آیا دنباله‌دارها می‌توانستند بلوک‌های ساختمانی زندگی را به «جهان‌های اقیانوسی» مانند اروپا، انسلادوس و تیتان تحویل دهند؟

این به ویژه در مورد عصر هادین (حدود ۴.۱ تا ۳.۸ میلیارد سال پیش) و بمباران سنگین اواخر، زمانی که زمین و سایر سیارات در درون منظومه شمسی توسط تعداد نامتناسب زیادی از سیارک ها و دنباله دارها تحت تاثیر قرار گرفتند، صادق است.

تصور می‌شود که این ضربه‌گیرها نحوه رساندن آب به درون منظومه شمسی و احتمالاً اجزای سازنده حیات بوده است. اما در مورد بسیاری از اجرام یخی در بیرونی منظومه شمسی، ماهواره‌های طبیعی که به دور غول‌های گازی می‌چرخند و اقیانوس‌های آب مایع در داخل خود دارند (یعنی اروپا، انسلادوس، تیتان و دیگران) چه می‌توان گفت؟ بر اساس مطالعه‌ای که اخیراً توسط محققان دانشگاه جان هاپکینز انجام شده است، رویدادهای ضربه‌ای بر این «جهان اقیانوس» می‌تواند به طور قابل‌توجهی به شیمی سطح و زیرسطح کمک کند که می‌تواند به پیدایش حیات منجر شود.

این تیم توسط شانون ام. مکنزی، دانشمند سیاره‌شناسی، و همکارانش در آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز (JHUAPL) رهبری می‌شد. محققانی از دانشکده مهندسی تایر دارتموث، دانشگاه انتاریوی غربی، دانشکده زمین و علوم سیاره‌ای دانشگاه کرتین، آزمایشگاه زیست‌پذیری سیاره‌ای (PHL) در UPR در آرسیبو، فناوری جاکوبز، آزمایشگاه رانش جت ناسا و مواد نجومی به آن‌ها پیوستند. علوم تحقیق و اکتشاف اخترمواد(ARES) در مرکز فضایی جانسون ناسا. مقاله ای که جزئیات یافته های آنها را نشان می دهد اخیراً در مجله علوم سیاره ای منتشر شده است.

برون زایی: مفهوم و اهمیت آن در فرایندهای رشد و توسعه

همانطور که در مقاله آنها نشان داده شده است، برخورد سیارک ها، دنباله دارها و شهاب های بزرگ بیشتر با ویرانی و رویدادهای سطح انقراض مرتبط است. با این حال، چندین خط شواهد نشان می دهد که همین نوع برخوردها ممکن است از ظهور حیات بر روی زمین تقریباً ۴ میلیارد سال پیش پشتیبانی کرده باشد. این رویدادها نه تنها مواد فرار (مانند آب، آمونیاک و متان) و مولکول‌های آلی را تحویل دادند، بلکه تحقیقات مدرن نشان می‌دهد که آنها بسترها و ترکیبات جدیدی را نیز ایجاد کردند که برای حیات ضروری است.

علاوه بر این، آنها محیط های مختلفی را ایجاد کردند که برای ظهور و تداوم حیات روی زمین ضروری بود. همانطور که نوشته اند:

تخمین زده شده است که موادی که به صورت برون زا تحویل داده می شوند، منبع مهمی از مواد آلی در زمین اولیه هستند. امواج شوک می توانند انرژی سنتز آلی پیش سازهای مهم مانند HCN یا اسیدهای آمینه را فراهم کنند. آهن و گرمای ناشی از ضربه‌گیرهای بسیار بزرگ می‌توانند شرایط جوی کاهش‌دهنده لازم برای تولید فراوان HCN را تسهیل کنند. ضربه‌ها شکسته می‌شوند و در رویدادهای معمولی زمینی، هدف را ذوب می‌کنند: بسترهای نفوذپذیرتر و حفاری لایه‌های سنگی عمیق‌تر، فعالیت هیدروترمال و زیستگاه‌های درون سنگی را افزایش می‌دهند.

