انضم إلينا
اغلاق
"سر الحياة الغامض".. كيف وصلت المياه لكوكب الأرض؟

"سر الحياة الغامض".. كيف وصلت المياه لكوكب الأرض؟

New Scientist

مجلة علوم وتكنولوجيا
  • ض
  • ض

تمتاز مدينة ميلتون كينز باختلاف مريب يكمن في كونها المدينة التي يفترض أنها تضم أكثر الدوّارات في شوارع المملكة المتحدة. إنها ليست بالمكان الذي قد تتوقع أن يكون محور جدل كبير حول التاريخ السحيق لكوكب الأرض.

 

ومع ذلك، يوجد في ضواحيها معمل يضم مجموعة أنابيب معدنية وأسطوانات وأسلاك ولوحة تحكم تظهر مجمعة في جهاز بحجم سيارة صغيرة. وقد استخدمنا أنا وزملائي ذلك لإجراء أكثر القياسات دقة على الإطلاق على الصخور التي تحمل آثار الغلاف الجوي الأول للأرض؛ نعتقد أن هذه القياسات يمكن أن تطرح سرا علميا محيرا.

 

هذا الكوكب عالم خصب من الأنهار والبحيرات والجداول، لكنه لا ينبغي أن يكون كذلك، وفقا لتفسيرنا التقليدي لماضي كوكب الأرض. إن قياساتنا في الجامعة المفتوحة في ميلتون كينز تدل بشكل قوي على أن هذا التفسير التقليدي لم يعد صالحا. إن القصة الحقيقية لكيفية حصول الأرض على مياهها تبدو أكثر غرابة من ذلك. إذا كنا محقين، فهذا يعني أن الماء وربما الحياة التي تزدهر في هذا الكوكب هي على الأرجح أكثر انتشارا في الكون مما كنا نتجرأ على تخيّلها.

   

   

ولفهم السبب وراء عدم وجود الكثير من المياه على الأرض، نحتاج إلى العودة بالزمن لأكثر من 4.6 مليار سنة. الشمس اليافعة تسطع وتحيط بها عاصفة من الغاز والغبار الذي سيتجمّع ليكوّن الكواكب. كل المياه موجودة على شكل جليد في الفضاء النجمي. إذا وجد أي من هذا الجليد نفسه في الجزء الداخلي من النظام الشمسي حيث ستتشكل الكواكب الصخرية [1] مثل الأرض، فإن الحرارة والإشعاع يقسمها إلى ذراتها المكوِّنة والتي تشمل الهيدروجين والأكسجين. يعني ذلك أن المواد التي شكّلت الأرض لا ينبغي أن تحتوي على ذرّة من الرطوبة.

 

دعونا نتخيل بطريقة ما أن المياه البينجمية (بين النجوم (Interstellar)) نجت من عملية تشكيل النجوم المضطربة لكي تتكثف في محيطات على سطح الأرض. عندئذ سيكون لديها نزر ضئيل من التأثير الذي شكّل القمر لكي تتأقلم معه. هناك العديد من التفاصيل المتنازع عليها حول كيفية تشكّل القمر، لكن أفضل فهم لدينا هو أن جسما بحجم المريخ يُدعى "ثيا" اصطدم بالأرض منذ نحو 4.5 مليار سنة ويُطلق على ذلك نظرية الاصطدام العملاق. الإجماع العلمي هو أن التأثير كان ملحميا لدرجة أنه بخّر كوكبنا. وقد انحصر بعض من سحابة الغاز هذه في القمر بينما انهار بعضها الآخر بفعل قوة جاذبيتها لإعادة تشكيل الأرض. وكان الرأي التقليدي هو أن الماء لم يكن ممكنا أن ينجو من هذا. قد لا تُشكّل المياه الحرة سوى نسبة ضئيلة من إجمالي المواد الموجودة على الأرض، ولكن هناك أكثر مما يكفي للجميع: نحو 1.3 مليار كيلومتر مكعب في المحيطات فقط.

