“سیارات شبیه زمین” شاید خیلی زودتر شکل گرفتند!
بیگ بنگ: شاید سیارات سنگی بسیار زودتر از آنچه تاکنون تصور میکردیم، یعنی تقریباً به محض اینکه نخستین ستارهها مواد اولیه لازم برای ساخت آنها را در جهان پخش کردند، شروع به شکلگیری کرده باشند.
به گزارش بیگ بنگ، شبیهسازیهای کامپیوتری جدید نشان میدهند که سیارهوارهها (planetesimals)، یعنی اجرام جامدی که پیشساز سیاراتی مانند زمین هستند، ممکن است تنها حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ شکل گرفته باشند. در آن زمان، جهان کمتر از یک درصد سن کنونی خود را داشت و نخستین نسلهای ستارهای تازه داشتند ترکیب شیمیایی کیهان را تغییر میدادند.
این یافته، آغاز احتمالی شکلگیری سیارات سنگی را میلیاردها سال به عقب میبرد و این احتمال را مطرح میکند که محیطهایی با قابلیت بالقوه برای میزبانی حیات نیز بسیار زودتر از چیزی که دانشمندان تصور میکردند، پدیدار شده باشند.
نخستین ستارهها چگونه مواد لازم برای ساخت سیارات را فراهم کردند؟
بیگ بنگ، جهانی را به وجود آورد که تقریباً بهطور کامل از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بود و تنها مقادیر بسیار کمی از چند عنصر سبک دیگر در آن وجود داشت. اما عناصر سنگینتری مانند کربن، اکسیژن، آهن و سیلیکون که برای ساخت سیارات سنگی ضروریاند، بعدها درون ستارهها ساخته شدند.
نخستین ستارههای جهان که به آنها ستارههای جمعیت سوم (Population III یا Pop III) گفته میشود، احتمالاً بسیار پرجرم بودند. هنگامی که برخی از این ستارهها در پایان عمر خود منفجر شدند، عناصر سنگینی را که درونشان ساخته بودند در فضا پراکنده کردند.
به این ترتیب، ابرهای گازی اولیه و تقریباً دستنخورده کیهان به موادی غنیتر و پیچیدهتر تبدیل شدند؛ موادی که بعدها میتوانستند ستارهها و حتی سیارات را شکل دهند.
ابرنواخترهایی که جهان اولیه را با عناصر سنگین بذرپاشی کردند
یکی از انواع بسیار شدید این انفجارها، ابرنواختر ناپایداری جفتی (Pair-Instability Supernova) است که احتمال میرود در برخی ستارههای فوقالعاده پرجرم رخ داده باشد.
در این نوع انفجار، ستاره ممکن است بهطور کامل متلاشی شود و برخلاف بسیاری از ابرنواخترها، بقایای متعارف ستارهای از خود باقی نگذارد. چنین انفجاری میتواند مقدار عظیمی از عناصر تازهساختهشده را در محیط اطراف پخش کند.
مدلها نشان میدهند که برخی از این ابرنواخترهای متعلق به نخستین نسل ستارهها ممکن است بیش از ۱۰۰ برابر جرم خورشید، عناصر سنگین را به فضای اطراف پرتاب کرده باشند.
این عناصر سپس با گازهای اطراف مخلوط شدند و میزان «فلزیّت» آنها را افزایش دادند؛ در اخترشناسی، فلزیّت به مقدار عناصر سنگینتر از هیدروژن و هلیوم گفته میشود. وقتی مقدار این عناصر به اندازه کافی افزایش پیدا کند، امکان تشکیل دانههای جامد غبار و در نهایت مواد اولیه سیارات فراهم میشود.
شبیهسازی شکلگیری سیارات تنها ۱۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ
پژوهشگران به سرپرستی دانشمندانی از جمله “دنیل وِیلن” از دانشگاه پورتسموث، بررسی کردند که پس از این مرحله چه اتفاقی میتواند رخ دهد. “دنیل ویلن” میگوید شبیهسازیهای جدید نشان میدهند که پیشسازهای سیارات سنگی میتوانستهاند در اطراف ستارههایی کمجرم و بسیار بادوام، در بقایای نخستین انفجارهای کیهانی، تنها ۱۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ شکل بگیرند.
