آزمایش‌های جدید نشان می‌دهد زمین اقیانوس‌هایش را خودش در زمان شکل‌گیری تولید کرده است

اقیانوس‌های زمین شاید به جای آنکه میلیاردها سال بعد توسط دنباله‌دارهای یخی به سیاره منتقل شده باشند، در دل جو سوزان خود زمین اولیه متولد شده‌اند. یک مطالعه آزمایشگاهی جدید نشان می‌دهد که عبور سنگ‌ریزه‌های خشک از میان پوشش هیدروژنی اولیه، می‌تواند به شکلی خودبه‌خود مقادیر عظیمی آب مایع پدید آورد.[1][6]

این یافته‌ها که در نشریه نیچر ژئوساینس (Nature Geoscience) منتشر شده، این فرض کهنه را به چالش می‌کشد که زمین در ابتدا کاملاً خشک متولد شد و تنها به یمن بمباران‌های متأخر توانست زیست‌پذیر شود. پژوهشگران دانشگاه نیومکزیکو نشان دادند این واکنش‌های شیمیایی در شرایط مناسب تنها ظرف چند دقیقه رخ می‌دهند.[1][6]

زاکاری شارپ، مدیر مرکز ایزوتوپ‌های پایدار در این دانشگاه می‌گوید: «دیدگاه‌های پیشین درباره منشأ آب زمین بر منابع خارجی مثل دنباله‌دارها یا شهاب‌سنگ‌ها تکیه داشتند. ما اکنون نشان دادیم که تقریباً هر سیاره‌ای هم‌اندازه زمین باید بتواند از طریق این سازوکار تازه‌شناخته‌شده به آب دست یابد.»[1][3]

بازسازی جو آغازین زمین

تیم پژوهشی بر مدل شکل‌گیری سیاره‌ای موسوم به «برافزایش سنگ‌ریزه» (pebble accretion) تمرکز کرد. در این سناریو، سیاره‌های سنگی اولیه با جذب ذرات خرد میلی‌متری تا سانتی‌متری از سحابی خورشیدی پیرامون به‌سرعت رشد می‌کنند، نه اینکه صرفاً متکی به برخورد ریزسیاره‌های بسیار بزرگ‌تر باشند.[1][6]

با رسیدن پیش‌سیاره به جرم کافی، گرانش آن جوی متراکم و پرفشار از گاز هیدروژن را به دام می‌اندازد. پژوهشگران این فرضیه را مطرح کردند که سنگ‌ریزه‌های سیلیکاتی غنی از آهن هنگام فرود در این پوشش داغ، پیش از برخورد با سطح سیاره، دچار یک واکنش احیای شیمیایی سریع می‌شوند.[1][6]

برای سنجش این سازوکار، سوسمیتا گارای، دانشجوی تحصیلات تکمیلی، سلسله شبیه‌سازی‌هایی با دمای بالا را در آزمایشگاه طراحی کرد. تیم تحقیق نمونه‌های سنگ سیلیکاتی بی‌آب را در دمای بین ۱۲۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سلسیوس حرارت دادند و آنها را در معرض جریان مدام گاز هیدروژن گذاشتند تا جو اولیه زمین بازسازی شود.[1][2]

نتایج فوری و شگفت‌انگیز بود. در بازه زمانی ۱۵ دقیقه تا سه ساعت، هیدروژن اکسیژن موجود در اکسید آهن سنگ‌ها را جدا کرد؛ آهن فلزی بر جا ماند و اکسیژن رهاشده به شکل بخار آب متصاعد شد.[1][2]

شارپ در این باره می‌گوید: «تلاش‌های گارای به ثمری چشمگیر رسید؛ او نشان داد در محیط پرحرارت جو اولیه زمین، آب تنها ظرف چند دقیقه پدید می‌آید.» آزمایش‌های شاهد با استفاده از گاز هلیوم هیچ واکنشی نشان ندادند و نقش حیاتی هیدروژن در این تحول شیمیایی قطعی شد.[1]

صدها اقیانوس از دل سنگ‌های خشک

بازده این دگرگونی شیمیایی پژوهشگران را غافلگیر کرد. در محیط غنی از هیدروژن، نزدیک به ۸۰ درصد اکسید آهن موجود در نمونه‌های سیلیکاتی به آهن فلزی تبدیل شد و مقداری متناسب بخار آب تولید کرد.[2][6]

تعمیم این نرخ تبدیل آزمایشگاهی به کل جرم سیاره‌ای در حال رشد، ظرفیتی حیرت‌آور را نشان می‌دهد. بر اساس محاسبات پژوهشگران، این فرآیند درون‌زاد می‌توانست آبی معادل صدها اقیانوس کنونی زمین را در دوران شکل‌گیری آن بسازد.[1][3]

