منشأ آب موجود در زمین کجاست؟

کره زمین در قسمتی از منظومه شمسی با فاصله ای مناسب نسبت به خورشید قرار دارد که امکان جریان یافتن آب مایع را آماده نموده است. درصورتی که کمی فاصله زمین به ستاره میزبانش بیشتر شود، تمامی آب های سطح سیاره یخ زده میشوند و درصورتی که زمین به خورشید کمی نزدیکتر شود، به کوره ی داغی مثل به سیاره زهره بدل می شود. این حالت ایدئال که به آن« کمربند حیات» یا« منطقه گلدی لاکس» گفته ميشود ، منطقه ای است که شرایط لازم براي جاری شدن آب مایع و همينطور جو استوار و بعدا، شکل پذیری حیات را آماده نموده است.

ولی آب چطور به کره زمین آمده است؟ آب نقش بسیار مهمی در سیاره ما ایفا نموده و فهم چگونگی وارد شدن آب به کره زمین میتواند درک ما از نحوه و زمان شکل گیری حیات را هم متحول کند. ولی فیلسوفان هنوز به جواب قطعی نرسیدند و حتی نمی دانند این آب از کجا آمده است. فرضیه کنونی در خصوص نحوه ی شکل گیری سیاره زمین نشان ميدهد که زمین از یک« دیسک پیش سیاره ای» بوجود آمده است. دیسک پیش سیاره ای، توده ی بزرگی از گاز و گرد و غبار بود که پیش از تشکیل زمین به دور خورشید جوان گردش می کرد. کم کم ذرات داخل دیسک، توده ای بزرگ و بزرگتر را شکل دادند که سرانجام به« خرده سیارات» و بعدا به سیاراتی مثل کره زمین بدل شدند.

ولی در ابتدای شکل گیری منظومه شمسی، دیسک پیش سیاره ای که زمین از آن بوجود آمد، در موقعیتی بسیار گرم تر قرار داشت. از این رو ، حتی درصورتی که به احتمال زیاد مولکول های آب در این دیسک وجود داشتند بخار شدند. از این گذشته، در زمان اولیه شکل گیری کره زمین، جوی وجود نداشت و قطرات آب مایع به آسانی به فضا می رفتند. همین مسأله این سوال را مطرح نموده که درصورتی که زمین از دیسکی دارای آب شکل نگرفته، آب چطور به سیاره آمده است؟

فیلسوفان گمان می برند درصورتی که آب همراه با خود سیاره تشکیل نشده باشد، احتمالا از فضا وارد کره زمین شده است. سیارک ها و دنباله دارها از جمله اجرامی هستند که از فضا وارد زمین میشوند و هر دو دارای مقدار متنابهی یخ هستند. در واقع ، مدل سازی های انجام گرفته از ترکیب سیارک ها و دنباله دارها نشان ميدهد که این اجرام مقادیر یخی به اندازه تمامی اقیانوس های کره زمین دارند.

ولی حالا سوال این جا است که آیا این یک ستاره دنباله دار بود که براي بار اول ، مایع حیات را از فضا به کره زمین آورد یا یک سیارک؟ و درصورتی که فرض دانشمندان درست باشد، آیا آب زمین در یک رویداد برخوردی تامين شده یا این که چند برخورد باعث شده مقدار زيادي آب وارد زمین شود؟ و مهمتر این که این رویدادهای برخوردی چه زمانی رخ دادند؟

راه حل پیشنهادی دانشمندان براي حل این معما، مقایسه آب موجود در اقیانوس های زمین با ترکیب شیمیایی آب موجود در این اجرام کیهانی است. مثلا ، یک مولکول آب همواره دارای ۱۰ پروتون( ۸ پروتون از مولکول اکسیژن و ۲ پروتون از هر کدام از مولکول های هیدروژنش) است و معمولاً ۸ نوترون( تنها از مولکول اکسیژن) دارد. ولی ایزوتوپ های گوناگون آب امکان دارد نوترون های بیشتری داشته باشند. مثلا ، آب سنگین که از ترکیب اکسیژن و دوتریوم بدست می آید ، ایزوتوپ های هیدروژن متفاوت با آب عادی دارد.

