ردپای شیمیایی متفاوت در نپتون و اورانوس آشکار می شود

از دور شبیه دوقلوها به نظر می‌رسند: اندازه‌هایی نزدیک به هم، درخششی آبی و سبز، و پوشش‌های ضخیمی از گاز که به درون‌های پنهان فرو می‌روند. اما از نزدیک، داستان عوض می‌شود. پژوهشی تازه نشان می‌دهد نپتون و اورانوس، که مدت‌ها در کنار هم به عنوان غول‌های یخی منظومه شمسی شناخته می‌شدند، شاید خواهر و برادرهایی باشند که کودکی‌های بسیار متفاوتی را پشت سر گذاشته‌اند.

اخترفیزیک‌دانان یک تیم بین‌المللی، از جمله دانشمندانی از مؤسسه پژوهشی جنوب‌غرب، سرنخ‌های شیمیایی نهفته در جو بالایی این سیاره‌ها را بررسی کردند و به تضادی چشمگیر رسیدند: به نظر می‌رسد لایه‌های ژرف نپتون اکسیژن بسیار بیشتری نسبت به اورانوس دارند. این برداشت از اندازه‌گیری‌های دقیق مونوکسید کربن در تروپوسفر بالایی این سیاره‌ها و شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای به دست آمده است که این سیگنال‌ها را به ترکیب‌های شیمیایی محتمل درون سیاره‌ها ترجمه می‌کنند.

چرا مونوکسید کربن؟ چون این مولکول یکی از بهترین ردیاب‌هایی است که برای فهمیدن رخدادهای زیر ابرهای قابل مشاهده در اختیار داریم. مونوکسید کربن آن‌قدر در جو بالایی دوام می‌آورد که تلسکوپ‌هایی مانند آلما بتوانند آن را آشکار کنند. پژوهشگران از این رصدها، و با مدل‌سازی چگونگی آمیختن و واکنش مولکول‌ها هنگام فرورفتن یا بالا آمدن، می‌توانند نسبت‌های احتمالی کربن به اکسیژن را که در هزاران کیلومتر پایین‌تر پنهان شده‌اند، بازسازی کنند.

این نتیجه فقط یک تفاوت ظریف نیست. غنای اکسیژنِ استنباط‌شده در نپتون نشان می‌دهد این سیاره هنگام شکل‌گیری، ترکیب متفاوتی از جامدات و یخ‌ها را در خود جای داده است؛ موادی که در مقایسه با اورانوس از آب یا ترکیبات اکسیژن‌دار دیگر غنی‌تر بوده‌اند. به بیان کوتاه: این دو سیاره ممکن است از ذخایر متفاوتی در قرص پیش‌سیاره‌ای که پیرامون خورشید نوزاد می‌چرخید، ساخته شده باشند.

جامعه علمی به طور سنتی غول‌های یخی نپتون و اورانوس را دوقلوهایی می‌دانست که هنگام شکل‌گیری از یک ذخیره مشترک مواد تغذیه کرده‌اند. یکی از دانشمندان مؤسسه پژوهشی جنوب‌غرب در مطالعه‌ای تازه مشارکت داشته که توضیح می‌دهد چگونه جو ژرف نپتون ظاهرا به شکل چشمگیری از اورانوس اکسیژن بیشتری دارد؛ نشانه‌ای که می‌گوید مواد سازنده این دو سیاره از نواحی متفاوتی در قرص پیش‌سیاره‌ای آمده‌اند. در تصویر: برداشت هنری از اورانوس، نپتون، خورشید جوان و قرص پیش‌سیاره‌ای. 

شکل‌گیری سیاره‌ها فرایندی مرتب و ساده نیست. در قرص آغازین، دما با افزایش فاصله از خورشید کاهش می‌یافت و باعث می‌شد گونه‌های فرار در شعاع‌های مختلف به جامد تبدیل شوند. این روند محله‌های شیمیایی به وجود آورد: نواحی‌ای که یخ آب بر آن‌ها غالب بود، نواحی سرشار از یخ‌های کربن‌دار، و مواردی از این دست. اگر سیاره‌ای بیشتر جرم خود را در یک محله گرد آورد، اثر انگشت عنصری آن همان خاستگاه را بازتاب می‌دهد. اگر مهاجرت کند یا موادی را جذب کند که از دوردست آمده‌اند، این اثر انگشت تغییر می‌کند.

