آب روی زمین: آیا واقعاً از غبار فضا آمده است؟

در مقاله جدیدی که امروز در مجله منتشر شد نجوم طبیعت، تیمی از محققان از بریتانیا، استرالیا و آمریکا توضیح می‌دهند که چگونه تجزیه و تحلیل جدید یک سیارک باستانی نشان می‌دهد که دانه‌های غبار فرازمینی آب را به زمین با شکل‌گیری سیاره حمل می‌کنند.

آب موجود در دانه ها توسط هوازدگی فضای، فرآیندی که طی آن ذرات باردار از خورشید که به عنوان باد خورشیدی شناخته می شود، ترکیب شیمیایی دانه ها را برای تولید مولکول های آب تغییر می دهند. 

این یافته می‌تواند به این سوال دیرینه پاسخ دهد که زمین به‌طور غیرمعمول غنی از آب، اقیانوس‌هایی را که 70 درصد سطح آن را پوشانده‌اند، از کجا آورده است - بسیار بیشتر از هر سیاره سنگی دیگری در منظومه شمسی. همچنین می تواند به ماموریت های فضایی آینده در یافتن منابع آب در جهان های بدون هوا کمک کند.

دانشمندان سیاره‌شناسی دهه‌ها در مورد منشا اقیانوس‌های زمین گیج بودند. یک نظریه نشان می دهد که یک نوع سنگ فضایی حامل آب که به عنوان سیارک های نوع C شناخته می شود، می تواند آب به سیاره در مراحل پایانی شکل گیری 4.6 میلیارد سال پیش.  

برای آزمایش این نظریه، دانشمندان قبلا «اثرانگشت» ایزوتوپی تکه‌هایی از سیارک‌های نوع C را که به‌عنوان شهاب‌سنگ کندریتی کربنی غنی از آب به زمین سقوط کرده‌اند، تجزیه و تحلیل کرده‌اند. اگر نسبت هیدروژن و دوتریوم در آب شهاب سنگ با آب زمینی مطابقت داشته باشد، دانشمندان می توانند نتیجه بگیرند که شهاب سنگ های نوع C منبع محتمل هستند.

نتایج کاملاً واضح نبود. در حالی که اثر انگشت دوتریوم/هیدروژن برخی از شهاب‌سنگ‌های غنی از آب واقعاً با آب زمین مطابقت داشت، بسیاری از آنها اینطور نبودند. به طور متوسط، اثر انگشت مایع این شهاب‌سنگ‌ها با آب موجود در گوشته و اقیانوس‌های زمین همخوانی نداشت. در عوض، زمین اثر انگشت ایزوتوپی متفاوت و کمی سبک‌تر دارد. 

به عبارت دیگر، در حالی که مقداری از آب زمین باید از شهاب‌سنگ‌های نوع C آمده باشد، زمین در حال شکل‌گیری باید حداقل از یک منبع نوری ایزوتوپی که از جایی دیگر در منظومه شمسی سرچشمه گرفته، آب دریافت کرده باشد. 

تیم تحت رهبری دانشگاه گلاسکو از یک فرآیند تحلیلی پیشرفته به نام توموگرافی کاوشگر اتمی برای بررسی دقیق نمونه‌هایی از نوع متفاوتی از سنگ‌های فضایی به نام سیارک‌های نوع S استفاده کردند که نسبت به نوع C به دور خورشید نزدیک‌تر می‌شوند. نمونه‌هایی که آن‌ها تجزیه و تحلیل کردند از سیارکی به نام Itokawa گرفته شد که توسط کاوشگر فضایی ژاپنی Hayabusa جمع‌آوری شد و در سال 2010 به زمین بازگشت.

توموگرافی کاوشگر اتمی تیم را قادر ساخت تا ساختار اتمی دانه ها را یک اتم اندازه گیری کند و تک تک مولکول های آب را شناسایی کند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که مقدار قابل‌توجهی آب درست در زیر سطح دانه‌های گرد و غبار از Itokawa توسط هوازدگی فضایی تولید شده است. 

منظومه شمسی اولیه مکانی بسیار غبارآلود بود که فرصت زیادی برای تولید آب در زیر سطح ذرات غبار موجود در فضا فراهم می کرد. محققان پیشنهاد می کنند که این غبار غنی از آب در کنار سیارک های نوع C به عنوان بخشی از تحویل اقیانوس های زمین به زمین اولیه می بارید.

دکتر لوک دالی، از دانشکده علوم جغرافیایی و زمینی دانشگاه گلاسکو، نویسنده اصلی مقاله است. دکتر دالی گفت: «بادهای خورشیدی جریان‌هایی از یون‌های هیدروژن و هلیوم هستند که دائماً از خورشید به فضا می‌روند. هنگامی که آن یون های هیدروژن به یک سطح بدون هوا مانند یک سیارک یا یک ذره غبار موجود در فضا برخورد می کنند، به چند ده نانومتر زیر سطح نفوذ می کنند، جایی که می توانند ترکیب شیمیایی سنگ را تحت تأثیر قرار دهند. با گذشت زمان، اثر هوازدگی فضایی یون‌های هیدروژن می‌تواند اتم‌های اکسیژن کافی را از مواد موجود در سنگ خارج کند تا H را ایجاد کند.₂O – آب – محبوس در مواد معدنی در سیارک.