دانشمندان در پژوهش سال ۲۰۱۴ خود، مقادیر نسبي ایزوتوپ های گوناگون آب( مولکول های آب با تعداد نوترون های مختلف) را که احتمال میرود از سیارک باستانی« وِستا( Vesta)» به زمین آمدند را بررسی کردند. وِستا دومین جرم کیهانی عظیم در کمربند سیارکی کویپر است. فیلسوفان باتوجه بوجود دهانه های برخوردی متعدد روی این سیارک، خیال ميکنند وستا، گذشته ای سرشار از رویدادهای برخوردی داشته است. نمونه آب موجود در سنگ های سیارک وستا، دارای ایزوتوپ هایی شبیه آنچه در کره زمین می بینیم بودند. اما این نمی تواند دال بر این باشد که آب از وستا به زمین آمده است، ولی میتوان گفت یک جرم کیهانی شبیه وستا به لحاظ قدمت و ترکیب ممکن است باعث این رویداد شده باشد.

دانشمندان تا مدتها خیال می کردند که آب از سیارک ها به زمین آمده است. ولی زمانی که فضاپیمای رُزتا وارد مدار« دنباله دار ۶۷ پی/چوریوموف- گراسیمنکو» شد و توانست سطح نشینی به اسم فیله را به سطح این ادامه دار بفرست، ورق برگشت. فیلسوفان از اطلاعات کاوشگرهای رزتا و فیله روزتا متوجه شدند که نسبت آب سنگین با آب عادی در دنباله دارها نسبت به زمین کاملاً متفاوت است. از این رو ، احتمال میرود ، حداکثر تا ۱۰ درصد آب زمین می توانسته از یک ستاره دنباله دار سرچشمه گرفته باشد.

هر چند، در سال ۲۰۱۸،« دنباله دار ۴۶ پی/ ورتانن( ۴۶P/Wirtanen)» که توسط « رصدخانه استراتوسفری اخترشناسی فروسرخ» یا« سوفیا( SOFIA)» مورد مطالعه قرار گرفت، قابلیت بررسی آرایش ایزوتوپی دنباله دارها را بصورت دقیق تری آماده کرد. فیلسوفان متوجه شدند که نسبت دوتریوم و هیدروژن در این دنباله دار با نمونه های موجود در زمین برابر است. ولی سوال این است که چه چیزی سبب اختلاف این دنباله دار با دنباله داری ميشود که رزتا و فیله کاوش کردند؟

دنباله دار ورتانن از دسته ای از دنباله دارها موسوم به« دنباله دارهای بیش فعال» است. این گروه از دنباله دارها هرچه به نسبت دنباله دارهای عادی به خورشید نزدیکتر میشوند ، آب بیشتری را از دست می دهند. زمانی که یک دنباله دار عادی به خورشید نزديک ميشود ، ذرات یخ از هسته ی آن یا مستقیما از یخ های سطحی به گاز تبدیل می شوند. ولی یک دنباله دار بیش فعال نه تنها از هسته خود، بلکه از ذرات موجود در جو خود هم یخ از دست می دهد. همین ذرات موجود در جو ممکن است سبب شده باشد، دنباله دارهای بیش فعال دارای آبی با نسبت ایزوتوپی شبیه کره زمین باشند.

از این رو ، حتی با درنظرگرفتن این نکته که دنباله دارهای بیش فعال کمیاب تر هستند، این حقیقت که این دنباله دارها دارای آبی با آرایش ایزوتوپی شبیه آب موجود در کره زمین هستند، سبب ميشود تصور را بر این بگذاریم که این میهمانان ناخوانده، زمانی آب را از فضا به زمین آورده اند.