خبر خوب و بد: جهان‌های اقیانوسی با جو غنی از هیدروژن واقعی نیستند، اما آب زمین هم پدیده‌ای غیرمعمول محسوب نمی‌شود

سیاره فراخورشیدی K2-18b یک زیر-نپتون است که حدود ۱۲۴ سال نوری از زمین فاصله دارد و برای نخستین بار در سال ۲۰۱۵ کشف شد. پژوهش‌های پیگیری پس از کشف اولیه نشان دادند که بخار آب در جو این سیاره وجود دارد، امری که موجب شد برخی دانشمندان آن را یک سیاره آبی یا همان سیاره‌های هایسین (جهان‌های اقیانوسی با جو غنی از هیدروژن) فرض کنند. سیاره‌های هایسین معمولاً جو ضخیم هیدروژنی و اقیانوس‌های عمیق جهانی یا نزدیک‌جهانی دارند. یا دست‌کم این همان چیزی بود که دانشمندان تصور می‌کردند.

در آوریل ۲۰۲۵، پژوهش‌های جدید بار دیگر توجه‌ها را به K2-18b جلب کردند. این سیاره که جرم آن حدود ۸.۶ برابر زمین است، ممکن است دارای اقیانوس عمیقی باشد و مواد شیمیایی کشف‌شده در جو آن ممکن است نشانه‌هایی از حیات باشند. پژوهشگران در این رابطه نوشتند: «امکان وجود جهان‌های هایسین، با اقیانوس‌های گسترده و جوهای غنی از H₂، به‌طور چشمگیری دامنه و سرعت جستجوی محیط‌های قابل سکونت در جهان‌های دیگر را گسترش می‌دهد.»

اما پژوهش‌های تازه نشان می‌دهد که نه تنها K2-18b به احتمال زیاد یک سیاره آبی نیست، بلکه محیطی هم برای ادامه حیات ندارد. این پژوهش با عنوان «زیر-نپتون‌ها خشک‌تر از آن چیزی هستند که به نظر می‌رسند: بازاندیشی در منشأ جهان‌های غنی از آب» در مجله The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است و نویسنده اصلی آن آرون ورلن از موسسه فیزیک ذرات و اخترفیزیک ETH زوریخ در سوئیس است.

نویسندگان در مقاله خود می‌نویسند: «ادعاهای اخیر درباره گازهای نشان‌دهنده حیات در جو زیر-نپتون‌ها باعث شده توجه‌ها به زیر-نپتون‌های غنی از آب با اقیانوس‌های سطحی، که اغلب به آن‌ها جهان‌های هایسین گفته می‌شود، دوباره جلب شود.»

دانشمندان تصور می‌کنند که این سیاره‌ها معمولاً فراتر از خط برف (snow line) در سامانه‌های خود شکل می‌گیرند و به همین دلیل مقادیر زیادی آب را جذب می‌کنند. آن‌ها می‌توانند تا حدود ۳۰ درصد جرم خود را به شکل آب یخ‌زده جمع کنند و سپس به سمت درون سامانه حرکت کنند. وقتی یخ ذوب می‌شود، جهان هایسین شکل می‌گیرد. پژوهشی در سال ۲۰۲۱ توسط مادهاسودان و همکاران ادعا کرده بود که جهان‌های هایسین می‌توانند تا ۹۰ درصد جرم خود را به آب اختصاص دهند.

اما کارولین دورن، همکار ورلن از ETH زوریخ می‌گوید: «محاسبات ما نشان می‌دهد این سناریو امکان‌پذیر نیست.» طبق محاسبات، هیچ سیاره‌ای در فاصله‌های دور با لایه‌های عظیم آب وجود ندارد که آب حدود ۵۰ درصد جرم آن را تشکیل دهد، همان‌طور که قبلاً تصور می‌شد.

پژوهشگران خاطرنشان کردند که مدل‌های فعلی جهان‌های هایسین، تعادل شیمیایی میان جو اولیه و هسته مذاب سیاره را نادیده می‌گیرند. در این پژوهش، آن‌ها یک جمعیت مصنوعی از زیر-نپتون‌ها با اقیانوس‌های ماگما ایجاد کردند و حالت تعادل انرژی آن‌ها را محاسبه کردند. ورلن توضیح می‌دهد: «اکنون تعاملات میان درون سیاره و جو آن را لحاظ کرده‌ایم.»

اگرچه بسیاری از این سیاره‌ها در ابتدا بین ۵ تا ۳۰ درصد جرم خود را به آب اختصاص می‌دهند، تعاملات میان جو و هسته مذاب بیشتر آب را از بین می‌برد و درصد جرم نهایی H₂O را به کمتر از ۱.۵ درصد کاهش می‌دهد. بنابراین هیچ‌یک از آن‌ها به معیارهای لازم برای یک جهان هایسین نمی‌رسند.

