كانت أعمق عتمة من ذي قبل. بمتوسط حوالي 10 احتجبات أرضية سابقة، بلغت العتامة العادية لحلقة C1R (الجزء من ضوء النجم الذي تحجبه) 0.303. وقاسها تلسكوب جيمس ويب عند 0.431. يقول سانتوس-سانز: "لم نصدق ذلك في البداية، لذا قاتلنا كثيراً مع البيانات". وكان التفسير الأكثر مباشّرة هو الهندسة. الحلقات ليست منتظمة دائماً، وربما قطع تلسكوب جيمس ويب ببساطة كتلة أكثر كثافة.

لاسترشاد هذا السيناريو، بنى الفريق نموذجاً لحلقة متكتلة وأجري 10 ملايين عملية محاكاة للاحتجاب. كان إعادة إنتاج عتامة عالية مثل التي سجلها جيمس ويب بنسبة حوالي 1 في الألف عند 1.5 ميكرومتر، و 4 في 100000 عند 3.2 ميكرومتر لقياس واحد. التقط التلسكوب الحلقة مرتين، أثناء الدخول والخروج، مما جعل الاحتمالات أصغر من ذلك. استنتج سانتوس-سانز أن الحلقة الداخلية أصبحت على الأرجح أكثر سمكاً. في الوقت نفسه، قامت الحلقة الخارجية بالعكس تماماً.

كادت الحلقة الخارجية C2R بالكاد أن تُسجل عند 1.5 ميكرومتر ولم تظهر على الإطلاق عند 3.2 ميكرومتر، على الرغم من أن التلسكوب كان يسجل نفس الامتداد من الحلقة في كلا النطاقين في نفس اللحظة. يقول سانتوس-سانز: "في البداية لم نرى حتى الحلقة الخارجية في منحنى الضوء. كان علينا استخدام النماذج. بالكاد كانت مرئية، لذلك قلنا: ماذا يحدث هنا؟". توصل الفريق إلى تفسيرين محتملين.

الأول هو أن تلسكوب جيمس ويب، الذي ينظر في أطوال موجية لم يُسجل فيها أي احتجاب تقريباً من قبل، يرى ببساطة حبيبات تشتت الضوء بشكل مختلف في الأشعة تحت الحمراء. والآخر هو أن الحلقات قد تغيرت حقاً جسدياً. يجادل سانتوس-سانز بأن نماذج النقل الإشعاعي تشير نحو التفسير الأخير. كانت ملاحظات الضوء المرئي الأقدم متسقة مع مزيج من الجليد والسيليكات، ولكن بمجرد إضافة نقاط بيانات جيمس ويب، لم يكن من الممكن لأي مجموعة من المواد وأحجام الحبيبات تفسير ما رأه التلسكوب.

يقول سانتوس-سانز: "نحن نشهد تطوراً حقيقياً للحلقات مع مرور الوقت. بالطبع ليس هذا أمراً مؤكداً، ولكنه بالنسبة لي التفسير المفضل". علاوة على ذلك، فإن هذا التطور على الأرجح لم يكن مجرد مادة من الحلقة الخارجية الخافتة تهاجر إلى الداخل نحو الحلقة الداخلية. مقاسة كعرض مكافئ، اكتسبت الحلقة الداخلية حوالي 10 أضعاف ما فقدته الحلقة الخارجية. يقول سانتوس-سانز: "لا نعرف من أين تأتي المواد الإضافية، لكن هناك بعض الفرضيات".

التفسير الأبرز، كما يوضح سانتوس-سانز، هو قمر راعٍ صغير يتشارك مدار الحلقة الخارجية. يجب أن يفسر مثل هذا الجسم استقرار الحلقات وحوافها الحادة ويمكن أن يطرح أيضاً حطاماً يجدد حلقة C1R. يقول سانتوس-سانز: "لم يُكتشف هذا القمر بعد، إن كان موجوداً". يشير نموذج حاسوبي استناداً إلى بيانات جيمس ويب أيضاً إلى ما تتكون منه الحلقات الاثنتان. ومع ذلك، يوضح سانتوس-سانز أن هذا الجزء من العمل لم يكتمل بعد.

يقول: "شعورنا بعد هذا النموذج هو أن الحلقة الداخلية يجب أن تتكون من جسيمات أكبر من الحلقة الخارجية. نعتقد أن الحلقة الخارجية أكثر غباراً. لكن هذا عمل قيد التقدم. لا أستطيع أن أقول على وجه اليقين، حسنًا، هذه مغبرة، وهذه ليست كذلك". يجادل الفريق بأن الاختبار الأفضل سيكون التقاط احتجاب آخر لخاريكلو، وهذه المرة باستخدام الضوء المرئي، والذي من شأن فصل التغيير الحقيقي عن تأثير الطول الموجي. يقول سانتوس-سانز: "نحن نبحث عن احتجبات جديدة".

يوضح أن فهم كيف تتطور الحلقات حول الأجسام الصغيرة بمرور الوقت يهم، لأن خاريكلو ليس الوحيد الذي يمتلكها. تعرف الحلقات الآن حول جسم آخر من نفس فئة خاريكلو، يسمى تشيرون، والكوكب القزم هاوميا، والجسم العابر لنيبتون كواوار. تُعرف حلقات الكواكب العملاقة بالفعل بتحولها على مدار أشهر وسنوات؛ حلقة زحل D تقلصت بشكل ملحوظ، وأقواس نبتون في أدمز تعيد ترتيب نفسها. الآن تبدو الأجسام الصغيرة تفعل ذلك أيضاً.

يقول سانتوس-سانز: "أعتقد أن هذا العمل هو مجرد قطعة من اللغز، لكنه قد يكون دليلاً هاماً للدراسات الأوسع حول الحلقات المحيطة بالأجسام الصغيرة والكواكب العملاقة". نشرت دراسة سانتوس-سانز في مجلة Science Advances: https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh4794