بر اساس آخرین شواهد فسیل شده، اولین اشکال حیات تقریباً ۴.۲۸ میلیارد سال پیش روی زمین پدیدار شدند. این فسیل‌ها از رسوبات دریچه‌های گرمابی در کمربند گرین استون Nuvvuagittuq در شمال کبک، کانادا به دست آمدند، که تأیید می‌کند که فعالیت هیدروترمال نقش حیاتی در پیدایش حیات بر روی زمین بازی کرده است. اما در مورد بسیاری از «جهان‌های اقیانوسی» که در منظومه شمسی بیرونی زندگی می‌کنند، چطور؟ این شامل اجسامی مانند اروپا، گانیمد، انسلادوس و تیتان، و همچنین قمرهای اورانوس آریل و تیتانیا، قمر نپتون، تریتون، و اجرام فرا نپتونی مانند پلوتون، شارون، و احتمالاً بیشتر می‌شود.

جهان های اقیانوس

این اصطلاح به اجسامی اطلاق می شود که عمدتاً از عناصر فراری مانند آب تشکیل شده و بین پوسته یخی و هسته سنگی و فلزی تفاوت دارند. در مرز هسته و گوشته، خمش جزر و مدی (نتیجه برهم کنش گرانشی با جسم دیگر) باعث تجمع گرما و انرژی آزاد شده از طریق دریچه های گرمابی به داخل یخ می شود. این به این دنیاها اجازه می‌دهد تا اقیانوس‌هایی از آب مایع را در فضای داخلی خود حفظ کنند. به طور خلاصه، این دنیاها همه مواد لازم برای زندگی را دارند: آب، ترکیبات شیمیایی مورد نیاز و انرژی.

علاوه بر این، داده‌های مأموریت کاسینی-هویگنس ناسا/ESA تأیید کرد که توده‌هایی که به طور منظم از منطقه قطبی جنوبی انسلادوس فوران می‌کنند حاوی مولکول‌های آلی هستند. آخرین اما نه کم اهمیت، وجود دهانه های سطحی نشان می دهد که این اجسام در طول تاریخ خود برخوردهای سطحی را تجربه کرده اند. این سؤال به طور طبیعی مطرح می‌شود: آیا ضربه‌ها می‌توانستند بلوک‌های سازنده حیات لازم را به «جهان‌های اقیانوسی» تحویل دهند، همان‌طور که آنها را به منظومه شمسی داخلی رساندند؟ و اگر چنین است، چه معنایی در مورد قابلیت سکونت امروزی آنها دارد؟ همانطور که تیم در مقاله خود نوشت:

فرآیندهای ضربه احتمالاً بخش مهمی از پاسخ به این سؤالات هستند، زیرا تأثیرات می تواند باعث تبادل از طریق پوسته یخی شود – چه از طریق کاشت مستقیم یا شستشو از طریق پوسته – و بنابراین باعث هجوم اپیزودیک مواد آلی و معدنی از سطح و/ یا از خود ضربه گیر. ضربه‌ها همچنین می‌توانند کیهان‌های کوچک زودگذر را ایجاد کنند: هر آب مایعی که در حین ضربه ذوب شود، در بازه‌های زمانی متناسب با انرژی ضربه منجمد می‌شود.

پتانسیل هیجان‌انگیز برای شیمی در این پاکت‌ها، از تغلیظ نمک‌ها گرفته تا تولید آمینو اسیدها، مشخص شده است. علاوه بر این، شیمی شوک‌محور مواد هدف یخی و گاهی غنی از آلی (به ویژه در مورد تیتان) ممکن است ترکیبات «دانه‌ای» جدیدی (مانند اسیدهای آمینه یا نوکلئوتیدها) در حوضچه مذاب ایجاد کند.

