فلزینگی (Metallicity) یکی از مفاهیم بنیادی در کیهان است. در نخستین لحظات پس از مهبانگ، جهان عمدتاً از هیدروژن، سادهترین و سبکترین عنصر، و مقدار اندکی هلیوم، دومین عنصر سبک، تشکیل شد. همین دو عنصر اصلی، در گذر زمان در کنار یکدیگر جمع شدند و ستارگان نخستین را پدید آوردند. تنها پس از شکلگیری ستارگان بود که امکان تولد سیارات سنگی مانند زمین فراهم شد.
ستارگان در دل خود عناصر سنگینتر ــ که در اخترشناسی همه آنها را «فلز» مینامند ــ میسازند. این فرایند که همجوشی هستهای یا هستهزایی (nucleosynthesis) نام دارد، باعث میشود ستارگان در پایان عمرشان این فلزات را به فضای میانستارهای پراکنده کنند. بهمرور، این مواد خام در فضا انباشته میشوند تا نسلهای بعدی از ستارگان و سیارات را پدید آورند. به بیان دیگر، هر سیارهی سنگی، از جمله زمین، نتیجهی میلیاردها سال تکامل کیهانی و بازیافت مواد ستارههای مرده است. کلید این فرایند، زمان است.
با گذشت نسلهای پیدرپی از ستارگان، میزان فلزینگی در کهکشانها بهآرامی افزایش مییابد. هرچه فلزینگی بیشتر شود، امکان شکلگیری انواع مختلفی از سیارات فراهمتر میگردد؛ حتی میان سیارات سنگی نیز تفاوتهایی اساسی در ترکیب و ساختار ایجاد میشود. این ایدهی محوری پژوهش تازهای است که به بررسی ارتباط میان تکامل شیمیایی کهکشانها و ویژگیهای سیارات فراخورشیدی میپردازد.
این پژوهش با عنوان
«تأثیر تکامل شیمیایی کهکشانی بر ویژگیهای سیارات فراخورشیدی»
در نشریهی معتبر Astrophysical Journal Letters منتشر شده است. نویسندهی اصلی آن جیسون استفن (Jason Steffen)، دانشیار فیزیک و نجوم در دانشگاه نوادا (لاسوگاس) است. هدف تیم پژوهشی او، ارائهی مدلی نو است که بتواند پیچیدگیهای شیمی کیهانی در گذر زمان و تأثیر آن بر شکلگیری سیارات را بازنمایی کند.
استفن در بیانیهای مطبوعاتی گفت:
«موادی که سیارات را میسازند، درون ستارگانی با طول عمرهای متفاوت شکل میگیرند. یافتههای ما توضیح میدهند که چرا سیارات سنگی کهنتر، چگالی کمتری نسبت به سیارات جوانتری مانند زمین دارند. همچنین نشان میدهند که مواد لازم برای شکلگیری حیات، همزمان در دسترس نبودهاند.»
ما زمین باشکوه خود را دوست داریم؛ سیارهای که زندگی در هر گوشهی آن شکوفا شده و آسمان آبیاش مایهی آرامش ماست. اما در واقع، زمین هم مانند همهی سیارات دیگر، از بقایای ستارگان مرده ساخته شده است. با این حال، ستارگان بسته به جرمشان در زمانهای متفاوتی میمیرند و همین تفاوت زمانی، نوع موادی را که بر جای میگذارند تعیین میکند؛ موادی که نقش آجرهای سازندهی سیارات را دارند.
اعتبار تصویر: ناسا – JPL
هرچه جرم ستاره بیشتر باشد، عناصر سنگینتری تولید میکند و زودتر از بین میرود. در مقابل، ستارگان کمجرم عناصر سبکتر را میسازند اما بسیار دیرتر میمیرند، زیرا عمر طولانیتری دارند. هنگامی که ستارگان پرجرم تنها پس از چند میلیون سال منفجر میشوند، محیط پیرامون خود را با عناصری مانند اکسیژن، سیلیسیم و منیزیم غنی میکنند. این عناصر همان موادی هستند که پوسته و لایههای بیرونی سیارات سنگی را تشکیل میدهند. برای نمونه، حدود سهچهارم پوستهی زمین از اکسیژن و سیلیسیم ساخته شده است، و گوشتهی زمین نیز بیشتر از اکسیژن، منیزیم، سیلیسیم و آهن تشکیل یافته است.
پژوهشگران در مقالهی خود نوشتهاند:
«نتایج نشان میدهد که در دوران آغازین کهکشان، عناصری که از تحول و مرگ ستارگان پرجرم بهدست آمدهاند (مانند اکسیژن، سیلیسیم و منیزیم)، منجر به تشکیل سیاراتی با گوشتههای بزرگتر و هستههای کوچکتر میشوند. در مراحل بعدی، با اضافهشدن عناصری که از ستارگان کمجرم پدید میآیند (مانند آهن و نیکل)، هستهی سیارات نسبتاً بزرگتر میشود.»
