11 دقیقه
در عمق برخی از کهن‌ترین سنگهای سیاره، پژوهشگران ردپای شیمیایی‌ای یافته‌اند که ممکن است به نسخه‌ای از زمین تعلق داشته باشد که پیش از برخورد عظیمی شکل‌گیرندهٔ جهان کنونی ما وجود داشته است. این کشف بر پایهٔ یک نامتعادلی ظریف در ایزوتوپهای پتاسیم استوار است و نشان میدهد قطعاتی از پروتو-زمین اولیه توانسته‌اند از یک فاجعهٔ سیارهای در ۴٫۵ میلیارد سال پیش جان سالم به در ببرند.
ردپاهای باستانی: ایزوتوپهای پتاسیم در بازگشایی تصویری از زمین گمشده
مدلهای امروزی تشکیل سیارات سنگی پیشنهاد میکنند که زمین اولیه از تجمع جنین‌های سیارهای کوچکتر و شهاب‌سنگ‌ها در دیسک آشفتهٔ منظومهٔ شمسی جوان شکل گرفته است. در درون ۱۰۰ میلیون سال اول، یک جرم به اندازهٔ مریخ—که معمولاً به نام تئا (Theia) شناخته می‌شود—در یک رخداد پرخشونت با پروتو-زمین برخورد کرد؛ رویدادی که به آن «برخورد عظیم» گفته می‌شود. آن برخورد لایه‌های بیرونی سیاره را ذوب و مخلوط کرد و در نتیجه ماه پدید آمد و تفاوت‌های شیمیایی مشخص مواد سازندهٔ سیاره را تا حد زیادی محو نمود.
برای دهه‌ها، دانشمندان گمان می‌بردند برخورد عظیم به‌طور مؤثری شیمی زمین را از نو بازنشانی کرده است. با این حال، ایزوتوپ‌ها—نسخه‌های کمی متفاوت یک عنصر که با تعداد نوترون متفاوت تعریف می‌شوند—راهی برای نگریستن فراتر از آمیختگی‌های فاجعه‌آمیز ارائه میدهند. پتاسیم، عنصری رایج در سنگهای سیارهای، به صورت سه ایزوتوپ طبیعی (39، 40 و 41) وجود دارد. تغییرات اندک در نسبت این ایزوتوپ‌ها مانند آثار جنایی عمل میکنند: آنها تاریخچهٔ مواد را که به هم پیوسته و سیارات را ساختند ثبت میکنند و می‌توانند منبع و فرآیندهای اولیه را بازنمایی کنند.
تیم تحقیقاتی موسسهٔ فناوری ماساچوست (MIT) به‌دنبال یک ناهنجاری ایزوتوپی پتاسیم بود که می‌توانست به مواد قدیمی‌تر از زمین پس از برخورد اشاره کند. یافتن چنین سیگنالی به معنای آن است که قطعاتی از پروتو-زمین به‌نوعی از هرج‌ومرج جان سالم برده و بعداً در مخازن عمیق پوسته یا گوشته محفوظ ماندهاند؛ مخازنی که در طول میلیاردها سال تغییرات دگرگونی و جابجایی محدودی را تجربه کرده‌اند.
چه کرد تیم MIT: نمونه‌گیری، جداسازی و طیفسنجی جرمی
برای پیگیری این فرضیه، پژوهشگران نمونه‌گیری میدانی را با کار آزمایشگاهی دقیق و شبیه‌سازی‌های عددی ترکیب کردند. آنها نمونههای پودر شدهٔ سنگ از برخی از قدیمی‌ترین برون‌زدهای زمین در گرینلند و کانادا را بررسی کردند—منطقه‌هایی که قطعاتی از پوستهٔ قاره‌ای باستانی را به سطح آورده‌اند و پنجره‌ای به مواد اولیهٔ زمین فراهم میکنند. آنها همچنین لاواهای آتشفشانی از هاوایی را تحلیل کردند. اگرچه آتشفشان‌های هاوایی از دیدگاه زمانی بشر جوان‌اند، ولی می‌توانند محموله‌ای از مواد گوشتهٔ عمیق را به سطح بیاورند و بدین‌وسیله نشانه‌های شیمیایی نخستین را منتقل کنند.
