تمام مفهوم «کمربند زیست‌پذیر» در اطراف ستارگان دیگر بر اساس توانایی یک سیاره برای داشتن آب مایع بر سطح خود تعریف می‌شود. اما این آب از کجا می‌آید؟
تلسکوپ جیمز وب (JWST) جوی سرشار از هیدروژن و هلیوم را در این سیاره شناسایی کرده است، اما هم‌زمان وجود بخار آب را نیز در جو آن تشخیص داده است.
دانشمندان امیدوارند که مشاهدات بیشتر با تلسکوپ جیمز وب، به روشن شدن نقش مهاجرت سیاره‌ای در شکل‌گیری چنین دنیاهایی کمک کند.
اعتبار تصویر: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)
یکی از توضیحات کلاسیک، موضوع «مهاجرت» است؛ یعنی سیاره‌ها در بخش‌هایی از قرص پیش‌سیاره‌ای شکل گرفته‌اند که آب در آن وجود داشته و بعدها به موقعیت کنونی‌شان در ناحیه زیست‌پذیر منتقل شده‌اند. درباره زمین نیز مدت‌ها چنین تصور می‌شد که ابتدا شکل گرفته و سپس آب خود را از دنباله‌دارها و سیارک‌های یخی نواحی سرد منظومه شمسی دریافت کرده است. اما پژوهش‌های جدید این دیدگاه را به چالش کشیده‌اند و نشان می‌دهند زمین از همان ابتدا دارای هیدروژن و اکسیژن لازم برای ساخت آب بوده و در واقع آب خود را در دل سیاره تولید کرده است.
تحقیقی تازه همین ایده را درباره نوعی از فراسیاره‌ها بررسی کرده است: «زیرنپتون‌ها» (Sub-Neptunes)، که از فراوان‌ترین انواع سیاره‌های کشف‌شده در کهکشان هستند. این پژوهش با عنوان «ساخت سیاره‌های مرطوب از طریق واکنش‌های فشاربالای ماگما و هیدروژن» در نشریه Nature منتشر شده و سرپرست آن هریسون هورن، پژوهشگر پسا‌دکتری در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور است.
زیرنپتون‌ها سیاره‌هایی با شعاع حدود ۱.۵ تا ۴ برابر زمین هستند. آن‌ها برخلاف زمین که جوی نسبتاً نازک دارد، دارای جوهایی ضخیم و غنی از هیدروژن و هلیم‌اند که اطراف هسته‌های سنگی قرار گرفته‌اند. اگرچه منظومه شمسی ما چنین سیاره‌هایی ندارد، اما در دیگر ستاره‌ها بسیار رایج‌اند و بسیاری از آن‌ها در فاصله‌ای بسیار نزدیک به ستاره میزبان خود قرار دارند.
مدل‌های کنونی نشان می‌دهد زیرنپتون‌ها به‌طور کلی در دو گروه قرار می‌گیرند: سیاره‌های «خشک» که عمدتاً شامل هیدروژن‌اند و سیاره‌های «مرطوب» که مقادیر قابل توجهی آب دارند. در هر دو حالت، این لایه‌ها هسته‌ای سنگی و فلزی را احاطه کرده‌اند. پیش‌تر تصور می‌شد زیرنپتون‌های مرطوب در فاصله‌های دورتر از ستاره شکل گرفته و سپس به مدارهای فعلی خود مهاجرت کرده‌اند. اما اکنون شاید این تصور نادرست باشد؛ شاید نه مهاجرت لازم باشد و نه انتقال آب بیرونی.
آب از نظر شیمیایی ترکیب خارق‌العاده‌ای نیست؛ تنها از هیدروژن ــ فراوان‌ترین عنصر کیهان ــ و اکسیژن، سومین عنصر فراوان کیهان تشکیل شده است. اکسیژن هم عنصر واکنش‌پذیری است که در پوسته زمین فراوان یافت می‌شود و در سیلیکات‌ها و کانی‌های گوناگون حضور دارد. این الگوی فراوانی نشان می‌دهد که اکسیژن روی سیاره‌های سنگی دیگر نیز، مانند زیرنپتون‌ها، باید وجود داشته باشد. اگر چنین باشد و اگر این سیاره‌ها جوهای غنی از هیدروژن داشته باشند، راهی طبیعی برای تولید آب در خود سیاره وجود خواهد داشت.
هورن و همکارانش این ایده را در آزمایشگاه بررسی کردند. او می‌گوید: «آزمایش‌های ما نخستین آزمایش‌هایی هستند که برهم‌کنش میان هیدروژن و سیلیکات‌ها را در شرایط دما و فشاری بررسی می‌کنند که در مرز میان هسته مذاب و جو هیدروژنی زیرنپتون‌ها انتظار می‌رود. ما نشان می‌دهیم که آب لزوماً نیاز ندارد از بیرون سیاره تأمین شود؛ بلکه می‌تواند در درون همان سیاره ساخته شود.»
