آب روی زمین و بسیاری از اجرام منظومه شمسی وجود دارد، اما پرسش مهم دانشمندان این است که این آب از کجا آمده و در چه شرایطی شکل گرفته است. پژوهشی تازه با بررسی اجرام یخی دوردست، شواهدی از وجود آب باستانی در کمربند کویپر پیدا کرده که می‌تواند به شناخت بهتر ترکیب مواد اولیه سازنده منظومه شمسی کمک کند.
کمربند کویپر؛ مخزنی از مواد باقی‌مانده از تولد منظومه شمسی
کمربند کویپر ناحیه‌ای گسترده در ورای مدار نپتون است که از اجرام یخی و سنگی کوچک تشکیل شده است. این منطقه از حدود ۳۰ واحد نجومی نسبت به خورشید آغاز می‌شود؛ یعنی فاصله آن از خورشید تقریباً ۳۰ برابر فاصله زمین تا خورشید است.
اهمیت این ناحیه در آن است که بسیاری از اجرام آن از مواد اولیه‌ای تشکیل شده‌اند که از زمان شکل‌گیری منظومه شمسی، حدود ۴٫۵ میلیارد سال پیش، باقی مانده‌اند. به همین دلیل، مطالعه آن‌ها می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره شرایط شیمیایی و فیزیکی منظومه شمسی جوان در اختیار دانشمندان قرار دهد.
بااین‌حال، فرستادن فضاپیما به این منطقه و بازگرداندن نمونه به زمین بسیار دشوار و پرهزینه است. پژوهش جدید راه دیگری برای بررسی این مواد پیدا کرده است: مطالعه غبارهای کیهانی که خودشان از آن نواحی به زمین رسیده‌اند.
دانشمندان چگونه منشأ غبارهای کیهانی را تشخیص دادند؟
گروه پژوهشی به سرپرستی لیندسی کلر از مرکز فضایی جانسون ناسا، ۱۲ ذره غبار میان‌سیاره‌ای را بررسی کرد. این ذرات قطری بین ۱۰ تا ۳۰ میکرومتر داشتند و در نمونه‌هایی شناسایی شدند که هواپیماهای ارتفاع‌بالای ناسا از استراتوسفر زمین جمع‌آوری کرده بودند.
اما یک سؤال مهم وجود داشت: از کجا می‌توان فهمید ذره‌ای که در جو زمین پیدا شده، از کمربند کویپر آمده است؟
پاسخ در آثار به‌جامانده از سفر طولانی آن در فضا قرار داشت. ذرات پرانرژی خورشیدی هنگام برخورد با غبارهای میان‌سیاره‌ای، ردهایی در ساختار بلوری مواد معدنی ایجاد می‌کنند. این ردها مانند اثر زخم‌های میکروسکوپی باقی می‌مانند و می‌توان از تعداد آن‌ها برای تخمین مدت حضور ذرات در فضای میان‌سیاره‌ای استفاده کرد.
تراکم این آثار در ذرات بررسی‌شده حدود ۱۰۰ برابر بیشتر از مقداری بود که برای غبارهای کمربند سیارکی یا دنباله‌دارهای خانواده مشتری انتظار می‌رود. این ویژگی با منشأ بسیار دورتر، از جمله کمربند کویپر، سازگار است.
ترکیب شیمیایی ذرات نیز این فرضیه را تقویت کرد. آن‌ها مقدار زیادی کربن داشتند و در ساختارشان مواد معدنی آب‌دار دیده می‌شد.
وجود رس در غبارها چه چیزی درباره آب باستانی نشان می‌دهد؟
یکی از مهم‌ترین یافته‌های پژوهش، شناسایی مواد معدنی رسی مانند ساپونیت و سرپانتین بود. این مواد زمانی شکل می‌گیرند که آب با سنگ‌ها و مواد معدنی واکنش شیمیایی انجام دهد و ترکیب آن‌ها را تغییر دهد.
به بیان ساده، وجود چنین موادی نشان می‌دهد که اجرام مادر این ذرات در گذشته میزبان آب مایع بوده‌اند؛ حتی اگر امروزه در محیط بسیار سرد کمربند کویپر، آب عمدتاً به شکل یخ وجود داشته باشد.
دانشمندان احتمال می‌دهند که در دوران اولیه منظومه شمسی، برخی اجرام یخی بر اثر گرمای ناشی از واپاشی عناصر رادیواکتیو یا برخوردهای پرانرژی گرم شده باشند. این گرما می‌توانسته بخش‌هایی از یخ درون آن‌ها را ذوب کند و شرایط لازم برای واکنش آب با سنگ‌ها را فراهم آورد.
آب مایع احتمالاً مدت‌ها پیش از بین رفته است، اما مواد معدنی حاصل از واکنش‌ها بخشی از نشانه‌های شیمیایی آن را حفظ کرده‌اند.
راز اصلی در اکسیژن سنگین نهفته است
مهم‌ترین بخش کشف به ایزوتوپ‌های اکسیژن مربوط می‌شود. ایزوتوپ‌ها شکل‌های مختلف یک عنصر هستند که تعداد پروتون‌های یکسان، اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند.
اکسیژن در طبیعت سه ایزوتوپ پایدار مهم دارد:
| ایزوتوپ | تعداد پروتون | تعداد نوترون |
|---|---|---|
| اکسیژن ۱۶ | ۸ | ۸ |
| اکسیژن ۱۷ | ۸ | ۹ |
| اکسیژن ۱۸ | ۸ | ۱۰ |
اکسیژن ۱۶ فراوان‌ترین نوع این عنصر است؛ اما اکسیژن ۱۷ و ۱۸ جرم اتمی بیشتری دارند و به آن‌ها ایزوتوپ‌های سنگین‌تر گفته می‌شود.