در آزمایشگاه، تیم نمونههای پودر شده را در اسید حل کرد تا پتاسیم را استخراج کند و سپس از طیفسنجی جرمی با دقت بالا برای اندازهگیری نسبتهای نسبی پتاسیم-39، -40 و -41 استفاده نمود. اندازهگیری اختلافات بسیار کوچک در نسبت ایزوتوپ‌ها نیازمند جداسازی شیمیایی سختگیرانه و کالیبراسیون تحلیلی دقیق است؛ هر مرحله باید برای حذف آلاینده‌ها و اثرات نمونه‌برداری کنترل شود. این کار همچنین از یک پایگاه دادهٔ گستردهٔ شهابسنگی بهره برد: ترکیبات ده‌ها نوع شهاب‌سنگ به‌عنوان خطوط پایهٔ مقایسه‌ای و ورودی برای شبیه‌سازی‌های آمیختگی ناشی از برخورد مورد استفاده قرار گرفت.
با مقایسهٔ نمونههای زمینی با ترکیبات شهاب‌سنگ‌ها، پژوهشگران می‌توانستند آزمون کنند آیا سنگهای زمین هرگونه امضای ایزوتوپی را حفظ کرده‌اند که توسط فرآیندهای زمینشناختی بعدی یا بلوک‌های ساختمانی شهابسنگی شناختهشده تولید نشده باشد. این مقایسهٔ میان حوزهٔ ژئوشیمی زمین و مجموعهٔ شهاب‌سنگ‌ها امکان تفکیک منشاء مواد و پی‌بردن به ردپای پروتو-زمین را فراهم می‌آورد.
کشف کلیدی: کسری کوچک با پیامدهای بزرگ
یکی از یافته‌های برجسته، کسری مداوم در پتاسیم-40 نسبت به ایزوتوپهای پرشمارتر در برخی از سنگهای باستانی و مشتق‌شده از گوشتهٔ عمیق بود. پتاسیم-40 بخشی اندک از پتاسیم زمینی را تشکیل میدهد، اما این نمونه‌ها حتی سهم کمتری نسبت به مقدار معمول نشان می‌دادند. آشکارسازی چنین کسری ظریفی از نظر فنی دشوار است—به‌ویژه به دلیل نیاز به حذف هرگونه تأثیر دگرگونی سطحی یا آلایش‌های ثانویه—اما الگو در نمونههای مستقل تکرار شد، که حکایت از سیگنالی واقعی به جای نویز تحلیلی یا تغییر محلی داشت.
اهمیت این موضوع چیست؟ اگر پروتو-زمین با نسبت پایین‌تری از پتاسیم-40 شکل گرفته باشد، برخورد عظیم و سپس تجمع پیوستهٔ شهاب‌سنگ‌ها در طول زمان به طور طبیعی میانگین کسری پتاسیم-40 را افزایش می‌دادند زیرا مواد جدید مخلوط می‌شدند. یافتن سنگ‌هایی با این کسری نشان میدهد آن نمونه‌ها شیمی را از یک مخزن پیش از برخورد به ارث برده‌اند—مواد‌هایی که به‌نوعی از تعادل کامل شیمیایی هنگام بازآرایی پروتو-زمین اجتناب کرده‌اند و در نتیجه امضای اولیهٔ خود را حفظ کرده‌اند.
برای ارزیابی این فرضیه، تیم شبیه‌سازی‌های آمیختگی انجام داد که برخورد عظیم، بمباران شهابسنگی پس از آن، گرم‌شدن گوشته و آشفتگی همرفتی را در طول تاریخ سیارهای مدل‌سازی می‌کردند. با استفاده از دادههای ترکیبی از کلاس‌های شناخته‌شدهٔ شهاب‌سنگ، نشان داده شد که آمیختگی ناشی از برخورد و افزوده‌های بعدی باید ترکیب ایزوتوپی پتاسیم کلی زمین را به سمت مقادیری سوق دهد که در مواد مدرن مشاهده می‌شود. نمونههای نامعمول، در مقابل، امضای کمتر پتاسیم-40 را که برای مواد پروتو-زمین پردازش‌نشده پیش‌بینی می‌شد حفظ کرده بودند.
