شکل گیری سیارات زمین مانند ۱۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ

ابری تنها از بقایای ستاره‌ای را تصور کنید که در جهانی تازه از دوران نوزادی بیرون آمده، رو به سرد شدن است. در دل آن لکه غبارآلود، مواد خام لازم برای شکل‌گیری جهان‌های سنگی، مانند آهن، سیلیکون و کربن، به سرعت شروع به توده‌شدن می‌کنند. اخترشناسان در مجموعه‌ای تازه از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای دریافته‌اند که انفجار برخی از نخستین ستاره‌های بسیار پرجرم می‌توانسته حفره‌هایی چگال و سرشار از فلز پدید آورد که بذر سیارات هم‌اندازه زمین را تنها حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ فراهم کرده‌اند.

چگونه ویرانه‌های ستاره‌ای به مصالح ساخت سیاره تبدیل می‌شوند

کیهان‌شناسی آغازین معمولا هنگام میانگین‌گیری عناصر سنگین در حجم‌های بزرگ، جهان را همگن در نظر می‌گیرد. اما واقعیت آشفته‌تر از این است. وقتی یک ستاره بسیار پرجرم نخستین در پایان عمر خود با یک ابرنواختر ناپایداری زوجی منفجر می‌شود، مقدار عظیمی از عناصر سنگین را به محیط پیرامون پرتاب می‌کند. شبیه‌سازی‌های تازه دنبال می‌کنند که این مواد پرتاب‌شده چگونه با گاز آغازین مخلوط می‌شوند، سرد می‌شوند و سپس به ساختارهای کوچک‌تر فرو می‌ریزند.

به جای غنی‌سازی یکنواخت، مدل‌ها نشان می‌دهند حفره‌هایی جداافتاده و غنی از غبار شکل می‌گیرند که یک ستاره کم‌جرم را در مرکز خود دارند و با قرصی پیش‌سیاره‌ای احاطه شده‌اند. درون آن قرص، توالی مورد انتظار رشد، از دانه‌های غبار تا اجرام متری و سپس سیاره‌واره‌های کیلومتری، می‌تواند پیش برود. پژوهشگران گزارش می‌دهند که در برخی قرص‌های شبیه‌سازی‌شده، ماده جامد کافی برای ساخت چندین جهان با جرمی قابل مقایسه با زمین وجود دارد و برخی از این اجرام در حال شکل‌گیری در فاصله‌های مداری قرار می‌گیرند که در آن، دما در شرایط مناسب امکان وجود آب مایع را فراهم می‌کند.

ابرنواخترهای ناپایداری زوجی از ستاره‌هایی سرچشمه می‌گیرند که جرمی از ده‌ها برابر تا حدود صد برابر جرم خورشید دارند. این رویدادها در ساخت و پراکندن عناصر سنگین بسیار کارآمدند. شبیه‌سازی‌ها غنی‌سازی یکنواخت در سراسر کیهان را فرض نمی‌کنند، بلکه غنی‌سازی محلی و هیدرودینامیک اختلاط را با دقت حل می‌کنند؛ عاملی که برای تولید سریع قرص‌های فشرده و فلزدار، نقشی تعیین‌کننده دارد.

چرا این یافته تصویر ما از شکل‌گیری نخستین سیارات را تغییر می‌دهد

تا امروز، شبیه‌سازی‌های بزرگ‌مقیاس نشان می‌دادند که سیارات سنگی نمی‌توانسته‌اند تا زمانی که جهان در بازه‌های طولانی‌تر، شاید چند صد میلیون سال بعد، عناصر سنگین کافی گرد آورد، پدیدار شوند. اما پژوهش تازه با تمرکز بر این جایگاه‌های بیش‌ازحد غنی‌شده، از یک جدول زمانی شتاب‌گرفته دفاع می‌کند. به زبان ساده، بذرهای سیارات زیست‌پذیر ممکن است تقریبا به محض مرگ نخستین نسل از ستاره‌های پرجرم ظاهر شده باشند.

این به معنای آن نیست که حیات بلافاصله پدید آمده است. شکل‌گیری سیاره تنها یک مرحله از زنجیره‌ای طولانی است که جوهای پایدار، حفظ مواد فرار مانند آب و دوره‌ای طولانی از تکامل زمین‌شناختی و شیمیایی را در بر می‌گیرد. با این حال، صرف وجود سیارات سنگی آغازین، پنجره زمانی را برای اینکه شیمی پیشازیستی در نهایت چه زمانی می‌توانسته آغاز شود، گسترده‌تر می‌کند.

