سیاره زمین چگونه تشکیل شد؟

با اینکه گردش سیاره‌ها به دور ستاره‌ها‌ی کهکشان‌ ها کاملا پذیرفته شده است، چگونگی تشکیل سیاره‌ها هنوز محل بحث و مجادله میان دانشمندان است. علی‌رغم تمام اطلاعاتی که در مورد منظومه‌ی شمسی وجود دارد، دانشمندان هنوز مطمئن نیستند سیاره‌ها چگونه به وجود آمده‌اند. در حال حاضر، هیچ نظریه‌ای نتوانسته است تمام پرسش‌های مطرح شده در مورد شکل‌گیری زمین را به طور کامل پاسخ دهد.

اولین و پذیرفته‌شده‌ترین نظریه، برافزایش (تجمع) هسته‌، به خوبی تشکیل سیاره‌های سنگی را توجیه می‌کند، اما در مورد نحوه‌ی به وجود آمدن غول‌های گازی دارای ابهاماتی است. دومین نظریه، ناپایداری دیسک، تا حدودی می‌تواند تشکیل غول‌های گازی را توضیح دهد.

پژوهشگرها با بررسی سیاره‌های فراخورشیدی می‌توانند به داده‌های بیشتری درباره‌ی شکل‌گیری زمین و دیگر سیاره‌های منظومه‌ی شمسی برسند.

در حدود ۴٫۶ میلیارد سال پیش، منظومه‌ی شمسی به شکل ابری متشکل از گاز و غبار، موسوم به سحابی خورشیدی بود. با چرخش این سحابی و فرو ریزش گرانشی مواد داخل آن، خورشید در مرکز ابر گازی شکل گرفت. با تشکیل خورشید، مواد باقیمانده در سحابی، رفته رفته بر روی هم انباشته شدند. ذرات کوچک تحت تاثیر نیروی گرانشی خورشید به یکدیگر چسبیدند، و ذرات بزرگتری را ایجاد کردند. بادهای خورشیدی، ذرات سبک‌تر، مانند هیدروژن و هلیوم را از مرکز سحابی دور کرد، و ذرات سنگین و سنگی در نزدیک خورشید باقی مانند که بعدا سیارات سنگی و خاکی از آنها تشکیل شد. اما از آنجا که قدرت بادهای خورشیدی در فواصل دور کمتر می‌شود، این ذرات فرصت این را یافتند که با درآمیختن با یکدیگر غول‌های گازی را به وجود آورند. به این ترتیب، سیارک‌ها، ستاره‌های دنباله‌دار، سیاره‌ها و قمر‌های آنها تشکیل شد.

در ابتدا، هسته‌ی سنگی زمین در اثر برخورد و ادغام عناصر سنگین تشکیل شد. مواد چگال‌تر به سمت مرکز زمین فرو رفتند و مواد سبک‌تر پوسته‌ی زمین را تشکیل دادند. احتمالا در همین دوره‌ی زمانی، میدان مغناطیسی زمین شکل گرفته است. بر اثر گرانش، مولکول‌های گازی در اطراف زمین به دام افتاده‌اند و اتمسفر زمین را به وجود آورده‌اند.

در اوایل دوره‌ی تکامل زمین، یک جرم آسمانی بزرگ با آن برخورد کرد که باعث شد تکه‌های بزرگی از زمین کنده شده و وارد فضای اطراف شوند، بر اثر گرانش زمین، قسمت بزرگی از این مواد به یکدیگر جوش خوردند و ماه را تشکیل دادند که از آن زمان در مدار زمین شروع به چرخیدن کرد.

حرکت مواد در زیر پوسته‌ی زمین باعث ایجاد صفحات زمین‌ساختی شد، به‌طوری که حرکت تکه‌های بزرگ سنگی روی زمین به شکل‌گیری پوسته انجامید. سایش و برخورد این صفحات با یکدیگر، باعث ایجاد کوهستان‌ها و آتش‌فشان‌هایی شدند که خود، گاز بیشتری را روانه‌ی اتمسفر زمین کردند.