«این ممکن است نخستین شواهد مستقیم باشد که ما مواد پروتو-زمین را حفظ کرده‌ایم»، می‌گوید نیکول نی. یک تصویر هنری، زمین سنگی اولیه‌ای را نشان میدهد که با گدازه جوشیده است. اعتبار تصویر: MIT News; iStock. این نظر بازتاب اهمیت کشف در زمین‌ساخت، ژئوشیمی و تاریخ پیدایش ماه است و نشان میدهد چرا اثبات بقای مخازن اولیه برای فهم فرآیندهای شکل‌دهندهٔ سیارات حیاتی است.
عدم تطابق با شهابسنگهای شناختهشده: شکافی در مجموعهٔ ما
یک پیچش شگفت‌آور این است که کسری پتاسیم-40 مشاهده‌شده در این نمونههای زمینی دقیقاً با هیچ شهاب‌سنگ شناخته‌شده‌ای که علم تاکنون جمعآوری کرده مطابقت ندارد. در کارهای پیشین، نی و همکاران نشان داده بودند که گروه‌های مختلف شهابسنگی اثرانگشت‌های ایزوتوپی پتاسیمی متمایزی دارند و به همین دلیل پتاسیم به یک ردیاب امیدوارکننده برای بلوک‌های سازندهٔ سیارات تبدیل شد. با این حال، امضای خاص یافت‌شده در نمونههای گرینلند، کانادا و هاوایی به‌طور کامل با کلاس‌های موجود شهاب‌سنگ هم‌راستا نیست.
این عدم تطابق دو احتمال را مطرح می‌کند. اول اینکه ممکن است پروتو-زمین از جمعیتی از سیارکها یا کراتکوچک (planetesimals) تشکیل شده باشد که در مجموعهٔ شهابسنگهای ما ضعیف نمایندگی شده‌اند—یا به‌طور کامل در آن مجموعه غایب‌اند. فهرست شهابسنگهای ما با آنچه به زمین می‌رسد و از ورود جوی جان سالم به در می‌برد سوگیری دارد؛ بسیاری از مواد منظومهٔ شمسی اولیه ممکن است هرگز به نمونه‌ای تبدیل نشده و در زمین افتاده باشند. دوم اینکه مخزن پروتو-زمین که در گوشته یا پوستهٔ عمیق محفوظ مانده، میتواند منعکس‌کنندهٔ فرآیندهای اولیه‌ای باشد—مانند از دست دادن فرّارها (volatile loss)، ذوب جزئی یا تمایز—که ایزوتوپهای پتاسیم را به گونه‌ای تغییر داده‌اند که در شهابسنگهای شناختهشده تکرار نمیشود.
در هر دو حالت، این یافته شکاف مهمی در درک ما از مواد منظومهٔ شمسی برجای میگذارد و تأکید می‌کند که نمونههای شهابسنگی در دست ما فهرست کاملی از موجودیِ سازندهٔ سیارات نیستند. به‌ویژه برای پژوهش‌های مقایسه‌ای سیارهای و مدل‌سازی ترکیبات اولیه، شناخت این ناپیوستگی‌ها حیاتی است و نیاز به گسترش نمونه‌برداری و جستجوی انواع جدید شهاب‌سنگ‌ها را پررنگ می‌کند.
اهمیت این کشف برای نظریهٔ شکلگیری سیارات و ژئوشیمی
در نگاه نخست، یک نامتعادلی ایزوتوپی کوچک ممکن است به نظر نظری و انتزاعی برسد. در واقع، ردیاب‌های ایزوتوپی مانند پتاسیم-40 روایت‌هایی را دربارهٔ زمان‌بندی، منابع و فرایندهایی که سیارات را شکل داده‌اند باز میکنند. اگر قطعاتی از پروتو-زمین در مخازن عمیق زمین دست‌نخورده باقی مانده باشند، آنها دیدی نادر و مستقیم از جامدات اولیه‌ای ارائه میدهند که سیارهٔ ما را ابتدا ساختند—موادی که قبل از رویداد تشکیل ماه وجود داشته‌اند و اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ ترکیب و تحولات اولیه دارند.
