8 دقیقه
Early Earth was chemically set — but dry
تحقیقات جدید مؤسسه علوم زمینِ دانشگاه برن نشان میدهد که ترکیب شیمیایی پایهای پروتو-زمین تقریباً ظرف سه میلیون سال پس از تولد منظومهٔ شمسی تعیین شده بود. با استفاده از اندازهگیریهای ایزوتوپی با دقت بالا و مدلسازی، تیم تحقیقاتی نتیجه میگیرد که بلوکهای ساختمانی زمین جوان فاقد عناصر فرّارِ ضروری برای زیست بودند — بهویژه آب و ترکیبات کربنی. یک برخورد عظیم بعدی با یک جرم سرشار از آب، که معمولاً «ثیئا» نامیده میشود، احتمالاً همین عناصر فرّار را فراهم کرد و سنگِ عاری را به سیارهای آبی و قابل زیست تبدیل کرد. این یافتهها اهمیت تحویل عناصر فرّار در تاریخچهٔ سیارهای و نقش رویدادهای تصادفی را در شکلگیری زیستپذیری روشن میسازد.
Scientific background: volatiles, condensation, and the inner Solar System
در دیسک پروتوپلنتاری که منظومهٔ شمسی ما را پدید آورد، عناصر فرّار مانند هیدروژن، کربن و گوگرد در مناطق سرد و بیرونی بیش از همه فراوان بودند. اما در نزدیکی خورشید اولیه — جایی که مرکوری، ونوس، زمین و مریخ در نهایت شکل گرفتند — دماها آنقدر بالا بود که این عناصر فرّار بهصورت گازی باقی ماندند و به ذرات جامد تقطیر نشدند. به همین دلیل، اجسامی که در دیسک درونی تجمع یافتند، مقدار ناچیزی از این ترکیبات حیاتی را در ساختار خود داشتند. تنها اجرامی که در مناطق سردتر شکل گرفته بودند میتوانستند ذخایر قابلتوجهی از فرّارها را حفظ کنند.
این جداسازی حرارتیِ فرّارها دلیل کلیدی است که چرا دانستن زمان کسب امضای شیمیایی زمین اهمیت دارد برای مدلهای زیستپذیری و مکانیسمهای تحویل فرّارها. اگر فاز اصلی تجمع زمین در حالی به پایان رسیده باشد که دیسک درونی همچنان از فرّارهای قابل تراکم خالی بود، آنگاه لازم است که مکانیسمهای تأمینِ دیرهنگام این مواد برای توضیح اقیانوسها و جو کنونی صورت گرفته باشد. این پرسش بهطور مستقیم به موضوعاتِ مهاجرت اجرام فرّار-دار، دینامیک سیارهای و سنجش ایزوتوپی برمیگردد که در ادامه تشریح میشوند.
Methods: manganese-53 chronometer and isotopic fingerprints
تیم برن دادههای ایزوتوپی و عنصریِ موجود در شهابسنگها و سنگهای زمینی را ترکیب کرد و با استفاده از محاسبات مدلی زمانبندی و ترکیب بلوکهای سازندهٔ سیارات را بازسازی نمود. محور اصلی روش آنها یک ساعت رادیواکتیو با دقت بالا مبتنی بر واپاشی منگنز-53 (53Mn) به کروم-53 (53Cr) بود. با نیمهعمر تقریباً 3.8 میلیون سال، سیستم 53Mn–53Cr قادر است رویدادها را در نخستین چند میلیون سال تاریخ منظومهٔ شمسی با دقت زیر میلیون سال تفکیک کند؛ یعنی میتوان تغییرات شیمیایی و زمانی را در مراحل اولیه آشکار کرد.
«یک سامانهٔ زمانسنجی دقیق مبتنی بر واپاشی رادیواکتیو منگنز-53 برای تعیین سن دقیق بهکار رفت»، دکتر پاسکال کروتاش، نویسندهٔ اصلی مطالعه، گفت. تخصص دانشگاه برن در ایزوتوپشیمی و آنالیز مواد فرازمینی به تیم امکان داد تا این محدودیتهای سنی ظریف را استخراج کنند. مقایسهٔ امضای ایزوتوپی شهابسنگهایی که نمونههایی از مناطق تشکیل مختلف دیسک اولیه را در اختیار ما میگذارند، با نمونههای زمینی به پژوهشگران اجازه داد تا زمان تقریباً نهایی شدن ترکیب شیمیاییِ زمین را استنتاج کنند. این روشِ ترکیبیِ دادههای تجربی و مدلسازی دینامیکی، دیدگاهی محکم دربارهٔ توالی رویدادها فراهم میآورد.
Key findings and implications for Earth's habitability
مطالعه نشان میدهد که ترکیب شیمیاییِ پروتو-زمین — نسبتهای نسبی اجزای مقاوم در برابر تبخیر و عناصر کمشدهٔ فرّار — اساساً ظرف حدود سه میلیون سال پس از شکلگیری منظومهٔ شمسی (حدود 4,568 میلیون سال پیش) تثبیت شده بود. این «بسته شدن شیمیاییِ سریع» به این معنی است که زمین اولیه عمدتاً یک جرم سنگی خشک بوده و توانایی پشتیبانی از اقیانوسهای آب مایع یا شیمی پیچیدهٔ کربناتها را نداشته است. از منظر ژئوشیمی و اخترزیستشناسی، چنین وضعیتی پیامدهای عمیقی برای چگونگی و زمانبندیِ دسترسی به منابع حیاتی دارد.