برای درک بهتر این زمانبندی، جهان امروز حدود ۱۳.۸ میلیارد سال قدمت دارد؛ بنابراین این فرایند میتوانسته تقریباً در همان آغاز تاریخ کیهان رخ داده باشد. در این شبیهسازیها، گاز غنیشده تحت تأثیر گرانش فرو ریخت و ستارهای نسبتاً کوچک شکل گرفت که یک قرص پیشسیارهای چرخان در اطراف خود داشت؛ ساختاری که شباهت زیادی به محیطی دارد که سیارات منظومه شمسی ما نیز در آن شکل گرفتند. با این تفاوت که این منظومه در طلوع کیهانی وجود داشت؛ زمانی که جهان هنوز بسیار جوان بود.
آیا مواد کافی برای ساخت سیارات سنگی وجود داشت؟
در مدل پژوهشگران، ستاره تازهمتولدشده حدود ۷۰ درصد جرم خورشید را داشت. در اطراف آن، غبار و دیگر مواد جامد درون قرص پیشسیارهای جمع شدند و بهتدریج شروع به تشکیل سیارهوارهها کردند.
سیارهوارهها یکی از مراحل مهم در مسیر شکلگیری سیارات هستند. ابتدا دانههای کوچک غبار با یکدیگر برخورد میکنند و به هم میچسبند. سپس این ذرات بهتدریج اجرام بزرگتری میسازند. پس از شکلگیری سیارهوارهها، برخوردها و برهمکنشهای گرانشی میتوانند در نهایت به تشکیل هستههای سیارهای و سیارات کامل منجر شوند.
شبیهسازیها نشان دادند که در فاصلهای حدود ۰.۵ تا ۱ واحد نجومی (AU) از ستاره، چند برابر جرم زمین مواد لازم برای ساخت سیارهوارهها وجود داشته است. یک واحد نجومی تقریباً برابر با فاصله متوسط زمین تا خورشید، یعنی حدود ۱۵۰ میلیون کیلومتر است.
به گفته ویلن، در این شبیهسازی، مقدار مواد جامد موجود در قرص پیشسیارهای به اندازهای بود که میتوانست چند برابر جرم زمین، مواد اولیه سیارات را در فاصلهای تقریباً مشابه فاصله زمین از خورشید ایجاد کند.
البته سیارهوارهها فقط نقطه آغاز شکلگیری سیارات سنگی هستند و عوامل مختلفی میتوانند این فرایند را متوقف کنند. اما اینکه چنین حجم عظیمی از مواد سازنده سیارات در این زمان بسیار زود وجود داشته، نشان میدهد که کمبود مواد اولیه احتمالاً مانع شکلگیری سیارات سنگی برای میلیاردها سال نشده است.
آب حتی در این منظومه باستانی هم وجود داشت
یکی از شگفتانگیزترین ویژگیهای این قرص پیشسیارهای، وجود آب بود. پژوهشهای قبلی ویلن و همکارانش نشان داده بود که آب میتواند در ابرهای متراکم و غنیشده از بقایای ابرنواخترهای اولیه، تنها ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ شکل بگیرد.
برخی از این ابرها حتی به غلظتهایی از آب رسیده بودند که تنها چند برابر کمتر از مقدار آب موجود در زمان شکلگیری منظومه شمسی بوده است. شبیهسازی جدید این سناریو را یک مرحله جلوتر میبرد و نشان میدهد که چنین آب و موادی میتوانستهاند وارد مرحله شکلگیری سیارات شوند.
ویلن میگوید یکی از شگفتانگیزترین نتایج این بود که قرص پیشسیارهای مقدار قابلتوجهی آب داشت؛ تنها چند برابر کمتر از مقداری که هنگام شکلگیری منظومه شمسی در دسترس بود.