امروزه تعداد سیارک‌ها و دنباله‌دارهایی که وارد منظومه‌ی شمسی می‌شوند بسیار اندک است، با این‌حال این اجرام در زمان جوانی خورشید و سیاره‌ها بیشتر بودند. احتمالا برخورد بین این اجرام کیهانی به جمع شدن آب روی سطح زمین انجامیده است.

سیاره‌ی زمین در منطقه‌ای موسوم به کمربند حیات یا گلدی‌لاکس قرار دارد؛ ناحیه‌ای نزدیک به ستاره که دما در آن، برای شکل‌گیری آب مایع روی سطح سیاره مناسب است. به عبارت دیگر، سیاره نه آنقدر سرد است که آب منجمد شود و نه آنقدر گرم است که تبخیر شود. به باور بسیاری از دانشمندان حضور زمین در چنین منطقه‌ای و وجود آب مایع، نقشی اساسی در شکل‌گیری حیات شناخته‌شده ایفا کرده است.

دانشمندان با بررسی و رصد سیاره‌های فراخورشیدی به این باور رسیده‌اند که مدل برافزایش هسته انطباق بیشتری با شکل‌گیری سیاره‌ها دارد. ستاره‌هایی که «فلز» بیشتری در هسته‌ی خود دارند، میزبان سیاره‌های عظیم‌تری نسبت به همتایان کم‌فلز خود هستند. البته این نکته را درنظر بگیرید که ستاره‌شناسان از اصطلاح فلز برای عناصر شیمیایی سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم استفاده می‌کنند. به نقل از ناسا، مدل برافزایش هسته ثابت می‌کند دنیاهای سنگی و کوچک باید رایج‌تر از غول‌های گازی سنگین‌تر باشند.

یکی از یافته‌هایی که اعتبار مدل برافزایش هسته را ثبات می‌کند، کشف سیاره‌ای عظیم با هسته‌ای سنگین در سال ۲۰۰۵ بود که در مدار ستاره‌ای خورشید مانند به نام HD 149026 قرار داشت. به باور گرگ هنری، ستاره‌شناس دانشگاه تنسی، این یافته تأییدی بر نظریه‌ی برافزایش هسته برای شکل‌گیری سیاره‌ها و فراوانی این نوع سیاره‌ها است.

سازمان فضایی اروپا در سال ۲۰۱۹ ماهواره‌ی توصیف‌گر سیاره‌های فراخورشیدی (CHEOPS) را پرتاب کرد که هدف اصلی آن بررسی سیاره‌های فراخورشیدی در طیف ابعادی ابرزمین تا نپتون بود. هدف دانشمندان از مأموریت‌های این‌چنینی بررسی دنیاهای دوردست و جمع‌آوری اطلاعات درباره‌ی احتمال تفاوت‌ شکل‌گیری سیاره‌ها در منظومه‌های ستاره‌ای مختلف است.

به گفته‌ی گروه CHEOPS، در سناریوی برافزایش هسته، هسته‌ی سیاره باید به جرمی مشخص برسد تا بتواند به جمع‌آوری گازهای اطراف بپردازد. این جرم معین به متغیرهای فیزیکی متعددی مثل سرعت برافزایش خرده‌سیاره‌ای بستگی دارد.

با اینکه مدل برافزایش هسته‌ به خوبی می‌تواند تشکیل سیاره‌های سنگی نزدیک خورشید را توضیح دهد، اما طبق این نظریه، غول‌های گازی برای نگه‌ داشتن حجم زیادی از گاز باید به سرعت رشد کنند. بااینحال شبیه‌سازی‌های انجام شده نتوانستند این حالت را بازآفرینی کنند. در این شبیه‌سازی‌ها فرآیند انباشته‌سازی گازها چند میلیون سال به طول می‌انجامند. از طرفی مدل برافزایش هسته تنها توضیح شکل‌گیری سیاره‌ها نیست.