 

في الأعماق

اعتاد العديد من علماء الكواكب الاعتقاد بأن الأرض يجب أن تكون قد تلقّت مياهها بعد تشكّل القمر عن طريق عملية توصيل خاصة من الفضاء. كان من الممكن أن يكون السُعاة الذين قاموا بتوصيل المياه عبارة عن مذنبات وكويكبات تشكّل الكثير منها بعيدا عن الشمس لبقاء المياه على قيد الحياة فيهم. أمطرت هذه الصخور الفضائية علينا في وفرة خلال فترة تُعرف باسم القشرة المتأخرة (the late veneer)، بعد فترة قصيرة من تشكيل القمر. جلبت هذه الأجسام معها مخزونا من المعادن الثمينة والمواد العضوية والمركبات المتطايرة بما في ذلك المياه. يمكننا أن نرى دليلا على هذا رشق الحجارة بلا انقطاع إذا نظرنا إلى الأعلى: لا يزال سطح القمر مرسوما بالحفر الناتجة عن ارتطام المذنبات والكويكبات.

 

لا ريب أن الأرض قد تعرضت للقصف بهذه الطريقة. لكن فكرة أن مقذوفات كونية قد أوصلت المياه إلى كوكب الأرض ضُرِب بها عرض الحائط عندما اكتشف مسبار روزيتا الذي زار المذنب "67P/Churymov-Gerasimenko" في 2014 أن المياه الموجودة هناك كانت نوعا خاطئا من المياه، أي لم تتوافق مع مياه الأرض.

   

   

جميع العناصر الكيميائية -بما في ذلك تلك الموجودة في جزيئات الماء- تأتي في أصناف تُسمى نظائر لها كتل مختلفة [2]. لم تتناسب نسب النظائر المختلفة للهيدروجين في ماء الأرض مع نظائرها في مياه المذنب، وكان ذلك فشلا ضمن سلسلة طويلة من المحاولات. لعشرات السنين، كان الفلكيون يبحثون عن مذنب أو كويكب يحتوي على النوع الصحيح من المياه مع المزيج الصحيح من العناصر الأخرى التي نعرف أنها سُلِّمت في فترة القشرة المتأخرة. حتى الآن، لا توجد مياه متوافقة مع مياه كوكبنا. يقودنا ذلك إلى طريق مسدود. تقول روايتنا حتى الآن إنه لا ينبغي أن تكون المياه موجودة عندما تشكّلت الأرض. لا ينبغي أن تكون قد نجت من تأثير تشكيل القمر. ويبدو أن مياهنا لا يمكن توصيلها بأي مذنب أو كويكب نعرفه.

 

لم أكن أرغب مطلقا في التورّط في هذا اللغز المستعصي؛ يرجع السبب في ذلك إلى رسالة دكتوراه في منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عندما كنت أبحث في الصخور التي نشأت من الحدود بين لب الأرض والستار [3]. انبثقت هذه العينات إلى السطح قبل ملايين السنين من خلال صعود الصخور الساخنة المسماة أعمدة الستار [4]. يحدث ذلك فقط في أماكن نادرة مثل جزيرة بافين في كندا، وغرينلاند الغربية بالنسبة للعينات التي عملت عليها. نظرت إلى جيوب صغيرة من الغاز عالقة في هذه الصخور. كل جيب عبارة عن كبسولة زمنية، مما يسمح لك بدراسة عينة من الغلاف الجوي لبدايات الأرض لم يمسسها أحد من قبل.

 

قبل بضع سنوات، بدأت العمل مع ريتشارد غرينوود في الجامعة المفتوحة الذي ساعد في بناء تلك الآلة الغريبة على ما يبدو. في الواقع، إن تلك الآلة عبارة عن مطياف الكتلة الدقيقة، والتي يمكنها فصل وقياس النظائر في عينات الصخور. كان جرين وود وزملاؤه يعدّلون به منذ سنوات، وقد وصلوا أخيرا إلى نقطة يستطيعون فيها إجراء قياسات دقيقة بشكل لا يصدق لنظائر الأكسجين في عينات صغيرة من الصخور.

