چه چیزی آب را به زمین آورد؟

تکامل آب زمین

منشأ اسرارآمیز آب در زمین ذهن چند نسل از دانشمندان را به بازی گرفته است. دانستن اینکه این مایع – سنگ‌بنای شکلی از حیات که می‌شناسیم – چگونه به سیاره ما راه یافته مفاهیم ضمنی گسترده و بنیادینی در پی خواهد داشت، به‌ویژه در مورد امکان وجود زیست‌کره بیگانه نه‌تنها در جای دیگری از منظومه شمسی بلکه در دنیاهایی که به دور سایر ستاره‌ها می‌چرخند. اما تا اینجای کار معلوم شده پی بردن به اینکه آب چگونه به زمین رسیده به طرز شگفت‌انگیزی دشوار است.
پس از آنکه خورشید از دل ابری از غبار و گاز به وجود آمد، مواد باقی‌مانده موسوم به «دیسک پیش‌سیاره‌ای» احتمالا سرشار از هیدروژن و اکسیژن، مواد خام سازنده آب، بوده است. اما کاملا معقول است که فرض کنیم تابش‌های شدید ستاره نوزاد بیشتر موجودی آن گازهای فرار در دیسک پیش‌سیاره‌ای را از نواحی داخلی منظومه شمسی بیرون کرد و آنچه بجا ماند ماده غالبا خشکی بود که سیاره‌های سنگی داخلی منظومه شمسی (عطارد، زهره، زمین و مریخ) از آن به وجود آمدند. بنابراین عمده رطوبت زمین باید بعدا و به طریق دیگری به این سیاره آمده باشد.

برای چند دهه دانشمندان دنباله‌دارهای یخی نواحی بیرونی منظومه شمسی را محتمل‌ترین مظنون ماجرا می‌دانستند تا اینکه رصدهای دقیق‌تر نشان داد در ترکیب بیشتر این دنباله‌دارها آنقدر آب وجود ندارد که با اقیانوس‌های زمین برابری کند. سپس اجماع عمومی به این سمت تغییر یافت که سیارک‌ها منبع آب دریاهای زمین هستند. در واقع این اجرام حاوی مقادیر قابل‌توجهی آب هستند و در جایی قرار دارند که به راحتی می‌توانستند بر زمین جوان نازل شوند. با این حال، پژوهشی که به تازگی درباره دنباله‌داری موسوم به «ویرتانن» (۶۴P/Wirtanen) انجام شده است حکایت از آن دارد که بیشتر آب زمین احتمالا توسط دنباله‌دارها به این سیاره آمده است. البته پژوهش جدید به این نکته نیز اشاره می‌کند که سیارک‌ها نیز احتمالا نقش مهمی در این ماجرا داشتند.

گروهی از پژوهشگران با استفاده از «رصدخانه استراتوسفری اخترشناسی فروسرخ» ناسا که در واقع یک هواپیمای بوئینگ پهن‌پیکر مجهز به تلسکوپ است که می‌تواند بر فراز اتمسفر زمین پرواز کند، نسبت آب سنگین، یا دوتریوم، به آب معمولی را در دنباله‌دار ویرتانن اندازه‌گیری کردند. هسته هیدروژن آب معمولی حاوی یک نوترون تنهاست اما در هسته هیدروژن آب سنگین علاوه بر نوترون یک پروتون هم وجود دارد. این تفاوت ظاهرا نه‌چندان مهم باعث می‌شود وزن آب سنگین دوبرابر آب معمولی باشد و مهم‌تر از این، آب سنگین بسیار کند‌تر از آب معمولی تبخیر شود. این یعنی می‌توان انتظار داشت نسبت دوتریوم به هیدروژن (D/H) در هر جرمی بسته به اینکه در چه فاصله‌ای از خورشید جوان شکل گرفته متفاوت باشد. در واقع از این نسبت می‌توان به عنوان اثرانگشتی برای پی بردن به منشأ آب استفاده کرد. به این ترتیب اگر دنباله‌دار یا سیارکی را پیدا کنیم که نسبت D/H در آن مشابه آب دریاهای زمین باشد احتمالا تکه‌ای از اقیانوس‌های زمین را یافته‌ایم که هنوز به زمین تحویل داده نشده است. همچنین به دست آوردن نسبت D/H برای چند جرم می‌تواند منجر به کشف الگوهایی شود که پرده از چگونگی کوچ آب در منظومه شمسی اولیه بر‌می‌دارد. از میان چند دنباله‌داری که نسبت D/H در آنها اندازه‌گیری شد، دنباله‌دار ویرتانن سومین موردی بود که شرایطی شبیه به زمین داشت. به گفته کارن میک (K.Meech)، دانشمند علوم دنباله‌دارها در موسسه اخترشناسی دانشگاه هاوایی، «فوق‌العاده است که آنها توانستند نسبت D/H مشابه دیگری را به دست آورند.»

