یافتهای نوین: تعدادی از سیارهها قادرند آب را بدون وابستگی به منابع خارجی تولید نمایند
در عالم وسیع و حیرتانگیز سیارات فراخورشیدی، یکی از پرسشهایی که تحقیقات دانشمندان را به خود مشغول کرده، منبع آب در این اجرام آسمانی است. آب بهعنوان یکی از ارکان ضروری حیات، نقشی کلیدی در تلاشهای علمی برای کشف شرایط مساعد زندگی در خارج از زمین ایفا میکند. در این زمینه، پژوهشگران به تازگی متوجه شدهاند که برخی از این سیارات میتوانند آب را به طور خودکار و بدون نیاز به منبع خارجی تولید کنند.
در یک پژوهش تازه، محققان شرایط خاص برخی از سیارات فراخورشیدی را در آزمایشگاه با شبیهسازیهای دقیق بازسازی کردند. آنها با بهرهگیری از لیزرهای قدرتمند، کانی الیوین را در محیطی که گاز هیدروژن در آن وجود داشت، تحت فشار قرار دادند. در این شرایط، هیدروژن موفق به جداسازی اتمهای اکسیژن موجود در این مواد معدنی شد و سپس با آنها واکنش داده و آب را تولید کرد.
این یافته، توضیحی منطقی و نوین برای سیاراتی که بهطور قابل توجهی غنی از آب هستند و در نزدیکی ستارههای خود میچرخند، ارائه میدهد. دانشمندان بر این عقیدهاند که چنین فرایندی ممکن است در این سیارات اتفاق بیفتد و آب را درون آنها تولید کند. این کشف به سوالات قدیمی درباره منشأ آب در زمین نیز میافزاید و نشان میدهد که ممکن است بخشی از آب کره زمین از فرآیندهای مشابهی سرچشمه گرفته باشد.
تاکنون تعداد زیادی سیاره فراخورشیدی که در ابعاد و جرمهای بین زمین و نپتون قرار دارند، شناسایی شده است. بسیاری از این سیارات در مقایسه با زمین فاصله کمتری از ستارههای خود دارند. تجزیه و تحلیل تراکم این اجرام نشان میدهد که آنها به احتمال زیاد هستههای سنگی دارند که تحت پوشش لایهای قابل توجه از آب یا هیدروژن قرار گرفتهاند. با این حال، هنوز روشن نیست که چگونه این سیارات میتوانند به این میزان از آب برخوردار باشند.
در نظام خورشیدی، «خط برف» ناحیهای است که در آن دما پایین است و امکان تشکیل یخ وجود دارد. این ناحیه معمولاً در فاصلهای فراتر از مدار سیاره مریخ و نزدیک به مدار سیاره مشتری قرار گرفته است. سیاراتی که در درون این خط شکل میگیرند (نظیر زمین و زهره) عموماً دارای آب کمی هستند یا هیچگونه آبی ندارند، زیرا به دلیل دماهای بالا و تابش شدید خورشید، آب به سرعت تبخیر میشود. اما سیاراتی که در خارج از خط برف شکل یافتهاند (مانند زحل و نپتون) شرایط متفاوتتری دارند. در این نواحی، دما کاهش مییابد و به این ترتیب یخ و گازها میتوانند انباشته شوند. به همین دلیل، این سیارات غنی از ترکیبات آبی و گازی هستند.
در گذشته، اخترفیزیکدانان معتقد بودند که سیارات حاوی آب باید در فاصلهای بهمراتب دورتر از ستارههای خود شکل بگیرند و سپس به سمت ستاره حرکت کنند. اما پژوهش جدید نشان میدهد که تحت شرایط خاص، واکنشهای شیمیایی میان هیدروژن و مواد معدنی میتواند به تولید آب بهطور محلی کمک کند.
محققان با شبیهسازی شرایط سیارات فراخورشیدی، موفق شدند با کمک لیزر و فشار هیدروژن، مواد معدنی را به تولید آب وادارند.
شبیهسازی این شرایط در آزمایشگاه آسان نبوده و پژوهشگران بهمنظور رسیدن به دما و فشار مورد نیاز، نمونهها را در دستگاهی بهنام «سلول سندان الماس» قرار میهند. اما مولکولهای هیدروژن داغ ممکن است به درون ساختار کربنی الماس نفوذ کنند و آن را بشکنند.
دانشمندان با استفاده از لیزرهای پالسی (نه اشعه پیوسته) که به نمونهها تنها برای مدت کوتاهی گرما میدهند، موفق شدند میزان نفوذ هیدروژن را به حداقل برسانند. آزمایش بهطور موفقیتآمیز انجام شد و محققان از مقدار آب تولیدشده شگفتزده شدند. هورن میگوید: «هیچ سنگی باقی نمانده بود. تنها نتیجهای که بهدست آمد شامل فلز و آب بود.» در این آزمایشها، حدود ۱۸ درصد از جرم اولیه به آب تبدیل شد.
پژوهشگران بر این باورند که این فرآیند تولید آب ممکن است در ناحیه مرزی میان هسته سنگی سیاره و لایه گازی هیدروژنی آن جریان پیدا کند. در این حوزه، فشار و دما بهاندازهای بالا میرود که واکنشهای شیمیایی برای تولید آب آغاز میشود. مقدار نهایی آب موجود در این سیارات میتواند بین ۵ درصد تا ۲۸ درصد از جرم کلی سیاره متغیر باشد.
سیاراتی که به این شیوه آب تولید میکنند، احتمالاً بهعنوان سیارههای اقیانوسی عظیم شناخته میشوند که دو تا پنج برابر اندازه زمین هستند یا سیارههای نامیهای هایسین که اقیانوسهایی با لایهای ضخیم از هیدروژن روی آنها وجود دارد.
یافتهها نمایانگر این است که سیارات هایسین و سیارات اقیانوسی در حقیقت دو نوع مجزا نیستند، بلکه در یک بُعد مشترک جای میگیرند و اینکه چه سیارهای بهعنوان سیاره اقیانوسی یا هایسین شناخته میشود، بستگی به عواملی مانند فاصله از ستاره، اندازه و ترکیب اولیهاش دارد.
این تحقیق همچنین مباحث مربوط به زندهمانی در سیارات هایسین را به مراحل تازهای وارد کرده است. در حالی که پژوهشهای گذشته نشان میدادند که بیشتر آب این سیارات ممکن است در لایههای درونی آنها، یعنی گوشته، محبوس باشد و سطح آنها خشک بماند، مطالعه اخیر نشان میدهد که مقدار آب در این سیارات میتواند بیشتر از آنچه که پیشتر تصور میشد، باشد.
نتایج این تحقیق برای زمین نیز میتواند اثراتی داشته باشد. در حالی که شرایط فشار و دما بالا امروزه برای این واکنشها در زمین وجود ندارد، ممکن است در دوران اولیه زمین وجود داشته باشد. زمین نوین با جو غنی از هیدروژن میتواند فرآیندهای مشابهی را برای تولید آب آغاز کرده باشد.
این پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.
