بله، بسیاری از مولکولهای موجود در بدن ما فقط میتوانند در انفجارهای عظیم ابرنواختری (سوپرنواها) ساخته شده باشند؛ و از همینجاست که این جمله شکل گرفته است. دانشمندان مدتها تصور میکردند سازوکار این فرایند را میشناسند: ایزوتوپهایی که در ابرنواخترها ساخته میشوند، بر روی دانههای بسیار ریز غبار (گردِ ستارهای) سوار میشوند، در فضای میانستارهای سفر میکنند، سپس به زمین اولیه میرسند، روی هم انباشته میشوند و در نهایت وارد سامانههای زیستی میگردند.
اما مقالهای تازه از مارتین بیزارو و همکارانش در دانشگاه کپنهاگ این تصویر کلاسیک را به چالش میکشد. آنها نشان دادهاند که بخش بزرگی از موادی که در ابرنواخترها ساخته میشوند، نه در غبار خشک، بلکه در یخ به دام میافتند و در همین قالب یخی در محیط میانستارهای جابهجا میشوند. این پژوهش حتی پا را فراتر میگذارد و پیشنهاد میکند که خودِ زمین نیز نه از برخوردهای عظیم پیشسیارهها، بلکه بر اساس «مدل برافزایش ریگدانهای» (Pebble Accretion) شکل گرفته است.
کلید اصلی این پژوهش، عنصر زیرکونیوم است؛ عنصری که معمولاً در کیهانشیمی چندان مورد توجه قرار نمیگیرد. با این حال، زیرکونیوم یک ایزوتوپ خاص دارد به نام Zr-96 که فقط و فقط در انفجارهای ابرنواختری تولید میشود. همین ویژگی منحصربهفرد باعث شد دکتر بیزارو و گروهش تصمیم بگیرند به دنبال ردّ این ایزوتوپ در شهابسنگها بگردند و بررسی کنند که Zr-96 دقیقاً در کجای ساختار آنها پنهان شده است.
برای این کار، آنها نمونههایی از انواع مختلف شهابسنگها را انتخاب کردند و آنها را در معرض اسید استیکِ ضعیف قرار دادند. این اسید، موادی را که با آب مرتبط بودند—از جمله کانیهای رسی—حل میکرد، اما دانههای سخت و «سنگی» بدنهی شهابسنگ را دستنخورده باقی میگذاشت. سپس پژوهشگران مقدار Zr-96 را هم در محلولِ حاصل از حل شدن مواد آبدار و هم در بخش سنگیِ باقیمانده اندازهگیری کردند.
نتیجه شگفتانگیز بود: غلظت Zr-96 در بخشهای حلشده (که به آنها «لیچیت» گفته میشود) تا ۵۰۰۰ قسمت در میلیون بیشتر از بخش سنگی بود. این یافته بهوضوح نشان میدهد که یخ، سازوکار اصلی انتقال بقایای ابرنواختری بوده است. هنگامی که یک ابرنواختر منفجر میشود، فقط گردِ ستارهای به فضا پرتاب نمیکند؛ بخشی از مواد آن به شکل اتمی در میآیند و مستقیماً در ذرات یخی جای میگیرند.
این ایده پیامدهای مهمی برای مدلهای شکلگیری سیارات دارد. هرچه یک سیاره به ستارهی مادر خود نزدیکتر باشد، احتمال بیشتری وجود دارد که دانههای یخیِ حاملِ مواد ابرنواختری ذوب یا تبخیر شوند. به همین دلیل، disiارات نزدیکتر مانند زمین، زهره و عطارد بهطور محسوسی فقیر از ایزوتوپهایی هستند که در ابرنواخترها ساخته شدهاند. در مقابل، سیارات دوردستتر مانند اورانوس و نپتون باید سرشار از این ایزوتوپها باشند. این الگو دقیقاً با چیزی همخوانی دارد که به «خط اختلاط منظومه شمسی» معروف است: هرچه فاصلهی یک جرم از خورشید بیشتر میشود، سهم ایزوتوپهای ابرنواختری تغییر میکند، و این تغییر تقریباً خطی است. چنین رفتاری بهخوبی با این ایده سازگار است که ذوب شدن یخها عامل اصلی این توزیع بوده است.