سه دنباله‌دار کافی نیست

با اینکه به کمک اندازه‌گیری نسبت D/H می‌توان منشأ آب را در دیسک پیش‌سیاره‌ای جوان رهگیری کرد اما در ادامه معلوم شد اجرای این ایده جذاب به هیچ وجه ساده نیست. برخی مدل‌ها نشان می‌دهند که با دور شدن از خورشید فراوانی دوتریوم به صورت خطی افزایش می‌یابد؛ مدل‌هایی هم وجود دارند که نشان می‌دهند تحت شرایط مشابه این فراوانی کاهش می‌یابد. برخی از مدل‌هایی که برای همانند‌سازی ترکیب متلاطم و آشوب‌ناک ماده در منظومه شمسی اولیه ساخته شدند پیش‌بینی می‌کنند که فراوانی دوتریوم در نقاط مختلف بی‌هیچ دلیل قابل‌درکی به شدت تغییر می‌کند. رصدها نیز در واقع نشان داده‌اند که دنباله‌دارها – حتا آنهایی که ظاهرا در همسایگی نزدیک یکدیگر شکل گرفته‌اند – می‌توانند نسبت‌های D/H بسیار متفاوتی داشته باشند. به گفته داریوش لیس (D.Lis)، اخترفیزیک‌دان موسسه فناوری کالیفرنیا و سرپرست گروه در پژوهش اخیر، «تا پیش از این، اندازه‌گیری‌هایی داشتیم که به نوعی تصادفی به نظر می‌رسیدند.» اما دنباله‌دار ویرتانن پرده از رابطه جدید شگفت‌انگیزی برداشت که باعث شد دست‌کم برخی از اندازه‌گیری‌های قبلی، کمتر تصادفی به نظر برسند. دو دنباله‌دار دیگری که مثل ویرتانن نسبت D/H در آنها مشابه اقیانوس‌های زمین است نیز اجرام «بیش‌فعال» هستند به این معنی که میزان فوران آب آنها از چیزی که صرفا بر اساس مساحت سطح‌شان پیش‌بینی می‌شود بسیار بیشتر است. به گفته لیس «اکنون برای نخستین بار، می‌توانیم میان نسبت D/H و فعالیت دنباله‌دارها یک همبستگی مشاهده کنیم.»

این نتایج می‌تواند مفاهیم ضمنی جالبی برای تمام دنباله‌دارها داشته باشد. فعالیت اضافی در دنباله‌دارهای بیش‌فعال در واقع ناشی از آبی است که از درون آنها بالا می‌آید. اگر آنطور که لیس و همکارانش می‌گویند، آب موجود در هسته دنباله‌دارهای بیش‌فعال به لحاظ نسبت D/H شباهت بشتری به آب‌های زمینی داشته باشد این احتمال وجود دارد که آب‌های مشابه آب زمین در اعماق درون سایر دنباله‌دارهایی که بیش‌فعال نیستند نیز وجود داشته باشد. به بیان دیگر اگر این فرض درست باشد دوباره دنباله‌دارها به مظنونین اصلی منبع آب اولیه در زمین تبدیل خواهند شد.

شان ریموند (S.Raymond)، پژوهشگر آزمایشگان اخترفیزیک بوردو در فرانسه که متخصص مدل‌سازی تکامل منظومه شمسی اولیه است، معتقد است این ایده که تمام دنباله‌دارها در هسته‌شان آبی مشابه آب زمین حمل می‌کنند «ایده بسیار بحث‌برانگیزی است». با این حال به گفته او «این ایده ارزش آزمودن را دارد.» آزمایش‌های دقیق‌تر در آزمایشگاه می‌تواند نشان دهد که آیا دنباله‌داری که آب شبیه به آب زمین را در خود پنهان کرده است می‌تواند نسبت D/H متفاوتی تولید کند یا نه. به باور جویت با استفاده از نتایج چنین آزمایش‌هایی می‌توان به بینش‌هایی درباره آب در منظومه شمسی اولیه دست یافت اما آنچه تاکنون انجام شده کافی نیست.