پژوهشگران فرض کردند که مانند بسیاری دیگر از سیاره‌ها، زیر-نپتون‌ها نیز یک مرحله اقیانوس ماگما را پشت سر می‌گذارند. اما در مورد آن‌ها، جو ضخیم هیدروژنی سیاره را عایق‌بندی می‌کند و مرحله ماگما برای میلیون‌ها سال طول می‌کشد. برای درک جهان‌های هایسین، لازم است بدانیم چگونه اقیانوس ماگما و جو هیدروژنی با هم تعامل داشتند.

ورلن توضیح می‌دهد:

«در مطالعه خود بررسی کردیم که تعاملات شیمیایی میان اقیانوس‌های ماگما و جو چگونه بر محتوای آب سیارات زیر-نپتون جوان تأثیر می‌گذارد.» در این پژوهش، ۲۴۸ سیاره مدل شده بررسی شدند و حالت‌های تعادل انرژی برای ۲۶ مولفه جداگانه محاسبه شد. نتایج نشان داد که اتم‌های هیدروژن و اکسیژن به ترکیبات فلزی در اقیانوس ماگما می‌چسبند و در هسته سیاره فرو می‌روند.

ورلن می‌گوید:

«تمرکز ما بر روندهای اصلی است و در شبیه‌سازی‌ها به وضوح دیده می‌شود که سیاره‌ها آب بسیار کمتری نسبت به مقدار اولیه دارند. آبی که در سطح باقی می‌ماند، در بهترین حالت تنها چند درصد است.» برای مقایسه، آب زمین حدود ۰.۰۲ درصد جرم آن است که سطح زمین را تقریباً ۷۰ درصد پوشانده است.

همین گروه پژوهشی پیش‌تر نشان داده بودند که بیشتر آب یک سیاره احتمالاً در درون آن مدفون است. در زمین، مقدار قابل توجهی آب در منطقه انتقال گوشته قرار دارد. اکنون شواهدی از کل میزان آب موجود در سیارات زیر-نپتون ارائه شده است.

دورن توضیح می‌دهد:

«بر اساس محاسبات، هیچ دنیای دوری با لایه‌های عظیم آب وجود ندارد که آب حدود ۵۰ درصد جرم سیاره را تشکیل دهد، همان‌طور که قبلاً تصور می‌شد. بنابراین جهان‌های هایسین با ۱۰ تا ۹۰ درصد آب بسیار بعید هستند.»

اگر این یافته‌ها درست باشند، تعداد جهان‌های بالقوه قابل سکونت به شدت کاهش می‌یابد. اما پیامد دیگر نیز دارد: آب زمین چیز خارق‌العاده‌ای نیست. دورن می‌گوید:

«زمین ممکن است به آن اندازه که تصور می‌کنیم، استثنایی نباشد. حداقل در مطالعه ما، به نظر می‌رسد یک سیاره معمولی است.»

این پژوهش و مدل‌های ارائه شده همچنین یک پارادوکس غیرمنتظره را آشکار کردند. بر خلاف انتظار، سیاراتی که فراتر از خط برف شکل می‌گیرند، آب کمتری دارند و سیاراتی که درون خط برف شکل می‌گیرند، به دلیل تعاملات میان جو و اقیانوس ماگما آب بیشتری دارند. در این موارد، آب از بلورهای یخ جمع‌شده فراتر از خط برف نیامده است، بلکه هیدروژن جو با اکسیژن موجود در سیلیکات‌های اقیانوس ماگما واکنش داده و H₂O تولید کرده است.

ورلن می‌گوید:

«این یافته‌ها پیوند کلاسیک میان شکل‌گیری غنی از یخ و جوهای پرآب را به چالش می‌کشند و در عوض نقش غالب تعادل شیمیایی میان اقیانوس ماگما و جو در شکل‌دهی ترکیب سیاره‌ای را برجسته می‌کنند.»

نویسندگان در پایان می‌نویسند:

«نتایج ما که بر جمعیت اولیه زیر-نپتون‌ها با اقیانوس‌های ماگما تمرکز دارد، نشان می‌دهد که سهم جرمی آب آن‌ها عمدتاً توسط جذب قطعات یخی در هنگام شکل‌گیری تعیین نمی‌شود، بلکه توسط تعادل شیمیایی میان جو اولیه و هسته مذاب مشخص می‌شود.»

در هیچ‌یک از سیارات مدل شده، فارغ از محتوای اولیه H₂O، پس از تعادل شیمیایی بیش از ۱.۵ درصد جرم آب باقی نماند. این مقدار فاصله زیادی با حداکثر ۹۰ درصدی است که پژوهش‌های قبلی ادعا کرده بودند.

پژوهشگران نتیجه‌گیری کردند:

«نتایج ما پیوند سنتی میان تجمع یخ و جوهای غنی از آب را به چالش می‌کشد و نشان می‌دهد که پوشش‌های غنی از H₂O از طریق تعادل شیمیایی در سیارات با هیدروژن کمتر شکل‌گرفته درون خط برف ایجاد می‌شوند.»