مطالعات روی سنگ‌های باستانی زمین نشان می‌دهند که آب مایع روی زمین به‌طور تقریبی ۱۰۰ میلیون سال پس از شکل‌گیری خورشید وجود داشته است – که از نظر زمانی در مقیاس کیهانی تقریباً بلافاصله است.
این آب که اکنون بیش از ۴.۵ میلیارد سال عمر دارد، از طریق چرخه آب زمین به‌طور مداوم تجدید شده است. تیم تحقیقاتی من به‌تازگی نظریه جدیدی برای توضیح چگونگی رسیدن آب به زمین ارائه کرده است.
یک معما که میلیاردها سال در حال شکل‌گیری است
دانشمندان اخترفیزیک مدت‌هاست که در تلاش هستند تا پاسخ دهند چگونه آب به این سیاره جوان رسید. یکی از نخستین فرضیه‌ها این بود که آب زمین محصول مستقیم تشکیل این سیاره است و از طریق ماگما در هنگام فوران‌های آتشفشانی آزاد می‌شود که در آن بیشتر گازهای منتشرشده بخار آب هستند.
با این حال، این فرضیه در دهه ۱۳۶۸ تغییر کرد، پس از تجزیه‌وتحلیل ترکیب آب زمین و کشف احتمال نقش دنباله‌دارهای یخی، که نشان‌دهنده منشأ فرازمینی است.
دنباله‌دارها که ترکیبی از یخ و سنگ هستند و در دورترین نواحی منظومه شمسی شکل می‌گیرند، گاهی اوقات به‌سمت خورشید پرتاب می‌شوند. وقتی توسط خورشید گرم می‌شوند، دنباله‌های چشمگیر از گرد و غبار و گاز را ایجاد می‌کنند که از زمین قابل مشاهده هستند. سیارک‌ها که در کمربند سیارکی بین مریخ و مشتری قرار دارند نیز به‌عنوان پدران احتمالی آب زمین معرفی شده‌اند.
مطالعه سنگ‌های دنباله‌دارها و سیارک‌ها از طریق شهاب‌سنگ‌ها – که تکه‌های کوچکی از این اجسام هستند که به زمین افتاده‌اند – بینش‌های کلیدی ارائه کرده است.
با تجزیه‌وتحلیل نسبت D/H – که نسبت هیدروژن سنگین (دوتریوم) به هیدروژن استاندارد است – دانشمندان دریافتند که آب زمین بیشتر مشابه آب سیارک‌های کربنی است که نشانه‌هایی از آب گذشته دارند. این تحقیق تمرکز را به سمت این سیارک‌ها تغییر داد.
مطالعات اخیر بر شناسایی مکانیزم‌های آسمانی متمرکز شده‌اند که می‌توانند این سیارک‌های پرآب را به سطح خشک زمین اولیه منتقل کنند. نظریه‌های مختلفی برای توضیح “اختلال” در سیاره‌سازها – اجسام یخی بزرگ در کمربند سیارک‌ها و کمربند کویپر – ارائه شده است.
این سناریوها پیشنهاد می‌کنند که تعاملات گرانشی باعث جابه‌جایی این اجسام شده و آن‌ها را به‌سمت زمین می‌فرستند. چنین رویدادهایی نیاز به یک فرآیند پیچیده “بیلیارد گرانشی” داشتند که تاریخ پرآشوبی از منظومه شمسی را نشان می‌دهد.
در حالی که واضح است که شکل‌گیری سیارات با تحولات و برخوردهای زیادی همراه بوده است، ممکن است رسیدن آب به زمین به‌صورت طبیعی و کمتر دراماتیک‌تری انجام شده باشد.
یک فرضیه ساده‌تر
من با این فرضیه شروع کردم که سیارک‌ها از همان ابتدا یخی از پیله شکل‌گیری خود بیرون می‌آیند، که همان قرص پیش‌سیاره‌ای است. این قرص یک دیسک عظیم و غنی از هیدروژن است که پر از گرد و غبار است و در آن سیارات و کمربندهای اولیه تشکیل می‌شوند. این قرص تمام سیستم سیاره‌ای نوظهور را دربرمی‌گیرد.
پس از اینکه این پوشش محافظ از بین می‌رود – پس از چند میلیون سال – سیارک‌ها گرم می‌شوند و یخ آن‌ها ذوب یا دقیق‌تر بگویم، تبدیل به بخار می‌شود. در فضا که فشار تقریباً صفر است، آب پس از این فرآیند به‌صورت بخار باقی می‌ماند.
یک دیسک بخار آب سپس روی کمربند سیارک‌ها که در حال چرخش به دور خورشید هستند، قرار می‌گیرد. با تبخیر یخ، این دیسک با بخار پر می‌شود که به‌دلیل فرآیندهای پیچیده دینامیکی به‌سمت درون خورشید حرکت می‌کند. در طول مسیر، این بخار به سیاره‌های درونی برخورد می‌کند و آن‌ها را در نوعی “حمام” فرو می‌برد.