در حال حاضر اندازه‌گیری نسبت D/H تنها در مورد ۳ دنباله‌دار بیش‌فعال و چند دنباله‌دار معمولی انجام شده است و بر اساس این داده‌های محدود نمی‌توان ارتباط قطعی و قابل اطمینانی میان این دو برقرار کرد. اساسا، مهم‌ترین شیوه برای آزمودن اینکه آیا هسته تمام دنباله‌دارها حاوی آب مشابه آب زمین است یا نه، این است که تعداد بسیار بیشتری از آنها را بررسی کنیم. ادوین برگین (E.Bergin)، پژوهشگر دانشگاه میشیگان، که متخصص شکار آب در دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای پیرامون سایر ستاره‌هاست می‌گوید «باید سراغ دنباله‌دارهای بیشتری برویم و ببینیم این پیش‌بینی صدق می‌کند یا نه.»

با بهبود فناوری در سال‌های آینده راحت‌تر می‌توانیم نسبت D/H دنباله‌دارها را از زمین اندازه‌گیری کنیم و ماموریت‌های فضایی آینده نیز می‌توانند مشاهدات دقیق‌تر و مفصل‌تری را رقم بزنند. به گفته لیس «طی ۲۵ سال گذشته توانسته‌ایم کمی بیش از یک دوجین دنباله‌دار را بررسی کنیم که این برای یک بررسی آماری به هیچ‌وجه کافی نیست.»

نتایج پژوهش لیس و همکارانش که در شماره آینده ژورنال اخترشناسی و اخترفیزیک منتشر خواهد شد، علاوه بر اینکه دوباره پای دنباله‌دارها را به پرونده منشأ آب زمین باز می‌کند می‌تواند سرنخ‌های جالبی از شرایط اولیه‌ای به دست دهد که منجر به شکل‌گیری حیات شد. به گفته ماریا وومک (M.Womack)، پژوهشگر متخصص دنباله‌دار در دانشگاه فلوریدای جنوبی، «اگر بدانید که زمین در دوران آغازین شکل‌گیری‌اش تحت بارش دنباله‌دارها بوده است می‌توان به این مساله پی برد که در نخستین مراحل شکل‌گیری حیات در زمین چه موادی در دسترس بوده‌اند.»

دنباله‌دارهای بیش‌فعال و قطره آبی به قطر ۶۰۰ کیلومتر

وقتی دنباله‌دارها به خورشید نزدیک می‌شوند، سطح یخی آنها گرم می‌شود و این یخ طی فرایندی موسوم به تصعید به یکباره از حالت جامد به حالت گاز درمی‌آید. البته دنباله‌دارهای بیش‌فعالی مانند دنباله‌دار ۶۴P موسوم به «ویرتانن» کاری بیش از این انجام می‌دهند. در این دنباله‌دارهای بیش‌فعال، تکه‌های بزرگی از یخ به طریقی به درون پوشش ابرمانند اطراف هسته دنباله‌دار موسوم به «گیسو» (Coma) فوران می‌کنند. این تکه‌های غلتان یخ به شکل جامد باقی می‌مانند و به جای تصعید در سطح دنباله‌دار عملا داخل گیسوی دنباله‌دار تصعید می‌شوند که باعث می‌شود دنباله‌دار «بیش‌فعال» به نظر برسد.