 

قررنا مقارنة عينات الصخور التي درستها خلال رسالة الدكتوراه مع صخور القمر التي جمعها رواد فضاء أبولو. كنا نظن أن بوسعنا إيجاد حل للجدل الطويل حول ما إذا كان هناك أي فرق نظائري بين القمر والأرض. إذا كانت القصة التي نخبر بها أنفسنا عن تشكل الأقمار صحيحة، فيجب أن يكون هناك تطابق بين نظائر الجسمين الفضائيين (الأرض والقمر). عندما تبخرت الأرض أثناء فرضية الاصطدام العملاق، كان ينبغي اختلاط نظائر جميع العناصر ثم توزيعها بالتساوي بين الاثنين. تم تنفيذ سلسلة طويلة من القياسات لنظائر كلا الجسمين، تبيّن أولا أن هناك اختلافا، ثم لم يكن هناك اختلاف، ثم مرة أخرى ظهر اختلاف؛ كانت فوضى عارمة.

   

   

تماما مثل القمر

أظهرت تحليلاتنا الأكثر دقة أن هناك اختلافا بسيطا وواضحا بين تركيب النظائر للأرض والقمر، ولكن يمكن اعتبار أن السبب الكامن وراء ذلك هو صخور الفضاء التي قصفت كوكبنا خلال فترة القشرة المتأخرة، ما يعني أنه من الممكن للنظائر في الأرض والقمر أن تكون بدأت بالطريقة نفسها.

 

في محاولة إغلاق النقاش الباطني حول الأرض والقمر، انتهى بنا الأمر إلى تسليط الضوء على لغز مياه كوكبنا. واستنادا إلى استنتاجاتنا، يمكننا أن نقول إن 70% على الأقل من الماء على الأرض اليوم كان موجودا قبل تشكّل القمر. أقل من تلك النسبة كان سيتطلب أن يكون هناك المزيد من الارتطامات من الأجسام الفضائية لتوصيل ما تبقّى من الماء. من ناحية أخرى، إذا كان الأمر كذلك، كنا نتوقع رؤية فرق أكبر بين التركيبات النظائرية مقارنة بما وجدناه فعلا.

 

ولكن تمهّل: ألم نكن قد قلنا بالفعل إنه من المستحيل أن تكون مياه الأرض هنا قبل تشكّل القمر؟

على عكس ما يبدو، أظهرت بعض الدراسات الحديثة أنه كان من الممكن التمسك بالسائل الذي يعطي الحياة لكوكبنا من خلال هذه الكارثة. على سبيل المثال، تظهر محاكاة الكمبيوتر لسحابة البخار -والتي طورها روبن كانوب في معهد ساوث ويست للأبحاث في تكساس في عام 2015- أنه كان يمكن أن يكون لديها ما يكفي من الجاذبية للتشبث بالمياه التي تبخرت.

 

ومع ذلك، كان على المياه أولا أن تزيل حاجزا آخر: الصمود في وجه درجات الحرارة العالية للأرض قبل تأثير تكوين القمر. كان هذا الدهر الجهنمي أو الحياة الخفية (Hadean)، وهو أحد دهور الزمن الجيولوجي والذي بدأ بتكوّن الأرض، وسمي بالجهنمي لأنه كان حارا جدا. يبدو وكأنها بيئة من الصعب أن تنجو المياه فيها، لكن البعض يعتقد الآن أن أي مياه يحتويها كوكبنا يمكن أن تحشر داخل المعادن في عمق طبقة الستار. ويقول آخرون إن الأرض قد تبرد بدرجة كافية بحيث يمكن أن تكون قشرة صخرية قد تشكّلت فوق السطح المنصهر، مغلقة على المياه في باطنها.