طبق نظریه‌ی نسبتا جدید ناپایداری دیسک، خوشه‌های غبار و گاز در اوایل تشکیل منظومه‌ی شمسی به یکدیگر پیوند خورده بودند. به مرور زمان، این توده‌ها به یکدیگر فشرده شده و سیاره‌های بزرگی را به وجود آوردند. در این مدل، سیاره‌ها سریع‌تر از مدل برافزایش به وجود می‌آیند به‌طوری که گاهی زمان شکل‌گیری سیاره‌ها به چند هزار سال می‌رسد. این زمان اندک، فرصت خوبی برای جذب گازهای سبک و فرار است. با این مدل، احتمال سقوط سیاره‌ها به خورشید نیز منتفی می‌شود، چون این اجرام، سریع‌تر در مدار خود به پایداری می‌رسند.

اگر ناپایداری دیسک، فرآیند عمده‌ی شکل‌گیری سیاره‌ها باشد، باید شاهد تشکیل سیاره‌های بزرگ و به تعداد زیاد باشیم. چهار سیاره‌ی بزرگ که در فاصله‌ی قابل توجهی از ستاره‌ی HD 9700 قرار دارند، مدرکی عینی برای اثبات نظریه‌ی ناپایداری دیسک هستند. سیاره‌ی فراخورشیدی فم‌الحوت بی نیز که مدار بسیار بیضوی خود به دور ستاره‌اش را در مدت تقریبا ۱۷۰۰ سال زمینی کامل می‌کند، می‌تواند مثالی از ناپایداری دیسکی باشد. اما در این مورد آخر، این احتمال نیز می‌رود که سیاره به خاطر برهم‌کنش با اجرام همسایه، وادار شده است تا در چنین مدار دوردستی گردش کند.

بزرگ‌ترین چالش پیش روی مدل برافزایش هسته‌ای، مسئله‌ی زمان است. غول‌های گازی باید به سرعت تشکیل شوند، در غیر این صورت فرصت به دام انداختن عناصر سبک را از دست خواهند داد. اما گفتیم که شبیه‌سازی‌های انجام شده، زمان تشکیل غول‌های گازی را چند میلیون سال برآورد می‌کند. بااین‌حال مدلی جدیدتر موسوم به برافزایش سنگریزه می‌تواند این شکاف را پر کند. بر اساس این مدل اجرام کوچک‌تر در ابعاد سنگریزه برای تشکیل سیاره‌های عظیم‌تر با سرعتی هزار برابر سریع‌تر از مدل‌های دیگر پیوند می‌خورند.

به گفته‌‌ی هارولد لویسون ستاره‌شناس مؤسسه‌ی SwRI و مؤلف ارشد پژوهش مدل برافزایش سنگریزه‌ای، این مدل با ساختاری بسیار ساده برای سحابی خورشیدی آغاز می‌شود و به منظومه‌‌ی عظیمی که می‌شناسیم ختم می‌شود.

در سال ۲۰۱۲، میشل لامبرخت و اندرس یوهانس، پژوهشگران دانشگاه لاند سوئد این فرض را مطرح کردند که سنگریزه‌های کوچک از فرآیند شکل‌گیری می‌توانند راه‌حل صحیحی برای مسئله‌ی شکل‌گیری سیاره‌ها باشند.

لویسون به همراه تیمش، بر پایه‌ی همین تحقیق توانستند نحوه‌ی تشکیل سیاره‌هایی را که به شکل امروزی می‌بینیم، با استفاده از سنگ‌ریزه مدلسازی کنند. در حالی که شبیه‌سازی‌های قبلی نشان می‌داد که اجرام آسمانی با اندازه‌ی بزرگ یا متوسط، سنگ ریزه‌ها را با نرخ تقریبا ثابتی به خود جذب می‌کردند، اما بر اساس شبیه‌سازی‌های لوییس، سنگریزه‌ها با سرعت بیشتری به دام می‌افتند.

دانشمندان سعی می‌کنند با ادامه‌ی بررسی‌های خود بر روی سیاره‌های داخل و خارج از منظومه‌ی شمسی به شناخت بیشتری از فرآیند تشکیل زمین و همسایگان آن دست پیدا کنند.