اهمیت و روش‌های موثر تحقیق در دنیای امروز

اولین قدم برای مک‌کنزی و تیمش بررسی سطوح شوک اولیه ایجاد شده توسط متداول‌ترین ضربه‌ها برای جهان‌های اقیانوس بود – دنباله‌دارهایی که احتمالاً از کمربند کویپر و ابر اورت سرچشمه می‌گیرند. برای انجام این کار، تیم سرعت و حداکثر فشاری را که با برخورد اجسام یخی و سنگی به دست می‌آمد محاسبه کردند. آنها همچنین در نظر گرفتند که چگونه این بر اساس خانواده‌های مختلف (تأثیر اولیه یا ثانویه) و سیستم‌هایی که درگیر هستند – یعنی مشتری یا زحل – متفاوت است. در حالی که برخوردهای اولیه شامل دنباله‌دارها یا سیارک‌ها می‌شود، برخوردهای ثانویه ناشی از پرتابی است که ایجاد می‌کنند.

در مورد منظومه‌های مشتری و زحل، ضربه‌گیرهای ثانویه ممکن است بسته به جایی که منشا گرفته‌اند، یخی یا صخره‌ای باشند (جسمی یخی مانند اروپا، انسلادوس و تیتان، جسم سنگی مانند آیو و سیارک‌های بزرگتر). در حالی که ضربه های اولیه دارای سرعت بالاتری هستند و حجم مذاب بیشتری تولید می کنند، ضربه های ثانویه بیشتر است. برای تعیین اندازه مذاب، این تیم از اندازه‌های دهانه‌های مشاهده‌شده در اروپا، انسلادوس و تیتان و مدل‌های دینامیکی که نرخ تجمعی دهانه‌ها را در طول زمان محاسبه می‌کنند، مشورت کردند. آنها سپس فشارهای اوج ضربه را با آستانه بقای عناصر ضروری برای زندگی، مولکول های آلی، اسیدهای آمینه و حتی میکروب های شناسایی شده در مطالعات قبلی مقایسه کردند.

از این رو، آن‌ها تشخیص دادند که بیشتر ضربه‌ها در اروپا و انسلادوس فشارهای اوج بیشتری را از آنچه که اسپورهای باکتری می‌توانند زنده بمانند، تجربه می‌کنند. با این حال، آنها همچنین تعیین کردند که مقدار قابل توجهی از مواد هنوز از این ضربه ها جان سالم به در می برند و فشارهای تماس اول بالاتر نیز می تواند سنتز ترکیبات آلی را در آب مذاب که دهانه ها را پر می کند تسهیل کند. در همین حال، به طور متوسط، تیتان و انسلادوس ضربه‌هایی را با سرعت‌های ضربه کمتر تجربه کردند و فشارهای اوج‌ای را ایجاد کردند که در محدوده تحمل هم برای اسپورهای باکتری و هم برای اسیدهای آمینه قرار می‌گرفت.

گام بعدی این بود که در نظر بگیریم دهانه‌های تازه چه مدت زنده می‌مانند و آیا این برای سنتز مواد بیولوژیکی کافی است یا خیر. بر اساس اندازه دهانه های مشاهده شده در انسلادوس و اروپا، آنها مشخص کردند که طولانی ترین دهانه ها تنها چند صد سال عمر می کنند، در حالی که تیتان ممکن است قرن ها تا ده ها هزار سال طول بکشد تا دهانه های تازه یخ بزنند. در حالی که اروپا و انسلادوس ضربه‌های پرسرعت بیشتری را تجربه می‌کنند (به دلیل جو متراکم تیتان)، طبیعت طولانی مدت دهانه‌های تیتان به این معنی است که هر سه جسم فرصتی برای انجام آزمایش‌های شیمی آلی دارند.

آن‌ها همچنین نرخ‌های دوباره روی سطح اروپا، انسلادوس و تیتان و چگونگی چرخش مواد بیولوژیکی را به داخل خود در نظر گرفتند. در هر سه مورد، ماهواره‌ها دارای زمین نسبتاً «جوانی» هستند که حاکی از رخدادهای منظمی است که ظاهر می‌شوند.