  

   

هناك تطور أغرب من ذلك، وهو أن بعض المياه لم يفلح في البقاء على قيد الحياة في الظروف الجهنمية للسنوات الأولى من الأرض وتأثير تكوين القمر، وأن المياه قد تكون أقدم من كوكبنا نفسه. يأتي هذا الاستنتاج من ملاحظات الهيدروجين ونظيره الديوتيريوم [5] في الماء داخل المذنبات والكويكبات والكواكب والفضاء البينجمي. يحتوي الفضاء البينجمي على آثار للمياه بنسبة عالية من الديوتيريوم إلى الهيدروجين. ما يعني أن هذا انعكاس البيئة؛ فالفضاء البينجمي بارد ويقصف باستمرار بواسطة الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية، وينتج الظروف التي تفضل إدراج الديوتيريوم في الجليد.

 

اكتشفنا أيضا أن جميع الكائنات -المذنبات والكويكبات والكواكب- في المجموعة الشمسية تحتوي على كميات كبيرة من الديوتيريوم في مياهها. ذلك غريب، إذا كانت هذه المياه في الأصل بينجمية، فيجب أن تكون قد وصلت بطريقة ما إلى النظام الشمسي الداخلي خلال سنواتها الأولى. عندما وصلت المياه، كان ينبغي لأشعة الشمس اليافعة الشديدة تفتيتها إلى ذراتها المكونة. عندما تجمّعت مجددا لتكوين المياه التي انتهى بها المطاف على الكوكب، كان ينبغي أن يتم التقاط المزيد من الهيدروجين العادي أكثر مما نراه بالفعل، وهذا لغز آخر.

  

قبل بضع سنوات، أقام فريق بقيادة إيلسي كليفز -التي تعمل الآن في مركز هارفارد سميثونيان للفيزياء الفلكية- محاكاة للنظام الشمسي المبكر للتحقيق فيما إذا كانت هناك أي أجزاء من قرص الغاز والغبار التي تشكّلت حول الشمس اليافعة التي قد تكون قادرة على تصنيع المياه مع الديوتيريوم الزائد، ربما الأماكن التي كان فيها الكثير من الإشعاع. لكنهم لم يتمكنوا من العثور على أي من ذلك.

 

يقودنا ذلك إلى الاستنتاج المدهش أن مياه كوكبنا ليست فقط أقدم من القمر، بل لا بد أنها أتت من الفضاء البينجمي، مما يعني أن المياه أقدم من الشمس نفسها. من الصعب فهم كيف نجا الماء بعد دخوله النظام الشمسي، ولكن بمجرد إزالتك المستحيل، فإن ذلك يدفعك إلى هذا الاستنتاج. تقترح كليفز بالاعتماد على عمليات محاكاة أخرى أن هناك على الأرجح فرصة ضئيلة (بعد أن هدأت الشمس بما فيه الكفاية، ولكن قبل أن تتشكل الكواكب) لتسلل جليد المياه البينجمية إلى النظام الشمسي، عبر الإمطار مع بدء تشكّل الكواكب.

    

   

يصب كل هذا في قصة جديدة جذرية عن كيفية حصول الأرض على مياهها، حيث تمتلئ الأنهار والمحيطات على كوكبنا بالسائل الذي جاء من المسافة بين النجوم. غريب كما يبدو، لكنني واثقة من أن هذا هو أفضل تفسير للأدلة التي لدينا. في هذه القصة الجذرية، تمتلئ أنهارنا بمياه أقدم من الشمس.

 

وهذا له آثار واسعة النطاق، بما في ذلك البحث عن الحياة خارج نظامنا الشمسي. إذا تم الحفاظ على المياه البينجمية على الأرض، على الرغم من اعتقادنا أنها احتمالات لا تُصدَّق، فإنها يمكن أن تكون شائعة في أنظمة النجوم عبر الكون. نعتقد أن جميع الكواكب تتشكل في نهاية المطاف من المجموعة نفسها من المواد التي تجمعت حول النجوم اليافعة. لذلك، إذا نجت المياه البينجمية هنا، فستكون هناك فرصة كبيرة لأن يكون هذا العنصر القائم على تعزيز الحياة متاحا على نطاق واسع.