شارپ افزود: «وقتی به پهنه وسیع آب نگاه می‌کنیم، باور اینکه این آب ممکن است ۴٫۵ میلیارد سال پیش در جوی جهنمی پدید آمده باشد دشوار است، اما واقعیت می‌تواند دقیقاً همین باشد.» حجم آب تولیدشده در این مدل‌سازی بسیار فراتر از پیش‌بینی‌های اولیه تیم بود.[1][3]

آهن فلزی پدیدآمده در این واکنش در مراحل بعدی ته‌نشین شد و هسته فلزی سیاره را ساخت. این سازوکار به زیبایی توضیح می‌دهد که چرا گوشته اولیه زمین از برخی عناصر شیمیایی تهی است و معمایی ژئوشیمیایی را حل می‌کند که دهه‌ها دانشمندان را به خود مشغول ساخته بود.[6]

تزلزل در نظریه انتقال آب با دنباله‌دارها

برای چند دهه، نظریه مسلط این بود که منظومه شمسی داخلی آن‌قدر داغ بوده که مولکول‌های فرار نمی‌توانستند حین برافزایش سیاره‌ای دوام بیاورند. بر اساس این نظریه، آب باید بعداً توسط یک «لایه متأخر» از برخورد دنباله‌دارها و شهاب‌سنگ‌های غنی از آب با سطح خنک‌شده زمین تأمین می‌شد.[1][3]

با این حال، تحلیل‌های ایزوتوپی متأخر فرضیه انتقال توسط دنباله‌دارها را زیر سؤال برده است. کاوشگرهایی که از دنباله‌دارهای مدرن بازدید کرده‌اند، نشان دادند آب آنها نسبت دوتریوم به هیدروژن بسیار بالاتری از آب اقیانوس‌های کنونی زمین دارد؛ امری که نشان‌دهنده یک منبع اصلی متفاوت است.[1]

تردیدها درباره نقش دنباله‌دارها تنها محدود به آب نیست. پژوهش‌های دیگری که این هفته منتشر شدند نشان می‌دهند دنباله‌دارها با سرعت و زاویه‌ای بسیار تند به زمین اولیه برخورد می‌کردند و بعید بود مولکول‌های آلی بتوانند از چنین ضربه‌ای جان سالم به در ببرند؛ این امر فرضیه نقش داشتن آنها در بذرپاشی حیات را کمرنگ‌تر می‌کند.[4][5]

گرچه شهاب‌سنگ‌های منظومه شمسی بیرونی احتمالاً سهمی در ترکیبات فرار زمین داشتند، یافته‌های جدید نشان می‌دهد آنها منبع اصلی نبوده‌اند. زمین به احتمال زیاد با ذخیره آب کافی متولد شد و اقیانوس‌های خود را هم‌زمان با شکل‌گیری از غبارهای خشک تولید کرد.[1][6]

پیامدهای مهم برای زیست‌پذیری سیارات فراخورشیدی

اگر سیاره‌های سنگی بتوانند حین پیدایش آب خود را سنتز کنند، پیامد این پدیده برای جست‌وجوی حیات فرازمینی بسیار ژرف خواهد بود. این سازوکار تنها به سنگ‌های سیلیکاتی متداول و یک پوشش هیدروژنی اولیه نیاز دارد؛ دو عنصری که در منظومه‌های ستاره‌ای جوان همه‌جا یافت می‌شوند.[1][3]

شارپ توضیح داد: «ایده برافزایش سنگ‌ریزه هنوز نسبتاً جدید است. اما به نظر می‌رسد بسیاری از گره‌های الگوی کنونی پیدایش سیاره‌ها را باز می‌کند و حالا می‌بینیم که چرایی زیست‌پذیری زمین را هم توضیح می‌دهد.»[1]

ستاره‌شناسانی که دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای دوردست را رصد می‌کنند، پیش از این نیز بخار آب را در اطراف ستاره‌های جوان یافته‌اند. داده‌های تجربی جدید مدلی فیزیکی و ملموس ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد این آب چگونه پیش از پراکنده شدن جو هیدروژنی اولیه، در دل جهان‌های سنگی تثبیت می‌شود.[6]

شارپ در پایان گفت: «به این ترتیب، کاملاً منطقی است انتظار داشته باشیم جهان‌های دیگر هم‌اندازه زمین که دور دیگر ستاره‌ها می‌گردند نیز دارای آب و احتمالاً حیات باشند.» نسل بعدی تلسکوپ‌های فضایی شاید به‌زودی نشان دهد آیا اقیانوس‌های بومی یک قاعده عمومی در کهکشان هستند یا خیر.[1][3]