به این ترتیب، سیاراتی که به دور ستارگان کهنتر میچرخند، در مجموع چگالی کمتری نسبت به سیارات اطراف ستارگان جوانتر دارند. این الگو دقیقاً با مشاهدات فعلی از سیارات فراخورشیدی سازگار است. پژوهشگران میگویند:
«یافتههای ما با مشاهدات جدید از ویژگیهای سیارات پیرامون ستارگان با سنهای مختلف همخوانی دارد.»
نمودار سمت چپ درصد جرمی اولیه را به رنگ آبی، نسبت آهن به کل عناصر را به رنگ قرمز، و نسبت آهن به هیدروژن را به رنگ زرد نشان میدهد.
نمودارهای سمت راست، درصد فراوانیهای کیهانی اولیه نسبتهای انتخابشده عناصر را نشان میدهند، از جمله نسبت کربن به اکسیژن به رنگ سبز، آهن به منیزیم به رنگ بنفش، و منیزیم به سیلیکون به رنگ سبز.
اعتبار تصویر: Steffen و همکاران، ۲۰۲۵، ApJL
در مدل آنها، نسبتهای شیمیایی میان عناصر مختلف اهمیت زیادی دارد. برای نمونه، نسبت آهن به منیزیم (Fe/Mg) میتواند نشان دهد چه نسبتی از جرم یک سیاره در پوسته و گوشتهاش توزیع شده است. از سوی دیگر، نسبت منیزیم به سیلیسیم (Mg/Si) نیز تعیین میکند که چه نوع سنگ آتشفشانی در سطح سیاره شکل میگیرد. اگر مقدار سیلیسیم کم باشد، پوستهی سیاره ضخیمتر خواهد بود و در نتیجه فعالیتهای آتشفشانی بیرونی و تکتونیک صفحهای دشوارتر میشود — دو فرایندی که برای پایداری زیستپذیری بسیار مهماند. به گفتهی نویسندگان:
«نتایج ما نشان میدهد که سیارات اولیه دارای نسبت بالاتر Mg/Si بودهاند، بنابراین سیاراتی با کمبود سیلیسیم و پوستههای ضخیمتر ایجاد شدهاند.»
زیستپذیری زمین به عوامل فراوانی وابسته است، از جمله هستهی آهنی آن. میدان مغناطیسی محافظ زمین از همین هستهی فلزی سرچشمه میگیرد و بدون آن، زمین در برابر بادهای خورشیدی بیدفاع میماند. اما یافتههای جدید نشان میدهد که در دوران اولیهی کهکشان راه شیری، میزان آهن بسیار کمتر بوده است. این بدان معناست که سیاراتی که در آن دوران شکل گرفتهاند، احتمالاً هستههای کوچکتری داشتهاند و در نتیجه از میدان مغناطیسی ضعیفتری برخوردار بودهاند. به تعبیر نویسندگان:
«سیاراتی که به دور ستارگان نسلهای آغازین کهکشان راه شیری شکل گرفتهاند، آهن کمتری داشتهاند و در نتیجه دارای هستههای کوچکتر بودهاند.»
بنابراین، ترکیبات لازم برای شکلگیری یک سیارهی زیستپذیر، همگی همزمان در دسترس نیستند. یک کهکشان جوان، احتمالاً تعداد بسیار کمی سیارهی مناسب برای حیات دارد. اما روند افزایش فلزینگی و تنوع شیمیایی در کهکشانها همواره یکنواخت و ساده نیست.
نتیجهگیری کلی پژوهش چنین است:
هرچه یک کهکشان بیشتر تکامل یابد، سیارات متراکمتر و در عین حال با شعاع کوچکتر شکل میگیرند. در فاصلهی زمانی میان دو تا شش میلیارد سال پس از آغاز کهکشان، نسبتهای Fe/Mg و C/O کاهش مییابد و همزمان نسبت Mg/Si نیز پایین میآید. مقدار آهن موجود تقریباً بین یک تا پنج میلیارد سال دو برابر میشود و سپس ثابت میماند. افزون بر این، غنیسازی محیط توسط منابع ستارهای مختلف میتواند نسبت جرم هستهی سیارات را تا حدود ۱۰ درصد تغییر دهد.
استفن میگوید:
«یکی از نتایج مهم این پژوهش این است که شرایط لازم برای ظهور حیات فوراً فراهم نمیشود. بسیاری از عناصر موردنیاز برای سیارات زیستپذیر و برای موجودات زنده، در بازههای زمانی متفاوتی از تاریخ کهکشان در دسترس قرار گرفتهاند.»
پژوهشگران همچنین تأکید میکنند که مدل پیشنهادی آنها در آینده میتواند با پیشرفت در شناخت سیارات فراخورشیدی سنگی گسترش یابد. مأموریتهایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و ماموریت PLATO ناسا و آژانس فضایی اروپا، دادههای دقیقتری از ترکیب و ساختار این سیارات در اختیار دانشمندان خواهند گذاشت.
در پایان، نویسندگان نتیجه میگیرند:
«چنین مدلهایی میتوانند در آینده درک دقیقتری از تغییر ویژگیهای سیارات در طول زمان به ما بدهند و سیارات سنگی را به ابزاری برای کاوش تاریخ شیمیایی کهکشانها تبدیل کنند.»