به نوعی، این دیسک “سیارات زمین‌سان” مانند مریخ، زمین، زهره و عطارد را آبیاری می‌کند. بیشتر این جذب آب حدود ۲۰ تا ۳۰ میلیون سال پس از تشکیل خورشید اتفاق افتاد، زمانی که درخشندگی خورشید به‌طور چشمگیری در مدت زمانی کوتاه افزایش یافت و نرخ گازگیری سیارک‌ها را بالا برد.
زمانی که آب توسط گرانش یک سیاره جذب می‌شود، فرآیندهای زیادی می‌توانند رخ دهند.
اما در زمین، یک مکانیزم محافظتی باعث شده است که جرم کل آب از پایان دوره جذب تا به امروز نسبتا ثابت بماند. اگر آب بیش از حد وارد جو شود، به ابرها تبدیل می‌شود که در نهایت به سطح بازمی‌گردند و باران را تشکیل می‌دهند – فرآیندی که به آن چرخه آب گفته می‌شود.
مقدار آب روی زمین، چه در گذشته و چه در حال حاضر، به‌خوبی مستند شده است. مدل ما که از گازگیری یخ از کمربند سیارک اولیه شروع می‌شود، به‌خوبی مقدار آب لازم برای تشکیل اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها و حتی آبی که در عمق گوشته زمین مدفون است، توضیح می‌دهد.
اندازه‌گیری‌های دقیق نسبت D/H آب در اقیانوس‌ها همچنین با مدل ما هم‌خوانی دارد. علاوه بر این، مدل توضیح می‌دهد که چه مقدار آب در گذشته در دیگر سیارات و حتی در ماه وجود داشته است.
شاید بخواهید بدانید که چگونه به این نظریه جدید رسیدم. این نظریه از مشاهدات اخیر، به‌ویژه آن‌هایی که با ALMA، آرایه‌ای از تلسکوپ‌های رادیویی با بیش از ۶۰ آنتن در شیلی و در ارتفاع پنج کیلومتری از سطح دریا، انجام شده‌اند، سرچشمه گرفته است.
مشاهدات سیستم‌های خارج از منظومه شمسی با کمربندهایی مشابه کمربند کویپر نشان می‌دهند که سیاره‌سازها در این کمربندها، مونوکسید کربن (CO) را تبخیر می‌کنند. برای کمربندهایی که به ستاره خود نزدیک‌تر هستند، مانند کمربند سیارک‌ها، CO به‌قدری فرار است که نمی‌تواند وجود داشته باشد و آب احتمالاً آزاد می‌شود.
ساخت مدل
ایده اولیه برای این نظریه از این یافته‌ها آغاز شد. علاوه بر این، داده‌های اخیر از مأموریت‌های Hayabusa 2 و OSIRIS-REx که سیارک‌هایی مشابه با آن‌هایی که ممکن است در تشکیل دیسک بخار آب اولیه نقش داشته‌اند را بررسی کردند، تاییدهای کلیدی ارائه دادند.
این مأموریت‌ها همراه با مشاهدات طولانی‌مدت از تلسکوپ‌های زمینی، مقادیر قابل‌توجهی از مواد معدنی هیدراته را بر روی این سیارک‌ها نشان دادند – مواد معدنی که تنها از تماس با آب تشکیل می‌شوند. این به‌طور ضمنی از این که این سیارک‌ها ابتدا یخی بوده‌اند، حمایت می‌کند، حتی اگر بیشتر آن‌ها اکنون یخ خود را از دست داده‌اند (مگر در مورد اجسام بزرگتری مانند سرس).
با اساس مدل در دست، گام بعدی توسعه یک شبیه‌سازی عددی بود تا گازگیری یخ، پراکندگی بخار آب و جذب نهایی آن توسط سیارات را پیگیری کند.
در طول این شبیه‌سازی‌ها، به‌سرعت مشخص شد که مدل می‌تواند تأمین آب زمین را توضیح دهد. تحقیقات اضافی درباره مقادیر آب در گذشته در مریخ و دیگر سیارات زمین‌سان، کاربرد مدل را برای آن‌ها نیز تأیید کرد. همه‌چیز با هم هم‌خوانی داشت و نتایج آماده انتشار بود!
به‌عنوان محقق، تنها طراحی یک مدل که کار کند و به نظر برسد که همه‌چیز را توضیح می‌دهد کافی نیست. این نظریه باید در مقیاس بزرگتری آزمایش شود. اگرچه اکنون امکان تشخیص دیسک بخار آبی که “سیارات زمین‌سان” را آبیاری کرده، وجود ندارد، ما می‌توانیم به سیستم‌های خارج از منظومه شمسی با کمربندهای سیارکی جوان نگاه کنیم تا ببینیم آیا چنین دیسک‌های بخاری وجود دارد یا نه.
طبق محاسبات ما، این دیسک‌ها، هرچند ضعیف، باید با ALMA قابل‌تشخیص باشند. تیم ما به‌تازگی زمان مشاهده از ALMA را به‌دست آورده است تا سیستم‌های خاصی را برای شواهد وجود این دیسک‌ها بررسی کند.
ما ممکن است در آستانه آغاز عصری جدید در درک منشأ آب زمین باشیم.
