از میان همهی اجرام سامانهی خورشیدی، تنها زمین است که دارای جوّی متراکم، آب مایع در سطح و شیمی آلی پشتیبان زندگی است. اما این شرایط میلیاردها سال پیش، زمانی که زمین هنوز جوان بود، وجود نداشت.
سحابیای که سیارات از دل آن شکل گرفتند، سرشار از عناصر فرّار بود. با این حال، دماهای بسیار بالا در بخش درونی سامانهی خورشیدی مانع از آن میشد که این عناصر بهسادگی متراکم شوند و بیشتر آنها در حالت گازی باقی میماندند. در نتیجه، این عناصر در مواد سنگی جامدی که سیارات درونی از آن ساخته شدند، بهطور گسترده حضور نداشتند. تنها اجرامی که در فاصلههای دورتری از خورشید شکل گرفتند توانستند مواد لازم برای حیات را در خود نگه دارند. این مسئله پرسشهای مهمی را ایجاد میکند: این مواد حیاتی چگونه و چه زمانی به زمین وارد شدند؟
پژوهشی تازه در دانشگاه برن
در مطالعهای جدید، پژوهشگرانی از دانشگاه برن سوئیس برای نخستین بار نشان دادند که ترکیب شیمیایی زمین نخستین تنها سه میلیون سال پس از شکلگیری آن (حدود ۴٫۵ میلیارد سال پیش) کامل شده بود. نتایج آنها نشان میدهد که مواد اولیهی حیات، شامل آب، ترکیبات کربنی، گوگرد و دیگر عناصر کلیدی، بعدها و احتمالاً از طریق یک برخورد بزرگ به زمین منتقل شدند.
این پژوهش توسط پاسکال موریس کروتاش (پسادکتری) و کلاوس مسگر (استاد بازنشستهی ژئوشیمی) از مؤسسه علوم زمینشناسی دانشگاه برن انجام شد. مسگر همچنین عضو کمیتهی علمی مرکز فضایی و زیستپذیری (CSH) در برن است. این تحقیق بخشی از رسالهی دکترای کروتاش بود و در اول اوت در مجلهی Science Advances منتشر شد.
روش تحقیق: ایزوتوپها و زمانسنجی
تیم پژوهشی روی دو ایزوتوپ، منگنز-۵۳ (⁵³Mn) و کروم-۵۳ (⁵³Cr)، در شهابسنگها و نمونههای سنگی زمین تمرکز کردند. آنها با استفاده از مدلسازی محاسباتی، مرزهای زمانی لازم برای تکامل ترکیب شیمیایی زمین را مشخص کردند. این روش به آنها اجازه داد تا سن این عناصر را تعیین کنند و امضای شیمیایی (الگوی یکتای مواد سازنده) زمین اولیه را بازسازی کنند.
نتایج نشان داد که ترکیب شیمیایی زمین کمتر از سه میلیون سال پس از شکلگیری سامانهی خورشیدی کامل شده بود. این نخستین دادهی تجربی دربارهی ترکیب اصلی زمین نخستین به شمار میآید.
کروتاش در بیانیهای از دانشگاه برن توضیح داد:
«یک سیستم زمانسنجی دقیق بر پایهی واپاشی پرتوزای منگنز-۵۳ به کار گرفته شد تا سن دقیق تعیین شود. این ایزوتوپ در آغاز سامانهی خورشیدی وجود داشت و با نیمهعمری حدود ۳٫۸ میلیون سال به کروم-۵۳ تبدیل شد. با در نظر گرفتن اینکه سامانهی خورشیدی حدود ۴۵۶۸ میلیون سال پیش شکل گرفته و تنها تا سه میلیون سال طول کشیده تا ترکیب شیمیایی زمین تثبیت شود، این فرایند بهطرز شگفتآوری سریع بوده است.»
فرضیهی برخورد بزرگ و نقش تیا (Theia)
این یافتهها به سود فرضیهی برخورد بزرگ (Giant Impact Hypothesis) است. بر اساس این فرضیه، سامانهی زمین-ماه حدود ۴٫۵ میلیارد سال پیش در نتیجهی برخورد عظیمی میان زمین نخستین و جرمی هماندازه با مریخ به نام «تیا» (Theia) شکل گرفت.
بر اساس نظریهها، تیا در بخشهای دورتر سامانهی خورشیدی شکل گرفته بود و ترکیب آن غنی از عناصر فرّار، از جمله آب، بوده است. تحلیل تیم پژوهشی دانشگاه برن نشان میدهد که زمین نخستین سیارهای خشک و سنگی بوده و برخورد آن با تیا عناصر حیاتی مانند آب و ترکیبات کربنی را وارد زمین کرده است.
پیامدهای پژوهش
یافتههای این پژوهش نه تنها درک ما را از فرآیندهای حاکم بر سامانهی خورشیدی آغازین گسترش میدهد، بلکه سرنخهای مهمی دربارهی زمان و چگونگی پیدایش زندگی نیز فراهم میآورد. این نتایج برای جستوجوی حیات در فراسوی زمین (زیستاخترشناسی) نیز اهمیت دارد. پرسش اساسی این است: آیا سیارات سنگیای که به ستارهی خود نزدیکتر هستند میتوانند مواد لازم برای حیات را در خود داشته باشند یا نه؟
گام بعدی، به گفتهی کروتاش، بررسی دقیقتر رویداد برخورد است. این بررسی احتمالاً با مدلسازیهای رایانهای و شبیهسازیهای پیچیده انجام خواهد شد. او میگوید:
«دوستدار بودن زمین برای حیات نتیجهی یک روند پیوسته نبوده است، بلکه به احتمال زیاد ناشی از یک رویداد تصادفی بوده است: برخورد دیرهنگام جرمی بیگانه و غنی از آب. این مسئله روشن میکند که فراهم بودن شرایط حیات در کیهان اصلاً بدیهی نیست. تاکنون این رویداد برخورد به اندازهی کافی شناخته نشده است. ما به مدلهایی نیاز داریم که بتوانند نه تنها ویژگیهای فیزیکی زمین و ماه را توضیح دهند، بلکه ترکیب شیمیایی و امضاهای ایزوتوپی آنها را نیز بهطور کامل روشن کنند.»
جمعبندی
این پژوهش تصویری تازه از گذشتهی زمین و منشأ شرایط زیستپذیر آن به دست میدهد. بر اساس نتایج، زمین اولیه در اصل سیارهای خشک و فقیر از عناصر ضروری برای حیات بوده است. تنها پس از برخورد عظیم با جرمی غنی از مواد فرّار – که احتمالاً همان تیا بوده – عناصر کلیدی مانند آب و کربن به زمین وارد شدند و بستر لازم برای شکلگیری حیات فراهم شد.
این تصویر جدید پیامدهای گستردهای برای علم دارد: از درک تاریخچهی زمین و ماه گرفته تا جستوجوی حیات در سیارات فراخورشیدی. اگر زمین تنها به یمن یک رویداد نادر توانسته زیستپذیر شود، آنگاه شاید زندگی در کیهان بسیار نادرتر از آن چیزی باشد که پیشتر تصور میکردیم.