زمین آغازین با زمین امروزی تفاوت‌های زیادی داشت. در ابتدا سطح زمین انباشته از ماگمای مذاب بود. در طی چند صد میلیون سال، سیاره ما شروع به سرد شدن کرد و اقیانوس‌های آب مایع شکل گرفتند. عناصر سنگین به سمت اقیانوس‌ها و ماگما به سمت مرکز زمین روانه شدند. به این ترتیب زمین لایه‌های متعددی پیدا کرد که لایه‌ی خارجی‌تری آن دربردارنده‌ی مواد سبک‌تر است و مواد چگال‌تر و سنگین‌تر به سمت مرکز زمین حرکت کردند.

به باور دانشمندان، زمین در سه مرحله به حالت فعلی خود رسیده است. مرحله‌ی اول که طبق بخش‌های قبل مقاله شکل‌گیری سیاره‌ی زمین بود. مرحله‌ی دوم شکل‌گیری زمین احتمالا برخورد زمین با یک پیش‌سیاره بوده است که در حدود ۴٫۵ میلیارد سال پیش رخ داد و براساس برخی احتمالات، عامل شکل‌گیری قمر زمین شد. اما مرحله‌ی نهایی بمباران زمین با شهاب‌سنگ‌ها بود.

جو آغازین زمین احتمالا ترکیبی از هیدروژن و هلیوم بود. با تغییرات سیاره‌ای و شکل‌گیری پوسته، فوران‌های آتشفشانی زیادی رخ دادند. این آتشفشان‌ها موادی مثل بخار آب، آمونیاک و کربن‌دی‌اکسید را وارد جو زمین کردند. به آرامی اقیانوس‌ها شکل‌ گرفتند و حیات آغازین در اقیانوس‌ها به تکامل رسید.

در مراحل اولیه‌ی شکل‌گیری زمین، سیارک‌ها به طور پیوسته زمین را بمباران می‌کردند. به باور دانشمندان سیارک‌هایی که به زمین، ماه و دیگر سیاره‌های داخلی منظومه‌ی شمسی برخورد کردند حاوی مقادیر زیادی آب در مواد معدنی خود بودند که برای شکل‌گیری حیات ضروری است. به نظر می‌رسد این سیارک‌ها با سرعتی بسیار بالا به زمین برخورد کردند و قطعاتی را از خود به جا گذاشتند. به عقیده‌ی برخی از پژوهشگرها نزدیک به ۳۰ درصد از آب موجود در سیارک‌ها در بخش‌هایی از سنگ‌های روی زمین باقی مانده است.

چند صد میلیون سال پس از این فرآیند یعنی در حدود ۲٫۲ تا ۲٫۷ میلیارد سال پیش، باکتری‌های فوتوسنتزکننده به تکامل رسیدند. این باکتری‌ها از طریق فرآیند فوتوسنتز، اکسیژن را در جو زمین آزاد کردند و به این ترتیب در بازه‌ای چند صدمیلیون ساله ترکیب جوی زمین به چیزی که امروز می‌شناسیم تبدیل شد. نزدیک به ۷۸ درصد از جو کنونی زمین را نیتروژن و ۲۱ درصد از آن را اکسیژن تشکیل می‌دهد.

مریم صفدری

اتمسفر زمین چگونه تنفس پذیر شد؟

مطالعه '12

با وجود ابهامات زیاد درباره‌ی شکل‌گیری زمین و دیگر سیاره‌های منظومه‌ی شمسی، سه مدل غالب پیشنهاد شده‌اند: برافزایش هسته، ناپایداری دیسک و برافزایش سنگریزه. مدل برافزایش هسته بیشتر درباره‌ی سیاره‌های سنگی و مدل ناپایداری دیسک درباره‌ی سیاره‌های گازی صدق می‌کند. با این حال مدل سوم یعنی برافزایش سنگریزه توانسته بسیاری از مشکلات دو مدل اول از جمله سرعت تجمع مواد را جبران کند. هنوز هیچ کدام از مدل‌ها قطعی نیستند و پژوهشگرها به بررسی‌های خود در این زمینه ادامه خواهند داد.