في العقود القليلة الماضية ، ارتفع عدد الكواكب المكتشفة خارج نظامنا الشمسي إلى الآلاف. في الوقت الحاضر، 4389 كوكب خارجي تم تأكيدها في 3260 نظامًا ، في حين ينتظر 5941 مرشحًا التأكيد. بفضل العديد من ملاحظات ودراسات المتابعة ، تعلم العلماء الكثير عن أنواع الكواكب الموجودة في كوننا ، وكيف تتشكل الكواكب ، وكيف تتطور.
أحد الاعتبارات الرئيسية في كل هذا هو كيف تصبح الكواكب (وتبقى) صالحة للسكن بمرور الوقت. بشكل عام ، عمل علماء الأحياء الفلكية على افتراض أن القابلية للسكن تنخفض إلى المكان الذي يدور فيه كوكب داخل نظام ما - داخل نجمه الأم منطقة صالحة للسكنى (هرتز). لكن، بحث جديد بواسطة فريق من جامعة رايس ، يشير إلى أن المكان الذي يتشكل فيه الكوكب في نظام النجوم الخاص به يمكن أن يكون بنفس الأهمية.
الدراسة التي تم نشرها مؤخرًا في علوم الأرض الطبيعية وبقيادة طالبة الدراسات العليا رايس دامانفير جريوال ، الذي انضم إليه العديد من الزملاء من قسم علوم الأرض والبيئة والكواكب في جامعة رايس (بما في ذلك راجديب داسغوبتا ، أستاذ موريس إيوينج لعلوم أنظمة الأرض في رايس). نظروا معًا إلى ما وراء منطقة Goldilocks للنجوم للنظر في كيفية تأثير العوامل المشاركة في تكوين الكواكب في النهاية على قابلية السكن.
أظهرت دراسة أجراها علماء جامعة رايس أن المكان الذي يتشكل فيه كوكب في نظام نجمي سيلعب دورًا حيويًا في قابليته للعيش. الائتمان: جامعة رايس / أمريتا ب. فياس
في الأساس ، يشير HZ (أو منطقة Goldilocks) للنجم إلى المنطقة التي سيختبر فيها الكوكب المداري ظروفًا دافئة بدرجة كافية لدعم المياه السائلة على سطحه والغلاف الجوي الغني - المكونات الرئيسية للحياة. ولكن بعد مراعاة العناصر التي تدخل في تكوين الكواكب ، خلص جريوال وزملاؤه إلى أن كمية العناصر المتطايرة التي يلتقطها الكوكب ويحتفظ بها أثناء التكوين ستحدد أيضًا ما إذا كان سيصبح صالحًا للسكن.
ومن الأمور المركزية في هذا الأمر الوقت الذي تستغرقه المادة لتتجمع من قرص دائري شمسي إلى كوكب أولي والوقت الذي يستغرقه الكوكب الأولي للتمييز في طبقاته المميزة (قلب معدني ، وغطاء من السيليكات ، وقشرة ، ومغلف جوي). التوازن بين هاتين العمليتين أمر بالغ الأهمية في تحديد العناصر المتطايرة التي سيحتفظ بها كوكب صخري ، خاصة النيتروجين والكربون والماء ، والتي تؤدي إلى نشوء الحياة.
باستخدام مختبر الضغط العالي في داسغوبتا في رايس ، استخدم فريق البحث النيتروجين كبديل للمواد المتطايرة ومحاكاة كيفية خضوع الكواكب الأولية للتمايز. ما وجدوه هو أنه خلال هذه العملية ، يُفقد معظم نيتروجين كوكب أولي من الوشاح ويتسرب إلى الغلاف الجوي. من هناك ، يُفقد النيتروجين في الفضاء حيث يبرد الكوكب الأولي أو يصطدم بالأجرام السماوية الأخرى خلال المرحلة التالية من نموه.
ومع ذلك ، إذا احتفظ اللب المعدني بما يكفي من النيتروجين ، فقد يظل مهمًا بدرجة كافية بحيث أنه بمرور الوقت ، سيساعد في تكوين جو 'شبيه بالأرض' لاحقًا (حيث سيلعب دورًا مهمًا كغاز عازل). من هذا ، كان الباحثون قادرين على نمذجة الديناميكا الحرارية وكيف تؤثر على توزيع النيتروجين بين الغلاف الجوي للكواكب الأولية وطبقات السيليكا المنصهرة واللب.
