به گزارش ثریا - چگونه سیاره زمین در میان این همه سرمای بی‌جان، مهمان‌نواز و حیات‌بخش شد؟ پاسخ این سوال، پیچیده و چندوجهی است و بخشی از پاسخ آن از «شیمی کیهانی»(Cosmochemistry) می‌آید.

«شیمی کیهانی» به مطالعه علمی منشاء، توزیع و فراوانی عناصر و ترکیبات شیمیایی در کیهان می‌پردازد.

به نقل از ساینس‌آلرت، منظومه شمسی مکانی شلوغ است که همه چیز در آن در حرکت است. این منظومه ۴/۵ میلیارد سال پیش، زمانی که سیارات هنوز در حال شکل‌گیری بودند و اجرام سیاره‌ساز و سیاره‌های متولد شده با سرعت در اطراف حرکت می‌کردند و به یکدیگر برخورد می‌کردند، حتی آشفته‌تر بود. سیاره زمین در تمام آن آشوب به نحوی، سهم بیشتری از «کندریت‌های کربن‌دار»(carbonaceous chondrites) و اسیدهای آمینه و سایر مواد شیمیایی تسهیل کننده حیات را که با آنها همراه بود، دریافت کرد.

«کندریت کربن‌دار» به دسته‌ای از شهاب‌سنگ‌ها گفته می‌شود که حاوی ترکیبات کربنی و آبدار هستند. این شهاب‌سنگ‌ها از اولین مواد تشکیل‌دهنده منظومه شمسی هستند و اطلاعات مهمی در مورد شکل‌گیری سیارات و حیات در اختیار دانشمندان قرار می‌دهند.

مطالعات «شیمی کیهانی» نشان داده‌اند که بین ۵ تا ۱۰ درصد از جرم زمین از «کندریت‌های کربن‌دار» که به سیاره جوان ما برخورد کرده‌اند، حاصل شده است. مطالعات همچنین نشان می‌دهند که بخش بزرگی از این مقدار از «تاثیر تیا»(Theia impactor) که ماه را ایجاد کرد، نشأت گرفته است.

سه دانشمند برای آزمایش دقیق‌تر این ایده‌ها، از شبیه‌سازی‌های پویای تشکیل منظومه شمسی استفاده کردند تا ببینند آیا می‌توانند آن را بازسازی کنند یا خیر. «دوارته برانکو»(Duarte Branco) نویسنده ارشد این مطالعه از موسسه اخترفیزیک و علوم فضایی در «رصدخانه نجومی لیسبون»(Lisbon) در پرتغال، یکی از این سه دانشمند است.

«تاثیر تیا» یک نظریه است که طبق آن یک سیاره به اندازه مریخ موسوم به «تیا»، حدود ۴/۵ میلیارد سال پیش به زمین جوان برخورد کرده و مواد حاصل از این برخورد، در نهایت منجر به شکل‌گیری ماه شده‌اند.

یکی از تمایزهای حیاتی در «شیمی‌کیهانی»، تفاوت بین شهاب‌سنگ‌های کربن‌دار و غیر کربنی است. این موضوع، جمعیت شهاب‌سنگ‌های منظومه شمسی را به دو گروه تقسیم می‌کند و نشان می‌دهد که منظومه شمسی حاوی دو مخزن متمایز از مواد است. شهاب‌سنگ‌های کربن‌دار در فاصله دورتری از خورشید، احتمالاً فراتر از مشتری تشکیل شده‌اند و مواد فرّار بیشتری مانند آب و ترکیبات آلی را با خود حمل می‌کنند. شهاب‌سنگ‌های غیر کربنی شامل مواردی مانند شهاب‌سنگ‌های آهنی هستند و مواد فرّار کمتری دارند.

دانشمندان برای آزمایش این ایده که «تاثیر تیا»، شهاب‌سنگ‌های کربن‌دار و مواد فرّار را به زمین تحویل داده است، شبیه‌سازی‌های دقیقی از منظومه شمسی را اجرا کردند. این شبیه‌سازی‌ها از نوع «N-body» بودند و مراحل پایانی رشد سیارات زمینی را بررسی می‌کردند. شبیه‌سازی‌ها در مراحل پایانی رشد سیاره‌ای، پس از پراکنده شدن قرص(دیسک) گازی منظومه شمسی آغاز شد. جرم جامد موجود به اجرام سیاره‌ساز و سیاره‌های متولد شده تقسیم شد.

شبیه‌سازی‌های «N-body» به روشی برای مدل‌سازی پویای سامانه‌هایی با تعداد زیادی جرم در فیزیک و اخترشناسی گفته می‌شود. در این شبیه‌سازی‌ها، حرکت هر جرم تحت تأثیر نیروهای گرانشی از سوی سایر اجرام در سامانه محاسبه می‌شود و به عبارت دیگر، این شبیه‌سازی‌ها نحوه حرکت ذرات را در یک محیط گرانشی محاسبه می‌کنند. 