این بینش‌ها مدلهای برخورد عظیم را پالایش میکنند: آنها محدودهٔ همگن‌سازی برخورد را محدود میکنند و نشان میدهند چگونه برخی قطعات جامد میتوانستهاند بقا پیدا کنند یا دوباره تجمع یابند. این یافتهها همچنین بر موجودی عناصر تولیدکنندهٔ گرما تأثیر می‌گذارند—پتاسیم-40 در گرمایش رادیوژنتیک نقش دارد—که به نوبهٔ خود بر همرفتی اولیهٔ گوشته، شکلگیری پوسته و تکامل گرمایی لازم برای قابل سکونت شدن تأثیر میگذارد.
فراتر از زمین، این پژوهش برای سیاره‌شناسی تطبیقی اهمیت دارد. دانستن اینکه کدام بلوک‌های ساختمانی در درون یک سیاره محفوظ ماندهاند میتواند تفسیر دادههای ایزوتوپی از مریخ، ماه و سیارک‌های حامل شهاب‌سنگ را هدایت کند. نتایج همچنین انگیزه‌ای برای جستجوی انواع جدید شهاب‌سنگ و بهبود نمونه‌برداری از مواد گوشتهٔ عمیق از طریق روش‌های ژئوفیزیکی پیشرفته یا طرح‌های حفاری آینده فراهم می‌آورد.
جهت‌گیری‌های آینده: گام‌های بعدی پژوهشگران
مسیر پیش رو چندین محور روشن دارد. اول، گسترش بررسی‌های ایزوتوپی—در گستره‌ای وسیع‌تر از ترانه‌های باستانی، لاواهای مشتق‌شده از گوشتهٔ عمیق و کلاس‌های متنوع‌تر شهاب‌سنگ—میتواند دامنهٔ پراکندگی ناهنجاری پتاسیم را آزمایش کند و بسنجد آیا این امضا در مناطق جغرافیایی و ژئودینامیکی دیگر نیز حضور دارد یا خیر. دوم، شبیه‌سازی‌های با دقت بالاتر که دینامیک برخورد را با فرآیندهای تجزیهٔ ایزوتوپی جفت میکنند می‌توانند تعیین کنند چگونه این امضاها در طول برخوردهای عظیم حفظ یا رقیق می‌شوند.
سرانجام، مطالعات هماهنگ‌شده دربارهٔ سیستم‌های ایزوتوپی دیگر (برای نمونه کلسیم، تیتانیوم، تنگستن) بررسی خواهند کرد آیا ردیاب‌های مستقل متعدد به همان مخزن پروتو-زمین اشاره دارند یا تصویری پیچیده‌تر از شیمی سیارهای اولیه را آشکار میکنند. پیشرفت‌های عملی در تحلیل نمونه‌ها نیز اهمیت دارد: طیف‌سنج‌های جرمی نسل بعد با حساسیت و دقت بیشتر به پژوهشگران اجازه خواهند داد حتی انحرافات ایزوتوپی بسیار کوچکتر را تشخیص دهند و فسفرها، شاملک‌ها یا فازهای معدنی را آنالیز کنند که بهتر از بقیهٔ مواد شیمیایی نخستین را حفظ میکنند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر اما کوان، زمین‌شیمیدان سیارهای در یک دانشگاه تحقیقاتی معتبر (که در مطالعه مشارکت نداشت)، می‌گوید: «یافتن یک امضای شیمیایی پیش از برخورد در داخل زمین مانند کشف قطعه‌ای فسیل‌شده از کودکی سیارهٔ ما است. کسری پتاسیم-40 ممکن است ظریف باشد، اما به‌عنوان یک ردیاب قوی عمل می‌کند زیرا تولید آن الگوی خاص از طریق فرآیندهای زمین‌شناسی رایج دشوار است. اگر با نمونههای اضافی و سیستم‌های ایزوتوپی دیگر تأیید شود، این نتیجه ما را مجبور خواهد کرد در مورد میزان بقای شیمی اولیهٔ زمین پس از رویداد شکلگیری ماه تجدیدنظر کنیم.»