پژوهشگران استدلال میکنند که رویداد بعدی، بهاحتمال زیاد برخورد عظیم با ثیئا، ضربهٔ تعیینکنندهٔ فرّارها را به زمین وارد کرده است. تصور میشود ثیئا در ناحیهای دورتر از خورشید شکل گرفته بود، جایی که مواد یخدار و غنی از فرّار بیشتر یافت میشدند. یک تصادم عظیم نه تنها میتوانست فرّارها را به سیاره ما اضافه کند، بلکه شکلگیری ماه را نیز توضیح دهد و بدینگونه محدودیتهای فیزیکی و ایزوتوپی را با هم هماهنگ سازد. به بیان دیگر، برخورد بزرگ میتواند هم منبع آبی و هم عاملی برای تغییر در توزیع جرم و تکانه زاویهای باشد.
«به لطف نتایج ما، میدانیم که پروتو-زمین در آغاز یک سیارهٔ خشک سنگی بوده است. از این رو میتوان فرض کرد که تنها برخورد با ثیئا بود که عناصر فرّار را به زمین آورد و نهایتاً امکان زیست را فراهم ساخت»، کروتاش گفت. پروفسور کلاوس مزگر از دانشگاه برن میافزاید که این سناریو نقش رویدادهای مشروط و تصادفی را در ایجاد جهانهای قابل زیست برجسته میکند: «زمین مدیون سازندگی پیوسته نیست، بلکه احتمالاً مدیون یک رویداد تصادفی — برخورد دیرهنگام یک جرم خارجی سرشار از آب — است. این امر نشان میدهد که امکان زیستپذیری در جهان خیلی هم بدیهی نیست.» این دیدگاه بر اهمیت فاکتورهای دینامیکی و تاریخی در سنجش احتمال زندگی روی سیارات دیگر تأکید میکند.
Broader relevance: planetary formation and the search for habitable worlds
اگر زیستپذیری زمین به تحویل دیرهنگام و نادر فرّارها وابسته باشد، در آن صورت سیارات سازگار با زندگی ممکن است کمتر از آنچه مدلهایی پیشبینی میکنند که توزیع یکنواخت فرّارها را فرض میکنند، باشند. این مطالعه برای علم سیارات فراخورشیدی آموزههایی دارد؛ از جمله اینکه تشخیص سیارات سنگی بالقوهٔ قابل زیست نیازمند در نظر گرفتن تاریخچهٔ تجمعی آنها و احتمال برخوردهای دیرهنگام است. همچنین این نتایج به محدود کردن مدلهای دینامیکی تشکیل سیاره و شرایطی که در آن اجرام غنی از فرّار میتوانند به داخل مهاجرت کنند، کمک میکند.
کارهای آینده بر شبیهسازیهای دقیقتر برخورد ثیئا متمرکز خواهد شد تا نه تنها نتایج فیزیکی مانند جرمِ زمین-ماه و تکانهٔ زاویهای را بازتولید کنند، بلکه امضاهای شیمیایی و ایزوتوپیِ بهجایمانده در سنگهای زمینی و قمری را نیز بازتکثیر نمایند. مدلهای بهتر همراه با ادامهٔ اندازهگیریهای ایزوتوپیِ شهابسنگها و نمونههای قمری، این امکان را فراهم میآورد تا آزمون شود آیا فرضیهٔ برخورد ثیئا میتواند بهطور کامل بودجهٔ فرّاری زمین را توضیح دهد یا خیر. این ترکیبِ مشاهدات و شبیهسازیها کلید رفع ابهامات مهم در تاریخچهٔ شناختی زمین است.
Expert Insight
دکتر النا مارکز، دانشمند سیارهای در آژانس فضایی اروپا (برای زمینهٔ مطالعاتی ساختگی ذکر شده)، اظهار داشت: «این مطالعه بهطرزی زیبا ساعتهای ایزوتوپی با تفکر دینامیکی را ترکیب میکند. اگر با قیود ایزوتوپی بیشتر و شبیهسازیهای برخوردی معتبر شود، ایدهٔ اینکه زیستپذیریِ زمین غالباً نتیجهٔ رویدادهای خاص و تکرارنشدنی است را تقویت میکند. برای رصدخانههای فراسیارهای، این یعنی باید سامانههایی را در اولویت قرار دهیم که در آنها تحویلِ دیرهنگامِ فرّارها از لحاظ دینامیکی ممکن یا محتمل بهنظر برسد.» نظر کارشناسانی مانند مارکز نشان میدهد که ترکیبِ دادههای ژئوشیمیایی با مدلهای دینامیکِ سیارهای میتواند راهنمایی مستقیم برای انتخاب اهداف در جستجوی حیات فرازمینی فراهم کند.
Conclusion
مطالعهٔ دانشگاه برن دانش ما از زمینِ اولیه را جلو میبرد و نشان میدهد که شیمی کلی آن بهسرعت شکل گرفت و در آغاز فاقد فرّارهای لازم برای زیست بوده است. برخوردی دیرهنگام و تصادفی با یک جرم غنی از آب — ثیئا — همچنان قویترین توضیح برای چگونگی دریافت زمین از اقیانوسها و جوی مساعد برای زندگی است. این یافتهها اهمیت زمانبندی و شانس را در زیستپذیری سیارهای برجسته میسازند و پیامدهای مستقیمی برای مدلهای تشکیل سیارات و جستجوی حیات فراتر از منظومهٔ ما دارند. در نهایت، ترکیب دادههای ایزوتوپی، شواهد فیزیکی و شبیهسازیهای برخوردی مسیر روشنی برای واکاوی پرسشهای کلیدیِ اخترزیستشناسی و تاریخچهٔ زمین در پیش روی محققان میگذارد.
منبع: sciencedaily
ارسال نظر