شبیه‌سازی‌ها شامل شهاب‌سنگ‌های کربن‌دار بود که با رشد و تجمع ماده توسط مشتری و زحل، به سمت داخل پراکنده شده بودند. به دلیل تفاوت اندازه بین اجرام سیاره‌ساز و سیاره‌های تازه متولد شده، سیارات متولد شده احتمال تعامل بیشتری با سیارات زمینی و تحویل مواد کربن‌دار دارند. دانشمندان سه نوع شبیه‌سازی را اجرا کردند که شامل اجرام کوچک شهاب‌سنگ‌های کربن‌دار یا اجرام سیاره‌ساز و اجرام بزرگ شهاب‌سنگ‌های کربن‌دار یا سیاره‌های متولد شده بود. سومین شبیه‌سازی، هر دو اجرام و شهاب‌سنگ‌های کربن‌دار را شامل می‌شد. 

آنها برای زیرمجموعه‌ای از هر یک از این سناریوها، اثر ناپایداری پویای سیارات غول‌پیکر را در نظر گرفتند. این موضوع در اخترشناسی نحوه تغییر مدارهای سیارات غول‌پیکر از محل اولیه تشکیل آنها را توصیف می‌کند. هدف آنها این بود که توزیع اجرام کربن‌دار و غیر کربنی در منظومه شمسی تعیین شود و درک شود که چرا زمین اجرام کربن‌دار بیشتری نسبت به سایر سیارات سنگی مانند مریخ دریافت کرده است. دانشمندان همچنین می‌خواستند بفهمند که آیا «تاثیر تیا» می‌تواند مسئول وجود مقدار زیادی از مواد کربن‌دار به زمین باشد.

یک نتیجه واضح این است که نقش ناپایداری سیارات غول‌پیکر، به ویژه تغییر مدار مشتری، تأثیر قابل توجهی بر تجمع مواد کربن‌دار در زمین داشته است. هنگامی که دانشمندان ناپایداری دینامیکی سیارات غول‌پیکر را در نظر گرفتند، اوضاع جالب‌تر شد. آنها می‌گویند: ناپایداری سیارات غول‌پیکر به طور چشمگیری تکامل سامانه را تغییر داد و باعث ایجاد یک پالس قوی از هیجان گریز از مرکز شد که منجر به موجی از برخوردها و خروج‌ها شد.

با این حال، وضعیت نهایی سامانه تغییر چندانی نکرد. بخش مهمی از شبیه‌سازی‌ها مربوط به «تاثیر تیا» است. مطالعات قبلی نشان می‌دهد که «تیا» ممکن است یک جرم کربنی بوده باشد. اگر این درست باشد، بخش بزرگی از قابلیت زیست‌پذیری زمین می‌تواند ناشی از آن برخورد باشد. در مجموع، شبیه‌سازی‌ها تصویری از منظومه شمسی اولیه را ترسیم می‌کنند که در آن دو حلقه متمایز از سیارک‌ها که شامل یک حلقه داخلی سیارک‌های سنگی و یک حلقه بیرونی از «کندریت‌های کربن‌دار» وجود داشته است. آنها با گذر زمان، با مهاجرت غول‌های یخی به سمت داخل، مواد کربن‌دار را به داخل منظومه شمسی هل دادند. برخی از آنها در کمربند سیارک‌ها گرفتار شدند، در حالی که اجرام بزرگتر به طور ترجیحی به مدارهای سیارات سنگی پراکنده شدند. 

این سناریو چندین مورد را درباره منظومه شمسی شامل جرم و مدار سیارات زمینی و توزیع مداری سیارک‌ها را توضیح می‌دهد و همچنین با کسر جرمی کربن‌دار زمین و مریخ مطابقت دارد. پژوهشگران قصد داشتند نشان دهند که مطابق با سایر مطالعات، «تاثیر تیا» می‌توانسته آخرین برخورنده بزرگ زمین باشد و حاوی مقدار زیادی ماده کربن‌دار بوده است و به نظر می‌رسد آنها موفق شده‌اند. در شبیه‌سازی‌ها، آخرین برخورد غول‌پیکر زمین با «تیا» بوده است و آن جرم، غلظت بیشتری از مواد کربن‌دار داشته است که به شکل‌گیری حیات در زمین کمک کرده است.

این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که آخرین برخورد بین ۵ تا ۱۵۰ میلیون سال پس از پراکنده شدن قرص گاز رخ داده است. بخش بزرگی از این اتفاقات در طول ۲۰ تا ۷۰ میلیون سال رخ داده است. عدم قطعیت‌هایی در زمان‌بندی «تاثیر تیا» وجود دارد و این نتایج در چارچوب آن کار می‌کنند. نویسندگان می‌گویند: در چارچوب این سناریو، آخرین برخورنده غول‌پیکر زمین در حدود نیمی از تمام شبیه‌سازی‌های ترکیبی حاوی مؤلفه کربن‌دار بوده است.

این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که مشتری نقش مهمی در ساختار منظومه شمسی ایفا کرده است. این سیاره نه تنها کمربند سیارک‌ها را محدود می‌کند، بلکه با پراکنده کردن مواد کربن‌دار از منظومه شمسی بیرونی به مسیر سیارات سنگی به ویژه زمین، نقش مهمی در تعیین ترکیب نهایی سیارات زمینی ایفا کرده است. برای اینکه زمین به دنیای حیات‌بخش امروزی خود تبدیل شود، میلیون‌ها عامل باید به درستی پیش می‌رفت. اینکه چقدر احتمال دارد دنیاهای دیگری شبیه به آن وجود داشته باشند، ناشناخته است.

این مطالعه در مجله Icarus منتشر خواهد شد.

منبع : سیاره زمین