8 دقیقه
حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش یک سیارک به اندازهٔ مریخ با زمینِ جوان برخورد کرد و پس از آن یک وضعِ مذاب و آشفته پدید آمد که به‌تدریج سرد شد و سامانهٔ زمین–ماه را شکل داد. یک مطالعهٔ ایزوتوپی جدید نشان میدهد که این چکش‌زننده که به نام تئا شناخته میشود، احتمالاً در بخش داخلی منظومهٔ خورشیدی شکل گرفته بود—شاید حتی همسایهٔ نزدیکِ زمینِ نابالغ. در ادامه توضیح می‌دهیم دانشمندان چگونه اثر شیمیایی تئا را ردیابی کردند و این یافته‌ها چه معنایی برای تاریخ اولیهٔ سیارهٔ ما دارند.
خواندن «دستور پخت» سیارات: ایزوتوپها بهعنوان ردگیرهای جنایی
موادِ سازندهٔ سیارات ردپاهای شیمیایی بسیار ظریفی دارند. ایزوتوپها—هم‌نوع‌های یک عنصر با شمار نوترون متفاوت—نشانه‌هایی دربارهٔ محل و شرایطِ شکلگیری مادهٔ سیارهای حفظ میکنند. در یک تحلیل مشترک جدید به رهبری پژوهشگرانی از مؤسسهٔ ماکس پلانک برای پژوهش‌های سامانهٔ خورشیدی (MPS) و دانشگاه شیکاگو، دانشمندان نسبتهای ایزوتوپی زمین، ماه و مجموعه‌ای از شهابسنگها را با هم مقایسه کردند تا منشأ تئا بازسازی شود.
تورستن کلینه، کیمیاشناسی کیهانی در MPS، خلاصهٔ فرضیهٔ هدایت‌کنندهٔ مطالعه را این‌گونه بیان میکند: "ترکیب یک جسم، تمام تاریخ شکلگیری آن و از جمله محلِ پیدایشش را بایگانی میکند." این ایده پایه‌ای است که پژوهشگران با آن سراغ ردیابی منشأ تئا رفتند.
در زمان سرد شدن یک سیارهٔ مذاب، عناصر بهطور نابرابر توزیع می‌شوند: عناصر سنگین و دوستِ فلز مانند آهن و مولیبدنم به سوی هسته مهاجرت میکنند، در حالی که عنصری مانند زیرکونیوم بیشتر در گوشته باقی می‌ماند. این جدایشِ اولیه به این معنی است که ترکیب امروزی گوشته و پوستهٔ یک سیاره بازتابی از بلوک‌های ساختمانی اولیهٔ آن و نیز هر تغییری است که بعدها—به‌ویژه از طریق برخوردهای بزرگ—به آن اضافه شده است. به‌همین‌دلیل، ایزوتوپها به پژوهشگران امکان می‌دهند تاریخ تشکیل، همگن‌سازی و الحاقاتِ بعدی یک سیاره را بازشناسند.
غیرفعالی‌های کربنی در مقابل کربنی: شهابسنگها بهعنوان نشانگر مکان
برای محدود کردن محلِ پیدایش تئا، تیم تحقیقاتی به شهابسنگها رو آورد، آنچه طبیعت به‌صورت کپسول‌های زمانی نگه داشته است. شهاب‌سنگ‌هایی که نزدیک به خورشید—در ناحیهٔ داخلی منظومهٔ خورشیدی—تشکیل شده‌اند، بهعنوان غیرکربنی (non-carbonaceous, NC) شناخته می‌شوند. این اجسام سنگی‌تر تحت گرمای خورشید پخته شده‌اند و فرّارهایی مانند آب و بخش عمده‌ای از کربن را از دست داده‌اند. در مناطق دورتر و سردتر، کندریتهای کربنی (carbonaceous chondrites, CC) تشکیل می‌شوند: مرطوب‌تر، غنیتر از کربن و از لحاظ شیمیایی متمایز.
ورقه‌های نازک از شهابسنگهای کندریت که کندرویل‌های مشخصهٔ آن‌ها را نشان میدهد؛ ذرات کوچک درون‌گیر شده.