دنیل ویلن از دانشگاه پورتسموث، از نویسندگان همکار این مطالعه، پیامد آن را چنین خلاصه کرده است: «روی کاغذ، جهان‌های زیست‌پذیر می‌توانسته‌اند میلیاردها سال زودتر از آنچه پیش‌تر تصور می‌کردیم وجود داشته باشند، حتی پیش از آنکه نخستین کهکشان‌ها به طور کامل شکل بگیرند.» از نظر رصدی، یافتن چنین سامانه‌های بازمانده‌ای در کهکشان ما ممکن است، زیرا باید اثرانگشت‌های عنصری متمایزی را حفظ کرده باشند.

شبیه‌سازی‌ها واقعا چه چیزی را نشان می‌دهند

مدل‌ها فروریزش نواحی غنی‌شده با ابرنواختر را به سوی ستاره‌ای از نسل تازه، با جرمی حدود ۰٫۷ برابر جرم خورشید، دنبال کردند؛ ستاره‌ای که قرصی غبارآلود پیرامون آن را گرفته بود. درون آن قرص، تیم پژوهشی جمعیت‌هایی از اجرام جامد کوچک را شناسایی کرد، از توده‌های هم‌اندازه متر تا سیاره‌واره‌های کیلومتری، که پیش‌سازهای کلاسیک سیارات به شمار می‌روند. نکته مهم این است که برخی از این اجرام در فاصله‌هایی شکل گرفتند که با ناحیه آب مایع ستاره هم‌پوشانی دارد و این موضوع از دسترس‌پذیری زودهنگام آب در کنار عناصر سازنده سنگ‌ها حکایت می‌کند.

جرت جانسون، اخترفیزیک‌دان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس که در این مطالعه مشارکت نداشت، درباره اهمیت گسترده‌تر آن چنین اظهار نظر کرد: «این پژوهش پنجره‌ای تازه به سوی آنچه ممکن است در نخستین ۱۰۰ میلیون سال تاریخ کیهان رخ داده باشد باز می‌کند. حتی اگر این سیارات آغازین عقیم بوده باشند، مواد لازم برای حیات از همان ابتدا در حال فراهم شدن بوده است.»

دیدگاه کارشناس

دکتر النا وگا، اخترفیزیک‌دانی که در زمینه شکل‌گیری ستارگان نخستین تخصص دارد، می‌گوید: «غنی‌سازی محلی همه‌چیز را تغییر می‌دهد. وقتی میانگین‌گیری از کل جهان را کنار می‌گذارید و محله‌های کیهانی را با جزئیات بررسی می‌کنید، می‌بینید که جزیره‌هایی از غنا می‌توانند تقریبا بلافاصله پس از نخستین ابرنواخترها پدیدار شوند. این جزیره‌ها مکان‌هایی ایده‌آل برای مونتاژ سریع سیارات هستند. گام بعدی این است که نشانه‌های رصدی قابل جست‌وجو با ابزارهای کنونی و آینده را پیش‌بینی کنیم.»

گام‌های بعدی و چشم‌اندازهای رصدی

تیم پژوهشی قصد دارد شبیه‌سازی‌های خود را تا مراحل بعدی رشد سیاره‌ای گسترش دهد تا ببیند آیا سیاره‌واره‌های آغازین می‌توانند به سیارات کامل تبدیل شوند و چنین سیاراتی چه مقدار آب را می‌توانند حفظ کنند. آن‌ها همچنین غنی‌سازی ناشی از انواع دیگر ابرنواخترها را شبیه‌سازی خواهند کرد که احتمالا در جهان آغازین رایج بوده‌اند.

آشکارسازی بازماندگان واقعی این دوره درون راه شیری نیازمند جرم‌شناسی شیمیایی دقیق است. ستاره‌ای که از ماده غنی‌شده با ابرنواختر زاده شده باشد، باید الگوهای فراوانی غیرمعمولی را در عناصر سنگین و ایزوتوپ‌های مرتبط با غبار نشان دهد. پیمایش‌های طیف‌سنجی با وضوح بالا از ستاره‌های کهن و کم‌جرم در هاله و برآمدگی کهکشانی، نقطه شروعی عملی به شمار می‌روند.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی‌های تازه ثابت نمی‌کنند که حیات زودهنگام پدید آمده است، اما ما را وادار می‌کنند درباره زمان شکل‌گیری نخستین سیارات خاکی بازاندیشی کنیم. این مطالعه با نشان دادن اینکه غنی‌سازی موضعی ناشی از ابرنواخترهای ناپایداری زوجی می‌تواند در چشم‌برهم‌زدنی کیهانی، ماده جامد کافی برای ساخت جهان‌های سنگی فراهم کند، داستان پیدایش سیارات را به فصل‌های آغازین جهان نزدیک‌تر می‌برد. این یافته‌ها در نامه‌های ژورنال اخترفیزیک منتشر شده‌اند و نظریه‌پردازان و رصدگران را به جست‌وجوی حفره‌های کهن و فلزدار کیهان برای یافتن یادگارهای سیاره‌ای فرامی‌خوانند.