فرضیه‌ای کاملاً جدید که می‌تواند چگونگی شکل‌گیری زمین را آشکار کند

می‌خواهید حقیقتی بامزه را بدانید؟ ما نمی‌دانیم سیاره‌مان چگونه شکل گرفته است و تنها ایده‌ای کلی داریم؛ اما پی‌بردن به جزئیات دقیق آن دشوارتر از آن است که فکرش را می‌کنید. مدلی‌ داریم که درحال‌حاضر به‌عنوان محتمل‌ترین توصیف برای شکل‌گیری زمین پذیرفته شده است: زمین حاصل تجمع تدریجی سیارک‌ها است. بااین‌حال، حتی در این مدل هم حقایقی درباره‌ی شکل‌گیری سیاره‌‌مان وجود دارند که توضیحشان دشوار است.

پژوهشی جدید که ترکیبی از آزمایش و مدل‌سازی است، مسیر جدیدی را برای شکل‌گیری زمین نشان می‌دهد که بیشتر با خصوصیات زمین سازگار است. پائولو سوسی، دیرینه‌شناس در مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH)، درباره‌ی این موضوع می‌گوید:

براساس روایت رایج اخترفیزیک و شیمی کیهانی، زمین از سیارک‌های کندریتی (نوعی سنگ کیهانی) شکل گرفته است. این مواد بلوک‌های ساده‌ی سنگی‌فلزی نسبتاً کوچکی هستند که در اوایل حیات منظومه‌ی شمسی شکل‌ گرفتند. مشکل این نظریه آن است که هیچ ترکیبی از این کندریت‌ها نمی‌توانند ترکیب دقیق زمین را توجیه کنند؛ چراکه زمین کمتر از آنچه فکرش را می‌کنیم، عناصر فرّار و سبکی مثل هیدروژن و هلیوم دارد.

بدین‌ترتیب، علامت سؤال‌های متعددی درباره‌ی فرایند شکل‌گیری سیاره به‌وجود می‌آید؛ اما دانشمندان فقط می‌توانند تصویری کلی را ارائه دهند. وقتی ستاره‌ای از توده‌ی متراکم ماده در ابر مولکولی گاز و غبار شکل‌ می‌گیرد، مواد اطراف آن به‌شکل دیسکی درمی‌آیند که دورتادور ستاره‌ی در حال رشد می‌چرخند.

دیسک گاز و غباری نه‌تنها بر رشد ستاره تأثیر می‌گذارد؛ بلکه دیگر مواد متراکم درون این دیسک هم به‌شکل توده‌های کوچک‌تر و سردتر درمی‌آیند. توده‌های کوچک در درجه‌ی اول با نیروی الکترواستاتیک و سپس با نیروی گرانش با یکدیگر برخورد می‌کنند و به یکدیگر می‌چسبند و اجرام بزرگ‌تری را به‌وجود می‌آورند که می‌توانند یک سیاره را تشکیل دهند. به این مدل، تجمع گفته می‌شود که شواهد عینی زیادی هم برای آن وجود دارند.

اگر سنگ‌هایی که به یکدیگر می‌چسبند از نوع کندریت باشند، بازهم پرسش بزرگ دیگری درباره‌ی عناصر فرّار و سبک‌تر مطرح می‌شود. دانشمندان توصیف‌های مختلفی را برای این مسئله در نظر گرفتند. برای مثال، به‌باور آن‌ها در طول برخوردها گرمایی تولید می‌شود که به تبخیر عناصر سبک‌تر انجامیده است. بااین‌حال، فرضیه‌ی مذکور هم لزوماً صحیح نیست: گرما می‌تواند ایزوتوپ‌های عناصر سبک‌تر را تبخیر کند که نوترون کمتری دارند؛ اما ایزوتوپ‌های سبکی که روی زمین وجود دارند، ازنظر نسبت کاملاً مشابه ایزوتوپ‌هایی هستند که در کندریت‌ها پیدا شدند.

سوسی و همکاران او احتمال دیگری را نیز بررسی کردند: سنگ‌هایی که برای تشکیل زمین با یکدیگر ترکیب شدند، از نوع سیارک‌های کندریتی نبودند؛ بلکه خرده‌سیاره بودند. این بدنه‌های بزرگ‌تر که هسته‌ی سیاره‌ هم نامیده می‌شوند، به‌اندازه‌ی کافی رشد کردند تا هسته‌ای جدا داشته باشند. سوسی معتقد است:

مدل‌های داینامیک که براساس آن‌ها سیاره‌ها را شبیه‌سازی می‌کنیم، نشان می‌دهند سیاره‌های منظومه‌ی شمسی به‌صورت تدریجی رشد کردند. ذرات کوچک به‌مرور‌زمان ازطریق کشش گرانشی به خرده‌سیاره‌هایی در ابعاد کیلومتری تبدیل شدند. علاوه‌براین، خرده‌سیاره‌هایی که در نواحی مختلف اطراف خورشید جوان یا در بازه‌های زمانی مختلف شکل گرفتند، می‌توانند ترکیب شیمیایی بسیار متفاوتی داشته باشند.

دانشمندان شبیه‌سازی‌های N جرمی را اجرا کردند و بدین‌ترتیب، متغیرهایی مثل تعداد خرده‌سیاره‌ها را در راستای سناریو «انتقال بزرگ» تغییر دادند. براساس این سناریو، سیاره مشتری در اوایل شکل‌گیری به خورشید نزدیک شد و سپس دوباره به موقعیت فعلی خود بازگشت.

درواقع، زمین محتمل‌ترین خروجی شبیه‌سازی‌ها است. نتایج مذکور نه‌تنها برای درک منظومه‌ی شمسی و ترکیب‌های مختلف سیاره‌های سنگی آن، بلکه برای درک منظومه‌های سیاره‌ای دیگر هم اهمیت دارند. سوسی بیان می‌کند:

گرچه این نظریه هنوز در حد حدس‌وگمان است، آن را بسیار شاخص می‌دانیم. حالا نه‌تنها درباره‌ی مکانیزم شکل‌گیری زمین اطلاعاتی را به‌دست آوردیم؛ بلکه مرجعی هم برای توجیه شکل‌گیری دیگر سیاره‌های سنگی داریم. پژوهش ما نشان می‌دهد درنظرگرفتن متغیرها و ویژگی‌های شیمیایی چقدر بر درک شکل‌گیری سیاره‌ها تأثیر می‌گذارند. امیدوارم یافته‌هایمان، زمینه‌ای برای همکاری نزدیک‌تر بین پژوهشگران در هر دو زمینه باشند.

پژوهش ذکرشده در Nature Astronomy منتشر شد.