با مقایسهٔ نسبتهای ایزوتوپی عناصر مختلف مانند آهن، کروم، کلسیم، تیتانیوم و زیرکونیوم، پژوهشگران به یک نتیجهٔ قابل‌تأمل رسیدند: امضاهای شیمیایی ماه به‌شدت با گوشتهٔ زمین همخوانی دارد—که نتیجهٔ پایه‌ای فرضیهٔ برخورد عظیم را تأیید میکند—اما برخی ایزوتوپها که مرتبط با تئا هستند، با بلوک‌های سازندهٔ معمول زمین مطابقت نداشتند. در عوض، آن نسبتها به موادِ متولدشده در دیسکِ درونی اشاره میکنند، با اختلافات ظریفی که دلالت بر این دارد که تئا ممکن است حتی نزدیک‌تر به خورشید نسبت به بخش بزرگی از جرمِ تجمع‌یافتهٔ پروتو-زمین شکل گرفته باشد. این اختلافات ایزوتوپی، هر چند کوچک، با تجهیزات طیف‌سنجی جرمی با دقت بالا قابل تشخیص‌اند و به ارائهٔ سرنخ در مورد فضای تشکیل کمک میکنند.
این یافته‌ها دربارهٔ برخورد سازندهٔ ماه چه می‌گویند
تیمو هُپ، زمین‌شناس MPS و نویسندهٔ مسئول، یافتهٔ محوری را این‌گونه خلاصه میکند: "قانع‌کننده‌ترین سناریو این است که بیشتر بلوک‌های سازندهٔ زمین و تئا منشأ درونِ منظومهٔ خورشیدی داشته‌اند. زمین و تئا احتمالاً همسایگان بوده‌اند." اگر این گفته صحت داشته باشد، تصویر یک دیسکِ درونیِ شلوغ پدیدار میشود که در آن رویندهای سیارهای (امبریوها) در فاصله‌های نسبتاً کوتاه شکل می‌گرفتند و جابه‌جا می‌شدند تا این‌که در نهایت با یکدیگر برخورد کردند.
چنین برخورد «همسایه‌ای» مواد را به شکل متفاوتی مخلوط می‌کرد نسبت به اصابتِ یک جسمِ بیرونی از سامانهٔ خورشیدی که حاملِ امضای عرضیِ کربنی و ایزوتوپی متمایز بود. قیدهای ایزوتوپی جدید بنابراین مدلهای برخورد عظیم را پالایش میکنند و نشان می‌دهند که ترکیب تاثیرنده (impactor) در کلیت به موادِ منظومهٔ داخلی نزدیک بوده اما به اندازهٔ کافی متمایز بوده تا در نمونههای زمین–ماه ردپای قابل‌تشخیصی برجای بگذارد. این اطلاعات باعث میشود مدل‌سازانِ دینامیکِ برخوردها و مدلهای ترکیب شیمیایی اولیهٔ زمین، پارامترهای تازه‌ای را لحاظ کنند: سرعت و زاویهٔ برخورد، جرم نسبی تأثیرکننده و درجهٔ همگن‌سازیِ پس از برخورد، همگی متأثر از منشأ ترکیبیِ تئا خواهند بود.
پیامدهای کلان برای نظریهٔ تشکیل سیارات
این یافته‌ها به یک رویداد تاریخی محدود نمی‌شوند و پیامدهای وسیعی برای فهم کلی تشکیل سیارات دارند. آن‌ها از سناریویی حمایت میکنند که در آن دیسکِ پروتپلنتری اطراف خورشید دارای نوسانات ترکیبی موضعی بوده—می‌توان دیسک را مانند یک خمیر نیم‌مخلوط تصور کرد که جیب‌های مجاور، دستورپخت‌های کمی متفاوتی داشته‌اند. این ناهمگنی‌های شیمیایی سپس توسط پلانتسیمال‌ها و پروتوپلنت‌ها به ارث رسیده‌اند و در ترکیب سیاراتِ نهایی بازتاب یافته‌اند.
برای دانشمندان سیارهای، بازسازی دینامیک‌های دورانِ اولیهٔ منظومهٔ خورشیدی تنها به مدلسازی مدارها و برخوردها محدود نیست؛ بلکه نیازمند نقشه‌برداری ایزوتوپی دقیق هم هست. مطالعهٔ فعلی همچنین اعتماد به طبقه‌بندی‌های شهاب‌سنگی را بهعنوان نشانگرهای مکانیِ محلِ شکلگیری مواد در دیسک تقویت میکند. ترکیبِ داده‌های ایزوتوپی با مدل‌هایِ عددیِ فرایندهای دینامیکی به پژوهشگران امکان میدهد تا سناریوهای دقیق‌تری از انتقال جرم، توزیع فرّارها و تاریخچهٔ همگن‌سازی در دیسک ارائه دهند.