  

اكتشف علماء الفلك الذين يستخدمون تلسكوب سبيتزر الفضائي (Spitzer) التابع لناسا الماء في الأقراص [6] حول النجمين اليافعين "DR Tau" و"AS 205A" اللذين يبعدان أكثر من 350 سنة ضوئية من الأرض. توجد المياه في مناطق القرص الداخلي، وهي المناطق الأكثر سخونة القريبة من النجوم. لا تزال هذه الأقراص بحاجة إلى تشكيل الكواكب، ولكن هذا دليل على أن المياه متاحة للكواكب المشَكَّلة حديثا من المراحل الأولى من تاريخ النجم.

   

   

صحيح أنه لا يكفي أن يكون الماء قد نجا خلال ملايين السنين الأولى من حياة النظام النجمي، إذ يتعيّن عليه أن يكون قد تشبث بكوكب أثناء سنواته الفوضوية المبكرة أيضا. في البحث عن الكواكب الخارجية التي يُحتمل أن تكون قابلة للحياة، عادة ما يتم إهمال تلك التي قصفتها المذنبات والكويكبات خلال السنوات الأولى، إذ شاع التفكير بأن الارتطامات الكبيرة ستُذهِب أي ماء موجود. ولكن كما أظهرنا، إن هذا الأمر يحتاج إلى إعادة تفكير أيضا. في الوقت الحالي، تشير الدلائل إلى أن الكواكب المائية شائعة في كافة أنحاء الكون.

------------------------------------------------------------

هوامش

[1] الكواكب الصخرية أو الكواكب الأرضية: هي الكواكب المتكوّنة أساسا من الصخور (صلبة التكوين). وداخل النظام الشمسي تعتبر الكواكب الأرضية هي الكواكب الأقرب إلى الشمس وهي حسب ترتيب البُعد عن الشمس: عطارد، الزهرة، الأرض والمريخ.

[2] نظير كيميائي: هو واحد من نوعين أو أكثر من ذرات عنصر كيميائي لهما العدد الذري نفسه والموقع نفسه في الجدول الدوري للعناصر، ويتشاركان في الخصائص الكيميائية تقريبا مع اختلاف الكتل الذرية والخصائص الفيزيائية، ويوجد لكل عنصر كيميائي نظير أو أكثر.

[3] لب الأرض أو النواة الخارجية: هي طبقة سائلة تتكوّن بشكل رئيسي من الحديد والنيكل وتحيط باللب الداخلي الصلب للأرض وتقع تحت الدثار. وتُعد طبقة اللب الخارجي الطبقة المسؤولة عن خاصية المغناطيسية الأرضية.

الستار أو الوشاح أو الدثار أو الغشاء: هي طبقة أرضية تحتية يبلغ سمكها نحو 4000 كيلومتر وتقع فوقها القشرة الأرضية التي نعيش عليها والتي يبلغ سمكها بين 30-60 كيلومترا. وتبلغ المسافة بين سطح الأرض ومركزها 6370 كيلومترا.

[4] أعمدة الستار أو صواعد الستار: تتضمن عملية تصعيد الماجما المنصهرة على شكل عمود (حركة تصاعدية) من السطح الفاصل بين اللب والستار (الوشاح) وإلى سطح الكرة الأرضية.

[5] الديوتيريوم: هو الذرة التي تحتوي نواتها على بروتون واحد ونيوترون واحد وتسمى هذه الذرة بالهيدروجين الثقيل.

[6] القرص النجمي الدوار: هو عبارة عن قرص مكون إما من مواد متراكمة هي: الغاز والغبار الكوني والكواكب المصغرة والكويكبات، وإما من شظايا اصطدامات حدثت في مدار حول أحد النجوم. ومن المحتمل أن تتكوّن كواكب في هذه الأماكن.

-------------------------------------------------------------

ترجمة (آلاء أبو رميلة)

هذا التقرير مترجم عن: New Scientist ولا يعبر بالضرورة عن موقع ميدان

تقارير متصدرة


اّخر الأخبار