در واقع همین تکه‌های یخ جامد هستند که می‌توانند شباهت آب درون دنباله‌دارهایی مانند ویرتانن به آب‌های زمین را توضیح دهند. حتا اگر مواد سطحی یک دنباله‌دار تحت تابش و گرمای خورشید تغییر یابد، هسته درونی آن می‌تواند برای اعصار متمادی تقریبا دست‌نخورده باقی بماند. در سطح دنباله‌دار تابش و گرمای خورشید می‌تواند مقداری از آب معمولی که سریع‌تر تبخیر می‌شود را از بین ببرد و در نتیجه «نسبت آب سنگین به آب معمولی» (D/H) را تغییر دهد. اما در اعماق هسته دنباله‌دار، این نسبت می‌تواند دقیقا مطابق با همان چیزی باشد که میلیاردها سال پیش در خلال شکل‌گیری منظومه شمسی به وجود آمد. فشارهای ناشی از حرارت در دنباله‌دار باعث انتشار گازهای فراری مانند دی‌اکسید کربن یا منواکسید کربن می‌شود که در عمق هسته دنباله‌دار محبوس هستند. این گازهای فرار داغ موقع بالا آمدن می‌توانند مواد داخلی را نیز همراه خودشان از هسته به سطح دنباله‌دار بیاورند، جایی که این مواد در گیسوی دنباله‌دار از طریق فرایند تصعید به گاز تبدیل می‌شوند و اثرانگشتی به جا می‌گذارند که شباهت بسیار زیادی به اثر انگشت آب در زمین دارد. لیس و همکارانش می‌گویند اگر ماجرا از این قرار باشد به این معنی خواهد بود که در هسته تمام دنباله‌دارها می‌توان آبی را پیدا کرد که نسبت D/H آن مشابه آب‌های زمین است.

در سال ۲۰۰۵، ماموریت Deep Impact ناسا در دنباله‌داری موسوم به Tempel ۱ یک دهانه برخوردی مصنوعی حفر کرد. کارن میک (K.Meech) که یکی از پژوهشگران این ماموریت بود می‌گوید آن آزمایش نشان داد مواد تازه تنها چند سانتی‌متر زیر سطح دنباله‌دار بودند نه در اعماق هسته آن. بنابراین موادی که از اعماق هسته دنباله‌دار بالا می‌آیند باید مشابه همان موادی باشند که از عمق چند سانتی‌متری سطح آن تصعید می‌شود. سایر ماموریت‌هایی که هدف‌شان دنباله‌دارها بودند نیز همین یافته را تایید می‌کنند. به گفته میک «بر اساس آنچه تاکنون در ماموریت‌های Deep Impact‌، EPOXI و همچنین Rosetta دیده شده، دلیلی وجود ندارد که آنچه از یک دنباله‌دار بیش‌فعال فوران می‌کند کم‌وبیش باستانی‌تر از چیزی باشد که از سایر دنباله‌دارها فوران می‌کند.»

برخی پژوهشگران مانند دیوید جویت (D.Jewiit) از دانشگاه کالیفرنیا، بیشتر به این جنبه از مساله توجه دارند که اجرام حاوی آب اساسا چگونه به زمین رسیدند. در واقع علاوه بر شباهت نسبت D/H، مساله دیگری که باید در نظر گرفت مباحث مکانیک سماوی (چگونگی حرکت اجرام درفضا) است. از حیث تحلیل مکانیک سماوی دلایل بسیار محکمی وجود دارد که سیارک‌ها باید منبع غالب آب در زمین باشند. سیارک‌ها حتا در مقایسه با نزدیک‌ترین دنباله‌دارهای مقیم نواحی بیرونی منظومه شمسی، بسیار راحت‌تر می‌توانند از کمربند سیارکی منظومه شمسی به سمت سیاره ما بیایند و با زمین برخورد کنند. علاوه بر این، پژوهش‌های متعددی نشان داده‌اند بسیاری از این سیارک‌ها حاوی آبی با اثر انگشت مشابه آب زمینی هستند که داخل مواد معدنی محبوس شده است و با توجه به اینکه برخورد سیارک‌ها با سیاره‌های داخلی منظومه شمسی نسبتا آسان‌تر است، سرراست‌تر است که تصور کنیم این اجرام بودند که به تعداد لازم برای پر کردن اقیانوس‌های زمین، سیاره ما را بمباران کرده‌اند، سناریویی که در مورد دنباله‌دارها به راحتی قابل تصور نیست. در واقع آنطور که جویت می‌گوید اگر تمام آب موجود در اقیانوس‌های زمین را یکجا جمع کنیم، حجمش معادل کره‌ای به قطر ۶۰۰ کیلومتر است. برای اینکه این حجم از آب توسط در حد و اندازه‌های دنباله‌دار ویرتانن تامین شده باشد باید چیزی حدود یک میلیارد دنباله‌دار با قطر یک کیلومتر به زمین اصابت کرده باشد.