انطباع الفنان عن نطاق المناطق الصالحة للسكن لأنواع مختلفة من النجوم. الائتمان: NASA / Kepler Mission / Dana Berry
كما أوضح جريوال في جامعة رايس بيان صحفي :
'لقد قمنا بمحاكاة ظروف ارتفاع الضغط ودرجة الحرارة من خلال تعريض مزيج من المعادن الحاملة للنيتروجين ومساحيق السيليكات إلى ما يقرب من 30000 ضعف الضغط الجوي وتسخينها إلى ما بعد نقاط الانصهار. كانت النقط المعدنية الصغيرة المضمنة في أكواب السيليكات للعينات المستردة هي النظير الخاص بنوى وعباءات الكواكب الأولية '.
لقد أدركنا أن تجزئة النيتروجين بين كل هذه الخزانات حساسة جدًا لحجم الجسم. باستخدام هذه الفكرة ، يمكننا حساب كيفية فصل النيتروجين بين الخزانات المختلفة للأجسام الكوكبية الأولية عبر الزمن لبناء كوكب صالح للسكن مثل الأرض. '
بطبيعة الحال ، هذا البحث له آثار على فهمنا لكيفية تشكل الأرض منذ أكثر من 4.5 مليار سنة. من نتائجهم ، يبدو أن المواد من قرص الكواكب الأولية تراكمت بسرعة ، لتشكل جنينًا كوكبيًا بحجم القمر أو المريخ قبل أن تكمل عملية التمايز وتفترض جوهرها المعدني الحالي ، وعباءة / قشرة السيليكات ، وترتيب الغلاف الغازي.
بالنسبة للنظام الشمسي ككل ، قدروا أن أجنة الكواكب تشكلت في غضون 1-2 مليون سنة بعد الشمس وتشكلت المادة السدمية المتبقية في قرص يحيط بها - في وقت أقرب بكثير مما كان يعتقد سابقًا. إذا كان معدل التمايز أسرع من معدل تراكم هذه الأجنة ، فلن يكون أي من الكواكب الصخرية قد تراكم ما يكفي من المواد المتطايرة ولن تكون الأرض قد طورت الظروف اللازمة للحياة.
مفهوم الفنان عن الاصطدام بين بروتو إيرث وثيا ، يعتقد أنه حدث قبل 4.5 مليار سنة. الائتمان: ناسا
بالإضافة إلى كونه أستاذًا لعلوم أنظمة الأرض بجامعة رايس ، فإن داسجوبتا هو أيضًا الباحث الرئيسي في كليفر كواكب . هذا المشروع التعاوني (الممول من وكالة ناسا) مكرس لاستكشاف كيف يمكن للعناصر الضرورية للحياة أن تتجمع معًا على كواكب صخرية في جميع أنحاء الكون. كما هو تلخيص :
'تُظهر حساباتنا أن تكوين كوكب بحجم الأرض عن طريق أجنة كوكبية نمت بسرعة كبيرة قبل الخضوع لتمايز معدن سيليكات يضع مسارًا فريدًا لتلبية ميزانية النيتروجين للأرض. يوضح هذا العمل أن هناك تقاربًا أكبر بكثير للنيتروجين تجاه السائل المعدني المكون للقلب أكثر مما كان يُعتقد سابقًا '.
يعتمد هذا البحث الأخير على النتائج السابقة التي توصل إليها جريوال وداغوستا (وزملاؤه) ، مثل دراسة أجريت عام 2019 وأظهرت مقدار المحتوى المتطاير على الأرض الذي يمكن أن يكون نتيجة التي أدت إلى ظهور القمر . تبع ذلك بحث نُشر في عام 2021 اقترح أن الأرض اكتسبت المزيد من النيتروجين من المصادر المحلية في النظام الشمسي مما كان يعتقد من قبل.
قال جريوال في هذه الدراسة ، التي ظهرت في 21 يناير: 'لقد أظهرنا أن الكواكب الأولية التي تنمو في كل من المناطق الداخلية والخارجية للنظام الشمسي قد أدت إلى تراكم النيتروجين ، وأن الأرض تحصل على النيتروجين من خلال تراكم الكواكب الأولية من كلتا المنطقتين'.شارع، 2021 ، إصدار علم الفلك الطبيعي . 'ومع ذلك ، لم يكن معروفًا كيف تم إنشاء ميزانية النيتروجين للأرض.'
يمكن أن يكون لهذه النتائج آثار كبيرة على البحث المستقبلي حول كيفية تشكل أنظمة الكواكب ، وتطورها ، وفي النهاية تطوير القدرة على دعم الحياة. في السنوات القادمة ، يمكن للبعثات الروبوتية لاستكشاف أقدم الأجسام في النظام الشمسي (بالقرب من الأرض ، والحزام الرئيسي ، وكويكبات طروادة / الكويكبات اليونانية) أن توفر نظرة ثاقبة لتاريخها المبكر - وهو الوقت الذي زرعت فيه بذور العناصر التي تمنح الحياة على الأرض والكواكب الأخرى.
قراءة متعمقة: جامعة رايس و طبيعة سجية