مدل‌های تحول قرص که این تیم ارائه کرده، دقیقا چنین تصویری را برای نپتون ترسیم می‌کند. نپتون شاید به جای آنکه فقط از مواد محلی نزدیک مدار امروزی خود شکل گرفته باشد، بلوک‌های سازنده‌ای را جذب کرده که نزدیک‌تر به خورشید پدید آمده و سپس به بیرون مهاجرت کرده‌اند؛ چه با حمل شدن توسط سیارک‌واره‌های یخی و چه با جریان‌های گسترده گاز. پیامد آن، دو سیاره‌ای است که در ظاهر شبیه هم‌اند اما رزومه‌های شیمیایی متفاوتی درون خود دارند.

یکی از نویسندگان این مطالعه گفته است: «شباهت‌های سطحی می‌توانند فریبنده باشند» و یادآور می‌شود که ناتوانی ما در کاوش مستقیم درون‌های ژرف، دانشمندان را وادار می‌کند به ردیاب‌ها و مدل‌ها تکیه کنند. این نتیجه‌گیری هنوز قطعی نیست و مدل‌ها بر پایه فرض‌هایی ساخته شده‌اند. با این حال، شیمی ماجرا آن‌قدر منسجم است که به‌سختی می‌توان آن را نادیده گرفت.

نپتون و اورانوس شاید اندازه و رنگی مشابه داشته باشند، اما اثر انگشت شیمیایی آن‌ها نشان می‌دهد از ذخایر متفاوتی از مواد خام منظومه شمسی آغازین رشد کرده‌اند.

اهمیت این موضوع فراتر از بحثی درباره دو سیاره دوردست است. جهان‌هایی هم‌اندازه اورانوس و نپتون در اطراف ستاره‌های دیگر فراوان‌اند. درک اینکه چنین سیاره‌هایی در همان محل شکل می‌گیرند یا در سراسر قرص مهاجرت می‌کنند، به توضیح تنوع سامانه‌های فراخورشیدی کمک می‌کند که اخترشناسان امروز مشاهده می‌کنند. اگر مهاجرت جامدات رایج بوده باشد، بسیاری از سیاره‌هایی که ظاهرا محلی به نظر می‌رسند، ممکن است در واقع تکه‌دوزی‌هایی از مواد نواحی بسیار دور باشند.

با این حال، عدم قطعیت همچنان باقی است. مدل‌ها فقط به اندازه داده‌هایی که به آن‌ها داده می‌شود قابل اعتمادند، و ما هنوز جوهای ژرف این سیاره‌ها را مستقیم نمونه‌برداری نکرده‌ایم. به همین دلیل است که برنامه‌ریزان مأموریت‌های فضایی برای کاوشگرهای اختصاصی اورانوس و نپتون تلاش می‌کنند؛ فرودگرهایی که بتوانند در ابرها فرو بروند و اندازه‌گیری‌های واقعی از ترکیب و ساختار را بازگردانند. چنین داده‌هایی فرضیه مهاجرت را می‌آزمایند و تصویر ما از چگونگی شکل‌گیری محله‌های سیاره‌ای را دقیق‌تر می‌کنند.

فعلا تلسکوپ‌هایی مانند آلما روزنه‌ای شیمیایی برای نگاه کردن به این دنیاها در اختیار ما می‌گذارند. آنچه از این روزنه می‌بینیم، شجره‌نامه‌ای پیچیده‌تر از آنچه پیش‌تر برای غول‌های یخی تصور می‌شد نشان می‌دهد. و اگر دو سیاره در یک سامانه بتوانند چنین داستان‌های منشأ متفاوتی داشته باشند، این موضوع درباره میلیاردها جهان دیگری که به دور ستاره‌های دیگر می‌گردند چه می‌گوید؟ این پرسش در خلأ معلق مانده و منتظر کاوشگر بعدی است که از میان ابرها فرو برود.