علاوه بر این، نتایج پیامدهایی برای چندین مسئلهٔ باز در سیاره‌شناسی دارد: چگونگی انتقال آب و فرّارها به سیارات زمینی، زمان‌بندی و مکان برپا شدن هسته‌زایی (core formation) و نیز نقش برخوردهای بزرگ در ایجاد شرایط زیست‌پذیر. بهعنوان نمونه، اگر تئا از ناحیهٔ داخلی آمده باشد، احتمالاً مقدار کمتری از مواد فرّارِ بیرونی—مانند آب و ترکیبات آلی—با خود آورده است که این نکته در مدلهای پیدایش اقیانوس‌ها و اتمسفرهای اولیهٔ زمین اهمیت دارد.
دیدگاهِ کارشناسی
"ایزوتوپها فسیل‌های تشکیل سیارات هستند،" می‌گوید دکتر لی‌نا کورِتز، یک دانشمند سیارهای که در این مطالعه دخیل نبوده است. "این کار دید ما را از دیسکِ درونی پالایش میکند و نشان میدهد که چگونه شیمی محلی می‌تواند هویت یک سیاره را حتی میان همسایگان نزدیک تحت تأثیر قرار دهد. نتیجه پژوهش، مدل‌سازان را به لحاظِ کردن ساختارهای شیمیاییِ کوچک‌مقیاس در شبیهسازی برخوردهای دورانِ اولیهٔ منظومهٔ خورشیدی تحت فشار می‌گذارد."
فراتر از پیامدهای آکادمیک، تحقیقات تصویرگر یکی از تعیین‌کننده‌ترین رویدادهای تاریخ زمین هستند: برخوردی که ماه را تولید کرد. امروز ماه با نرخ حدود ۳.۸ سانتی‌متر در سال بهطور آهسته از زمین فاصله می‌گیرد—طیفی از برخورد خشونت‌آمیز و کهن که شرایط محیطی لازم برای پدید آمدن و پایداری حیات روی زمین را شکل داد. داده‌های ایزوتوپی جدید به ما امکان می‌دهند نه‌فقط یک سناریوی کلی، بلکه جزئیاتی از منشأِ اجزای شرکت‌کننده در آن برخورد را بازیابی کنیم.
این مطالعه در نشریهٔ Science منتشر شده و با استفاده از کوچک‌ترین سرنخ‌های شیمیایی، دقت را به روایت دیرپای منشأ زمین افزوده است تا به یک پرسش بسیار بزرگ پاسخ دهد: تئا از کجا آمده بود؟ نتایجِ این پژوهش چارچوبی دقیقتر برای مدل‌سازیِ برخورد عظیم فراهم می‌آورد و راه را برای مطالعات آیندهٔ ایزوتوپیِ نمونههای زمین، ماه و شهابسنگها باز میکند. پژوهش‌های بعدی میتوانند دامنهٔ مقایسه را با نمونه‌هایی از ماهِ گرفته‌شدهٔ دقیقتر، نمایش‌های بیشتری از کندریتهای کربنی و غیرکربنی و تحلیل ایزوتوپی عناصر رادیوژنتیکی (مانند مولیبدن و تنگستن) گسترش دهند تا تاریخچهٔ زمانی و مکانیِ تشکیل و سردسازیِ آن رویداد بزرگ بهتر روشن شود.
در مجموع، ترکیب روش‌های تجربیِ پیشرفتهٔ طیف‌سنجی جرمی، طبقه‌بندی شهاب‌سنگی و شبیه‌سازی‌های دینامیکی یک دیدِ یکپارچه فراهم میکند که نه‌تنها برای درک برخورد زمین–تئا مهم است، بلکه برای فهمِ چگونگی پیدایش سیارات سنگی در دیگر منظومه‌های خورشیدیِ بالقوه نیز راهنما خواهد بود. این نوع مطالعات ایزوتوپی، که مرزهای دقت را جلو می‌برند، نقش اساسی در پاسخ‌گویی به پرسش‌های بنیادیِ کیهان‌زادی‌شناسی (cosmochemistry) و سیاره‌شناسی خواهند داشت.
منبع: sciencealert
نظرات
نووا_ک
خب جالبِ ولی بنظر میاد کمی نتیجه‌گیری عجولانه باشه، باید نمونههای ماه و کندریتهای بیشتری بررسی کنن 🤔
کوهسفر
تصویرِ دیسک مثل خمیر نیم‌مخلوط خیلی خوب بود، واقعاً نمیدونستم ایزوتوپها اینقدر گویا باشن، دیدِ تازه‌ای داد بهم
مهدی
معقوله؛ جابه‌جایی‌های دیسک درونی منطقیه. اما جزییات شبیهسازی و پارامترها مهم‌ترند، هنوز جا برای شک هست.
لابکور
آیا واقعا میشه ایزوتوپها رو تا این حد تفسیر کرد؟ به نظرم جذابه اما شاید کمی اغراق داشته باشه، باید نمونه بیشتر دید
ارسال نظر