تحلیل و بررسی نتایج: چگونه به موفقیت دست یابیم

بر اساس این ملاحظات، مکنزی و تیم او به این نتیجه رسیدند که مذاب های حاصل از برخورد دنباله دار در اروپا، انسلادوس و تیتان به اندازه کافی مکرر و طولانی بوده است که مورد توجه اختر زیست شناسی قرار گیرد. با این حال، این بر اساس ترکیب دنباله دارها و سطح یخ مورد بحث متفاوت است. همانطور که خلاصه کردند:

در اروپا و انسلادوس، بقا و رسوب مواد آلی ضربه‌گیر مهم‌تر است، زیرا مواد آلی سطحی کمتری در پوسته یخ برای بذر دادن حوضچه مذاب وجود دارد. در تیتان، بقای عناصری مانند فسفر ممکن است مهمتر باشد. بنابراین، حتی رویدادهای برخوردی کوچک و مکرر به پتانسیل اختربیولوژیکی با تحویل ترکیبات اصلاح‌شده کمتر به سطح کمک می‌کنند که برای واکنش فوری در صورت تولید مذاب یا برای پردازش آینده (از جمله در رویدادهای ضربه‌ای بعدی) در دسترس هستند.

برای مثال، آنها دریافتند که برخورد یک دنباله‌دار با اروپا با سرعت متوسط، دهانه‌ای به طول ۱۵ کیلومتر (۹.۳ مایل) ایجاد می‌کند و ۱ کیلومتر مکعب (۰.۲۴ مایل) آب مذاب ایجاد می‌کند. بر اساس فراوانی گلیسین (یک اسید آمینه ضروری) که در دنباله‌دار 67P چوریوموف-گراسیمنکو یافت می‌شود، آن‌ها تشخیص دادند که چندین قسمت در میلیون باقی می‌ماند – تقریباً سه مرتبه بزرگ‌تر از آنچه که در اطراف منافذ گرمابی در اینجا روی زمین مشاهده شده است. آنها افزودند: «بنابراین، ضربه‌گیرها هر چیزی که در مذاب اتفاق می‌افتد را می‌دانند و عناصر آلی و دیگر ضروری را بسته به ترکیب ضربه‌گیر فراهم می‌کنند.»

در حالی که این لزوماً به این معنی نیست که این جهان‌ها و دیگر «جهان‌های اقیانوسی» در حال حاضر قابل سکونت هستند یا فعالانه از زندگی پشتیبانی می‌کنند، آنها پتانسیلی برای مطالعات آینده نشان می‌دهند. در سال‌های آینده، مأموریت‌هایی مانند کاوشگر قمرهای یخی جوپیتر (JUICE) و ماموریت‌های اروپا کلیپر و سنجاقک ناسا به ترتیب به گانیمد، اروپا و تیتان خواهند رسید. همچنین برنامه‌هایی برای ایجاد یک مدارگرد انسلادوس وجود دارد تا با بررسی دقیق‌تر فعالیت ستون‌های انسلادوس، از جایی که کاوشگر کاسینی-هویگنس متوقف شد، ادامه یابد.

بنابراین، انجام نمونه‌برداری و تجزیه و تحلیل درجا روی این قمرها می‌تواند بینش قدرتمندی در مورد مسیرهای شیمیایی پری بیوتیک ارائه دهد و تعیین کند که در چه شرایطی حیات می‌تواند پدیدار شود. این مطالعات نمونه همچنین به این سوال بزرگتر می پردازد که آیا حیات می تواند در فضای داخلی «دنیای اقیانوس» وجود داشته باشد یا نه، و پیش نمایشی از آنچه در ماموریت های آینده آماده برای کاوش در زیر یخ خواهد یافت، ارائه می دهد.