نسبت این ایزوتوپ‌ها در مواد مختلف یکسان نیست. شرایط محیطی و واکنش‌های شیمیایی هنگام شکل‌گیری یک ماده می‌توانند ترکیب ایزوتوپی آن را تغییر دهند. به همین دلیل، نسبت ایزوتوپ‌های اکسیژن مانند یک اثر انگشت شیمیایی عمل می‌کند و اطلاعاتی درباره منشأ مواد در اختیار پژوهشگران می‌گذارد.
دانشمندان با اندازه‌گیری ترکیب ایزوتوپی مواد معدنی موجود در غبارها و بازسازی واکنش‌هایی که به شکل‌گیری آن‌ها منجر شده، ترکیب آب اولیه را تخمین زدند. نتیجه نشان داد آب دخیل در این واکنش‌ها از نظر ایزوتوپ‌های سنگین اکسیژن غنی بوده است.
این ترکیب با نشانه‌های شیمیایی آب موجود در برخی شهاب‌سنگ‌های کربن‌دار تفاوت دارد؛ موضوعی که از وجود یک مخزن آب مستقل در بخش بیرونی منظومه شمسی حمایت می‌کند.
نکته مهم: منظور از «آب سنگین» در این پژوهش، آب معمولی ساخته‌شده با ایزوتوپ‌های سنگین اکسیژن است؛ نه لزوماً آب سنگین رایج در شیمی، یعنی آبی که هیدروژن آن با دوتریوم جایگزین شده باشد.
نقش احتمالی زحل در حفظ آب اولیه منظومه شمسی
یکی از پرسش‌های مهم این است که چرا آب موجود در بخش بیرونی منظومه شمسی، ترکیب ایزوتوپی متفاوت خود را حفظ کرده و با مواد نزدیک‌تر به خورشید مخلوط نشده است.
پژوهشگران برای توضیح این موضوع به نقش سیارات غول‌پیکر اشاره می‌کنند. بر اساس مدل‌های مربوط به دوران اولیه منظومه شمسی، زحل ممکن است در دیسک گاز و غبار اطراف خورشید جوان، ناحیه‌ای با فشار بیشتر ایجاد کرده باشد.
چنین ساختاری می‌توانسته حرکت مواد به سمت بخش‌های داخلی منظومه شمسی را کند یا حتی متوقف کند. در این سناریو، زحل همراه با سیارات یخی بیرونی به حفظ یک مخزن آب با ترکیب شیمیایی متفاوت کمک کرده است.
البته این توضیح هنوز یک فرضیه مبتنی بر مدل‌سازی است و به معنای اثبات قطعی نقش زحل در جداسازی مخازن آب نیست.
چرا کشف ۱۲ ذره غبار اهمیت دارد؟
شاید بررسی تنها ۱۲ ذره غبار در نگاه اول برای نتیجه‌گیری درباره بخش بزرگی از منظومه شمسی کافی به نظر نرسد؛ اما اهمیت این نمونه‌ها به منشأ احتمالی و اطلاعات شیمیایی حفظ‌شده در آن‌ها مربوط می‌شود.
دانشمندان تاکنون برای مطالعه مواد اولیه منظومه شمسی تا حد زیادی به شهاب‌سنگ‌ها متکی بوده‌اند. مشکل این است که بسیاری از این سنگ‌ها در مناطقی شکل گرفته‌اند که مواد در آن‌ها بارها با یکدیگر مخلوط شده و دستخوش تغییرات شیمیایی شده‌اند. در نتیجه، بخشی از اطلاعات مربوط به ترکیب اولیه آب از بین رفته است.
در مقابل، غبارهای رسیده از نواحی دوردست می‌توانند نشانه‌هایی از محیطی را حفظ کرده باشند که میلیاردها سال کمتر تحت تأثیر تغییرات بخش داخلی منظومه شمسی قرار گرفته است.
پژوهشی در سال ۲۰۲۲ نیز تخمین زده بود که ممکن است تا یک‌چهارم غبار میان‌سیاره‌ای ورودی به بخش داخلی منظومه شمسی از کمربند کویپر منشأ گرفته باشد. بنابراین، احتمال دارد نمونه‌های بیشتری از این مواد در میان غبارهای جمع‌آوری‌شده از جو زمین وجود داشته باشند.
این کشف چه چیزی درباره تاریخ منظومه شمسی به ما می‌گوید؟
یافته جدید فقط درباره وجود آب در کمربند کویپر نیست؛ بلکه به تفاوت شرایط شیمیایی در بخش‌های مختلف منظومه شمسی اولیه اشاره دارد.
اگر تفسیر پژوهشگران درست باشد، آب در فاصله‌های مختلف از خورشید ترکیب ایزوتوپی یکسانی نداشته و برخی مخازن آب برای میلیاردها سال تا حد زیادی از یکدیگر جدا مانده‌اند. این موضوع می‌تواند به دانشمندان کمک کند مسیر شکل‌گیری آب در سیارات و اجرام کوچک منظومه شمسی را بهتر بازسازی کنند.
البته این پژوهش ثابت نمی‌کند که آب زمین مستقیماً از کمربند کویپر آمده است. نتیجه اصلی آن، شناسایی شواهدی از یک مخزن آب باستانی و غنی از اکسیژن سنگین در بخش بیرونی منظومه شمسی است.
این مطالعه با عنوان «یک مخزن آب سنگین اولیه در منظومه شمسی بیرونی» در تاریخ ۱۱ نوامبر ۲۰۲۶ در نشریه علمی Science Advances منتشر شده است.
منابع:
- ScienceAlert
- AAAS
- مقاله پژوهشی؛ A Primordial Heavy Water Reservoir in the Outer Solar System