در این پژوهش، پژوهشگران شرایط مرز میان جو هیدروژنی و ماگمای داغ هسته زیرنپتون‌ها را بازسازی کردند؛ جایی که فشار و دما بسیار بالا است. آن‌ها برای این کار از دستگاه «سلول سندان الماس» که با لیزر گرم می‌شود استفاده کردند؛ ابزاری که با فشردن نمونه‌های کوچک میان دو الماس و تاباندن لیزر، می‌تواند شرایط افراطی اعماق سیاره‌ها را شبیه‌سازی کند.
نتیجه آزمایش‌ها نشان داد سیلیکات‌های مذاب می‌توانند با هیدروژن واکنش دهند. این واکنش باعث آزاد شدن اکسیژن می‌شود و اکسیژن آزاد با هیدروژن ترکیب شده و آب تشکیل می‌دهد. در برخی نمونه‌ها مقدار قابل توجهی آب، تا چند ده درصد وزنی، تولید شد.
میزان آب تولیدی وابسته به ترکیب سیاره و شرایط داخلی آن است، اما یافته‌ها نشان می‌دهند سیاره‌های خشک می‌توانند به‌تدریج به سیاره‌های مرطوب تبدیل شوند. پژوهشگران می‌گویند این واکنش‌ها می‌تواند گستره‌ای از مقادیر متفاوت آب را در سیاره‌های غنی از هیدروژن ایجاد کند و حتی برخی زیرنپتون‌ها را به دنیایی سرشار از آب تبدیل سازد. به‌این‌ترتیب، وجود آب فراوان در جو سیاره‌های فراخورشیدی لزوماً نشانه مهاجرت آن‌ها از ناحیه‌های سرد نیست.
جالب‌تر اینکه این واکنش‌ها می‌توانند میلیاردها سال ادامه داشته باشند. به‌گفته پژوهشگران، در یک سیاره سنگی پنج‌جرم‌زمینی با لایه هیدروژنی، دمای هسته به‌اندازه‌ای بالا باقی می‌ماند که سیلیکات‌ها برای میلیاردها سال در حالت مذاب باشند؛ بنابراین تولید آب نیز می‌تواند بسیار طولانی‌مدت ادامه یابد. همچنین هیدروژن می‌تواند با فشار زیاد به اعماق بیشتری در زیر مرز هسته و جو نفوذ کند و همرفت شدید در هسته مذاب می‌تواند آن را حتی به مناطق عمیق‌تر منتقل کند. بنابراین این واکنش‌ها محدود به سطح مرزی نیستند و می‌توانند در اعماق سیاره نیز ادامه یابند.
ترکیب شیمیایی سیاره نیز تأثیر چشمگیری دارد. نسبت منیزیم به سیلیس (Mg:Si) از عوامل بسیار مهم است و تغییر در این نسبت می‌تواند مقدار تولید آب را تا دو برابر افزایش دهد. بنابراین تنوع گسترده در نسبت‌های Mg:Si در منظومه‌های فراسیاره‌ای منجر به تفاوت‌های قابل توجهی در میزان تولید داخلی آب می‌شود.
با این حال، تحقیقات دیگری نسبت به این نتایج تردید وارد کرده‌اند و ماهیت رازآلود زیرنپتون‌ها همچنان پابرجاست.
اعتبار تصویر: ESA/Hubble, M. Kornmesser
دیدگاه سنتی شکل‌گیری سیاره‌ها می‌گوید سیاره‌های غنی از آب باید بیرون از «خط برف» شکل بگیرند؛ جایی که دما به اندازه کافی پایین است تا آب یخ بزند. اما شواهد رصدی نشان می‌دهد بسیاری از زیرنپتون‌های آب‌دار در مدارهای نزدیک به ستاره‌هایشان قرار دارند. مهاجرت می‌تواند این موضوع را توضیح دهد، اما شاید اصلاً لازم نباشد. پژوهش جدید نشان می‌دهد واکنش‌های میان ماگما و هیدروژن می‌توانند به‌سادگی سیاره‌های مرطوب را درون همین ناحیه‌های گرم بسازند.
هورن می‌گوید: «این یافته‌های تازه ارتباط فرضی میان مکان شکل‌گیری سیاره و ترکیب آن را به چالش می‌کشد.»
او می‌افزاید: «این نتایج به ما کمک می‌کنند بهتر بفهمیم سیاره‌ها چگونه شکل می‌گیرند؛ دانشی که در عصر جستجوی فراسیاره‌ها با تلسکوپ‌های فضایی و زمینی، اهمیت روزافزون دارد.»
