برای چنین سیارهای، باید جرم کافی وجود داشته باشد تا بتواند جوّ خود را نگه دارد و یک میدان مغناطیسی مناسب ایجاد کند؛ اما در عین حال، جرم آن نباید آنقدر زیاد باشد که عناصر سبک مانند هیدروژن و هلیوم را برای همیشه در اطراف خود نگه دارد. از سوی دیگر، این سیاره باید به اندازه کافی به ستاره مادرش نزدیک باشد تا دمای آن در حدی مطلوب باقی بماند، اما نه آنقدر نزدیک که تمام آبهایش تبخیر یا «پخته» شوند. و در کنار همه اینها، یک عامل کمتر شناختهشده اما بسیار مهم هم لازم است: فراوانی ایزوتوپهای رادیواکتیو کوتاهعمر.
ایزوتوپهای رادیواکتیو کوتاهعمر یا SLRها، ایزوتوپهایی هستند که نیمهعمر آنها کمتر از ۵ میلیون سال است. در مقیاس زمانی کیهانی، این مدتزمان بهقدری کوتاه است که میتوان آن را یک چشمبههمزدن دانست. اهمیت این ایزوتوپها در این است که واپاشی رادیواکتیو آنها در دوران اولیه شکلگیری منظومههای سیارهای، گرمای قابل توجهی تولید میکند. ایده اصلی این است که اگر منظومه شمسی اولیه گرمتر بوده باشد، این گرما مانع از آن میشده که سیارههای سنگی مانند زمین مقدار بسیار زیادی آب را در خود نگه دارند.
در نبود این ایزوتوپهای کوتاهعمر، بیشتر سیارههای هماندازه زمین به نوعی از جهانها تبدیل میشدند که به آنها سیارههای هایسین (Hycean) گفته میشود؛ دنیاهایی که سطح یا لایههای بالایی آنها بهشدت غرق در آب است و شرایطی کاملاً متفاوت با زمین دارند. اما زمین چنین سرنوشتی نداشت و این نشان میدهد که در دوران آغازین منظومه شمسی، مقدار قابل توجهی از این ایزوتوپها وجود داشته است.
دانشمندان از طریق بررسی شهابسنگها به این نتیجه رسیدهاند که منظومه شمسی ما در ابتدای شکلگیری، سرشار از ایزوتوپهای رادیواکتیو کوتاهعمر بوده است. برای مثال، ایزوتوپ رادیواکتیو آلومینیوم-۲۶ که یک SLR محسوب میشود، در فرآیند واپاشی خود به منیزیم-۲۶ تبدیل میشود. بنابراین اگر در یک قطعه شهابسنگ، مقدار غیرعادی یا بیشازحد منیزیم مشاهده شود، این موضوع نشانهای قوی است از اینکه در گذشتههای بسیار دور، آلومینیوم رادیواکتیو در آن محیط وجود داشته است. همین منطق برای ایزوتوپهای رادیواکتیو دیگر مانند تیتانیوم-۴۴ نیز صدق میکند.
اما این نظریه یک مشکل اساسی دارد. ایزوتوپهای رادیواکتیو کوتاهعمر معمولاً در رویدادهای بسیار پرانرژی مانند انفجار ابرنواخترها ساخته میشوند. ابرنواخترها انفجارهای عظیمی هستند که میتوانند محیط اطراف خود را بهشدت دگرگون کنند. اگر یک ابرنواختر در نزدیکی یک ستاره جوان منفجر شود، موج ضربهای آن میتواند قرص پیشسیارهای اطراف آن ستاره را از هم بپاشد؛ همان قرصی که سیارهها از دل آن شکل میگیرند. با این حساب، این سؤال پیش میآید که چگونه قرص اولیه منظومه شمسی سالم باقی مانده و در عین حال، به این اندازه از ایزوتوپهای رادیواکتیو غنی شده است؟
اگر این شرایط بسیار نادر باشد، نتیجه منطقی آن این است که سیارههایی شبیه زمین نیز باید بسیار کمیاب باشند. اما یک پژوهش جدید دیدگاه متفاوتی ارائه میدهد و نشان میدهد که شاید این وضعیت آنقدرها هم نادر نباشد.