این یعنی سیاراتی که در چنین محیطی شکل میگرفتند، از نظر تئوری میتوانستند آب را به روشی مشابه زمین دریافت کنند؛ چراکه یکی از فرضیههای اصلی درباره منشأ آب زمین این است که بخش زیادی از آن توسط موادی که از فرایند شکلگیری سیارات باقی مانده بودند، به زمین منتقل شده است.
البته سیارهوارههایی که در این شبیهسازی تشکیل شدند، داخل خط برف آب (Water Snowline) قرار داشتند؛ یعنی منطقهای که دمای آن معمولاً برای باقی ماندن حجم زیادی از آب به شکل یخ، بیش از حد بالا است. بنابراین این سیارهوارهها در ابتدا نسبتاً خشک بودند.
اما این موضوع لزوماً به معنای خشک ماندن سیارات نیست. پژوهشگران معتقدند سیارات در حال رشد میتوانستند بعدها آب را از موادی دریافت کنند که در فاصلههای دورتری از ستاره شکل گرفته بودند؛ چیزی شبیه به سناریوهایی که برای انتقال آب به زمین اولیه پیشنهاد شده است.
آیا برخی از این منظومههای باستانی هنوز وجود دارند؟
اینجاست که ماجرا حتی جذابتر میشود. ستارهای که در این شبیهسازی شکل گرفته، یک ستاره کمجرم بود؛ نه یکی از ستارههای غولپیکری که عناصر سنگین اولیه را تولید کرده و سپس منفجر شده بودند. ستارههای کمجرم میتوانند عمر فوقالعاده طولانی داشته باشند.
پژوهشگران میگویند ستارهای با جرمی حدود ۴۰ درصد جرم خورشید که در آن دوران بسیار ابتدایی شکل گرفته باشد، حتی ممکن است امروز نیز همچنان در حال درخشیدن باشد. این احتمال هیجانانگیزی را مطرح میکند که شاید بقایای نخستین دوران شکلگیری سیارات در جهان هنوز در کهکشان راه شیری وجود داشته باشند و بتوان آنها را در آینده، با جستوجوی ستارههای بسیار قدیمی و فقیر از عناصر سنگین، شناسایی کرد.
حتی محاسبات نشان میدهند که در شرایط مناسب، قرصهای پیشسیارهای مشابه و غنی از آب ممکن بودهاند تنها ۵۰ تا ۱۰۰ میلیون سال پس از بیگ بنگ شکل بگیرند.
سیارات سنگی شاید میلیاردها سال پیش از زمین وجود داشتهاند
اگر این سناریو درست باشد، زمان در دسترس برای تکامل سیارات در جهان بهشدت تغییر میکند. زمین حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش شکل گرفته است؛ یعنی بیش از ۹ میلیارد سال پس از بیگ بنگ. اما یک جهان سنگی که در طلوع کیهانی متولد شده باشد، میتوانسته میلیاردها سال پیش از زمین وجود داشته باشد.
البته هنوز نمیدانیم آیا چنین سیاراتی واقعاً شکل گرفتهاند، آیا توانستهاند برای مدت طولانی دوام بیاورند یا حتی شرایط مناسب برای شکلگیری حیات را پیدا کردهاند یا نه. این مطالعه بر پایه شبیهسازیهای عددی است، نه مشاهده مستقیم یک منظومه سیارهای باستانی. ضمن اینکه جهان اولیه محیطی بسیار متفاوت و اغلب خشن و پرآشوب داشته است.
بااینحال، این پژوهش یک نکته اساسی را نشان میدهد: مواد و فرایندهای فیزیکی لازم برای آغاز شکلگیری سیارات سنگی ممکن است تنها مدت بسیار کوتاهی پس از تولد نخستین ستارهها در جهان فراهم شده باشند.
ویلن در پایان میگوید: اگر شرایط لازم برای شکلگیری سیارات واقعاً خیلی زودتر از آنچه پیشتر تصور میکردیم وجود داشته، یک پرسش شگفتانگیز مطرح میشود: آیا جهان میتوانسته میلیاردها سال پیش از شکلگیری زمین، میزبان دنیاهایی بالقوه قابلسکونت بوده باشد؟
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: scitechdaily.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=109909