او می‌افزاید: «این مطالعه همچنین نشان میدهد ترکیب زمین‌شناسی میدانی، کار آزمایشگاهی با دقت بالا و مدلهای دینامیکی واقع‌گرایانه چقدر حیاتی است. هر خط از شواهد، پرونده را تقویت می‌کند و در کنار هم به یک امکان وسوسه‌انگیز اشاره دارند: اینکه داستان شکلگیری زمین در جاهایی حفظ شده است که ما تازه شروع به کاوش آنها کرده‌ایم.»
در نهایت، این کشف هم یک پیشرفت است و هم انگیزه‌بخش. در را به روی بازیابی قطعات سیارهٔ اولیه باز می‌کند اما هم‌زمان یادآور می‌شود مجموعهٔ نمونههای ما از مواد منظومهٔ شمسی چقدر ناقص است. با بهبود روش‌های تحلیلی و مطالعهٔ تعداد بیشتری از سنگهای باستانی با دید ایزوتوپی، پژوهشگران یا امضای پروتو-زمین را در ردیاب‌های دیگر تأیید خواهند کرد یا تصویر پیچیده‌تری از شیمی سیارهای اولیه را آشکار خواهند ساخت.
فعلاً، ناهنجاری پتاسیم یافت‌شده در نمونههای گرینلند، کانادا و هاوایی نمادی نادر از باستان‌شناسی سیارهای است: نجوايی از زمانی پیش از ماه که در سنگ محفوظ مانده و توسط علم مدرن رمزگشایی شده است. این یافته برای حوزه‌های ژئوشیمی، سیاره‌شناسی تطبیقی و مطالعات شهابسنگی اهمیت استراتژیک دارد و راه را برای پژوهش‌های آینده در زمینهٔ ایزوتوپ پتاسیم، ترکیبات عناصر فرّار و تاریخچهٔ تشکیل سیاره‌ها هموار می‌سازد.
منبع: scitechdaily
نظرات
پمپزون
اگه امضای پتاسیم با هیچ شهابسنگی همخوانی نداره، یعنی یا نمونه‌هامون ناقصن یا کلی چیز از منظومه یاد نگرفتیم، یا...
نیما_
عجب کشفیه، حس میکنم داریم یه فسیل از دوران بچگی زمین پیدا میکنیم 😊 ولی عقب نکشین، کاش حفاری عمیق‌تر هم می‌کردن
امیر
ایده جذابه، یعنی شاید واقعاً یه پنجره به پیش از برخورد باشه، ولی نیاز به تأییدهای بیشتر داره
تریپمند
خوب نوشته شده، ولی بنظرم کمی اغراق داره؛ باید تعداد نمونه و کلاس‌های شهاب‌سنگ بیشتر باشه، صبر کنیم ببینیم
لابکور
من تو یه آزمایش شبیه‌سازی کوچیک دیدم سیگنالای ریز بعضی وقتا فریبنده‌ان، ولی تکرارش در نمونههای مختلف قانع‌کننده‌ست.
توربو
نکته جالب اینکه ایزوتوپ‌ها مثل یه ساعت عمل می‌کنن، اما باید مراقب سوگیری نمونه‌برداری هم باشیم
کوینپیل
واقعاً این کسری پتاسیم-40 قانع‌کننده‌ست؟ یا ممکنه یه آلودگی آزمایشگاهی باعثش شده باشه ؟
روداکس
وای، یعنی واقعا قطعاتی از پروتوزمین تونستن زنده بمونن؟ ذهنم داره الکی ورجه ورجه میکنه...
ارسال نظر