نویسندگان این پژوهش پیشنهاد میکنند که منظومه شمسی اولیه ما، بهجای آنکه مستقیماً در معرض موج ضربهای یک ابرنواختر نزدیک قرار گرفته باشد، در واقع در حمامی از پرتوهای کیهانی ناشی از یک ابرنواختر نسبتاً دورتر غوطهور شده است. پرتوهای کیهانی ذرات پرانرژیای هستند که میتوانند مسافتهای بسیار طولانی را در فضا طی کنند و بدون ایجاد تخریب مستقیم، اثرات مهمی بر محیطهای اطراف بگذارند.
بر اساس مدل ارائهشده در این مطالعه، اگر دستکم یک ابرنواختر در فاصلهای حدود یک پارسک (تقریباً ۳٫۲۶ سال نوری) از منظومه شمسی اولیه رخ داده باشد، پرتوهای کیهانی حاصل از آن میتوانستند مقدار کافی ایزوتوپهای رادیواکتیو را در این منظومه ایجاد کنند؛ بهگونهای که با ترکیب ایزوتوپی مشاهدهشده در شهابسنگها همخوانی داشته باشد. نکته مهم اینجاست که چنین فاصلهای به اندازهای هست که قرص پیشسیارهای نابود نشود، اما همچنان به اندازه کافی نزدیک است تا اثر غنیسازی رادیواکتیو رخ دهد.
از آنجا که ستارههایی شبیه خورشید معمولاً در خوشههای ستارهای متولد میشوند، احتمال اینکه در نزدیکی آنها یک یا چند ابرنواختر رخ دهد، چندان کم نیست. در چنین محیطهایی، ستارههای پرجرم عمر کوتاهی دارند و خیلی زود به ابرنواختر تبدیل میشوند. بنابراین، شانس اینکه یک منظومه سیارهای جوان در معرض پرتوهای کیهانی ناشی از این انفجارها قرار بگیرد، نسبتاً بالا است.
این نتیجهگیری پیامد بسیار مهمی دارد: اگر چنین فرایندی رایج باشد، پس شرایط لازم برای شکلگیری سیارههای سنگی شبیه زمین نیز میتواند در بسیاری از نقاط کهکشان فراهم شود. به بیان دیگر، سیارههایی مانند زمین ممکن است بسیار رایجتر از آن چیزی باشند که پیشتر تصور میشد.
ما همچنین میدانیم که ابرنواخترها نقش مهمی در غنیسازی کهکشان با عناصر رادیواکتیو، بهویژه آلومینیوم-۲۶، دارند. در واقع، مقدار آلومینیوم-۲۶ موجود در کهکشان راه شیری به اخترشناسان کمک میکند تا نرخ متوسط وقوع ابرنواخترها را در کهکشان تخمین بزنند. این موضوع نشان میدهد که مدلی که در این پژوهش ارائه شده، از نظر اخترفیزیکی کاملاً معقول و باورپذیر است.
در مجموع، این مطالعه دیدگاه تازهای درباره شکلگیری سیارههای زمینمانند ارائه میدهد. بهجای آنکه ابرنواخترها را تنها بهعنوان تهدیدی ویرانگر برای تولد سیارهها ببینیم، میتوان آنها را عاملی حیاتی دانست که از طریق پرتوهای کیهانی، شرایط گرمایی و شیمیایی لازم برای پیدایش دنیاهایی شبیه زمین را فراهم میکنند. شاید در نهایت بتوان گفت که زمین، و احتمالاً بسیاری از سیارههای قابل زیست دیگر، بخشی از وجود خود را مدیون همین «حمام کیهانی» هستند؛ حمامی از پرتوهای پرانرژی که در سکوت و از فاصلهای امن، آینده سیارهها را شکل داده است.