اگر این تحلیل را یک گام جلوتر ببریم، به پیامدهای عمیقتری دربارهی شکلگیری زمین میرسیم. زمین در مقایسه با سیارکهایی که در این پژوهش بررسی شدهاند، مقدار بسیار کمی Zr-96 دارد. بهطور منطقی، اگر زمین از برخورد و ادغام سیارکها (در هر اندازهای) شکل گرفته بود، باید مقدار بیشتری از این ایزوتوپ را در خود نگه میداشت. اما اگر زمین از طریق «برافزایش ریگدانهای» شکل گرفته باشد—یعنی دانههای بسیار ریز و یخی از آنسوی «خط برف» به سمت درون منظومه شمسی حرکت کرده باشند—در این صورت یخ آنها در نزدیکی خورشید تصعید میشده و گازهای آزادشده، Zr-96 را نیز با خود میبردهاند. نتیجهی نهایی این فرایند، زمینی است فقیر از Zr-96؛ دقیقاً همان چیزی که دادهها نشان میدهند. بنابراین، این پژوهش شواهد تازهای به نفع این دیدگاه ارائه میکند که زمین از ریگدانههای یخیِ فاقد ایزوتوپهای ابرنواختری شکل گرفته است، نه از سیارکها یا سیارهوارههای بزرگتر که میتوانستند این ایزوتوپها را در خود حفظ کنند.
کارل ساگان در یکی از سخنرانیهای معروفش دربارهی اینکه ما از «مواد ستارهای» ساخته شدهایم صحبت میکند. حالا این پژوهش نشان میدهد که شاید این مواد ستارهای، دستکم تا حد زیادی، در پوششی از یخ به ما رسیده باشند.
یافتهی مهم دیگر این مقاله به «درونگیرهای غنی از کلسیم و آلومینیوم» یا CAIها مربوط میشود؛ موادی که از قدیمیترین اجزای شناختهشده در منظومه شمسی به شمار میآیند. هنگامی که پژوهشگران CAIهای موجود در شهابسنگها را بررسی کردند، دریافتند که مقدار Zr-96 در آنها بسیار متغیر است: برخی مقدار زیادی از آن داشتند و برخی تقریباً هیچ. این تفاوت نشان میدهد که CAIها در محیطهای بسیار متفاوتی شکل گرفتهاند؛ احتمالاً در نواحی مختلفی از قرص پیشسیارهای که پیش از تولد سیارات در اطراف خورشید وجود داشته است.
وقتی Zr-96 در اوایل شکلگیری منظومه شمسی از ذرات غبار جدا شد، قرص برافزایشی به ساختاری «لایهلایه» یا «چینهبندیشده» تبدیل شد. در چنین ساختاری، ذرات سبکترِ گازی به سمت بخشهای بالایی یا پایینی قرصِ دیسکمانند حرکت میکردند، در حالی که دانههای سنگینترِ غبار در نزدیکی صفحهی میانی تجمع مییافتند. CAIها میتوانستند در هر دو ناحیه شکل بگیرند و بسته به محل شکلگیریشان، مقدار کم یا زیادی Zr-96 در خود جمع کنند.
هر دوی این ایدهها—یعنی انتقال مواد ابرنواختری توسط یخ و نقش برافزایش ریگدانهای در شکلگیری سیارات—بسیار جذاباند و به مطالعات بیشتری نیاز دارند. اگر در آینده صحت آنها بهطور کامل تأیید شود، این مقاله میتواند بهعنوان یکی از پژوهشهای نقطهعطف در شیمی پیشسیارهای و نظریههای شکلگیری سیارات شناخته شود. اما فارغ از اینکه سرنوشت نهایی این نظریهها چه باشد، همچنان میتوانیم از این اندیشه لذت ببریم که از «مواد ستارهای» ساخته شدهایم—چه این مواد روزی در قالب گردِ ستارهای به وجود آمده باشند و چه در دلِ یخهای میانستارهای به دام افتاده باشند.