این آب حاصل از باد خورشیدی که توسط منظومه شمسی اولیه تولید می‌شود، بسیار سبک است. این قویاً نشان می‌دهد که گرد و غبار ریز دانه‌ای که توسط باد خورشیدی مهار شده و میلیاردها سال پیش به زمین در حال شکل‌گیری کشیده شده است، می‌تواند منبع مخزن از دست رفته آب این سیاره باشد.

پروفسور فیل بلند، پروفسور جان کرتین، استاد برجسته دانشکده زمین و علوم سیاره‌ای در دانشگاه کرتین و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «توموگرافی کاوشگر اتمی به ما امکان می‌دهد نگاهی فوق‌العاده دقیق به داخل 50 نانومتر اولیه یا بیشتر از سطح داشته باشیم. دانه های گرد و غبار در Itokawa که در چرخه های 18 ماهه به دور خورشید می چرخد. به ما این امکان را داد که ببینیم این تکه لبه هوازدگی فضایی حاوی آب کافی است که اگر آن را بزرگ کنیم، به ازای هر متر مکعب سنگ حدود 20 لیتر خواهد بود.

پروفسور میشل تامپسون از دپارتمان علوم زمین، جو، و سیاره‌شناسی در دانشگاه پردو افزود: «این نوعی از اندازه‌گیری است که بدون این فناوری قابل توجه امکان‌پذیر نبود. این بینش خارق‌العاده‌ای به ما می‌دهد که چگونه ذرات ریز غبار شناور در فضا می‌توانند به ما کمک کنند تا کتاب‌های مربوط به ترکیب ایزوتوپی آب زمین را متعادل کنیم و سرنخ‌های جدیدی را برای کمک به حل معمای منشأ آن به ما بدهد.

محققان برای اطمینان از دقیق بودن نتایج آزمایش خود بسیار دقت کردند و آزمایش‌های بیشتری را با منابع دیگر برای تأیید نتایج خود انجام دادند.

دکتر دالی افزود: «سیستم توموگرافی کاوشگر اتمی در دانشگاه کرتین در سطح جهانی است، اما هرگز واقعاً برای آنالیز هیدروژنی که ما در اینجا انجام می‌دادیم استفاده نشده بود. ما می خواستیم مطمئن شویم که نتایجی که می دیدیم دقیق هستند. من نتایج اولیه خود را در کنفرانس علوم قمری و سیاره‌ای در سال 2018 ارائه کردم و پرسیدم که آیا همکارانی که در آن حضور داشتند به ما کمک می‌کنند تا یافته‌هایمان را با نمونه‌های خود تأیید کنیم. برای خوشحالی ما، همکاران در مرکز فضایی جانسون ناسا و دانشگاه هاوایی در دانشگاه‌های مانوآ، پردو، ویرجینیا و آریزونا شمالی، آزمایشگاه‌های ملی آیداهو و ساندیا همگی پیشنهاد کمک کردند. آنها نمونه هایی از مواد معدنی مشابه را به ما دادند که به جای هیدروژن با هلیوم و دوتریوم تابش شده بود، و از نتایج کاوشگر اتمی این مواد به سرعت مشخص شد که آنچه در ایتوکاوا می دیدیم منشأ فرازمینی دارد.

«همکارانی که از این تحقیق حمایت کردند واقعاً یک تیم رویایی برای هوازدگی فضا هستند، بنابراین ما از شواهدی که جمع‌آوری کرده‌ایم بسیار هیجان‌زده هستیم. این می تواند دری را برای درک بسیار بهتر از ظاهر منظومه شمسی اولیه و چگونگی شکل گیری زمین و اقیانوس های آن باز کند.

پروفسور جان برادلی، از دانشگاه هاوایی در مانوآ، هونولولو، یکی از نویسندگان مقاله، اضافه کرد: همین یک دهه پیش، این تصور که تابش باد خورشیدی به منشا آب در منظومه شمسی مرتبط است. که بسیار کمتر به اقیانوس های زمین مربوط می شود، با شک و تردید پذیرفته می شد. با نشان دادن برای اولین بار که آب تولید می شود در محل بر روی سطح یک سیارک، مطالعه ما بر روی بدنه انباشته شواهدی استوار است که برهمکنش باد خورشیدی با دانه‌های غبار غنی از اکسیژن در واقع آب تولید می‌کند. 

از آنجایی که غباری که در سراسر سحابی خورشیدی قبل از شروع برافزایش سیاره کوچک به وفور وجود داشت، ناگزیر تحت تابش قرار گرفت، آب تولید شده توسط این مکانیسم مستقیماً به منشا آب در سیستم‌های سیاره‌ای و احتمالاً ترکیب ایزوتوپی اقیانوس‌های زمین مرتبط است.

تخمین آنها از میزان آب موجود در سطوح هوازده فضا نیز نشان می دهد که کاشفان فضایی آینده می توانند منابع آب را حتی در به ظاهر خشک ترین سیارات تولید کنند. 

پروفسور هوپ ایشی از دانشگاه هاوایی در مانوآ می گوید: «یکی از مشکلات اکتشافات فضایی آینده بشر این است که چگونه فضانوردان آب کافی برای زنده نگه داشتن آنها و انجام وظایف خود بدون حمل آن در سفر پیدا می کنند. . 

ما فکر می‌کنیم منطقی است که فرض کنیم همان فرآیند هوازدگی فضایی که آب را در ایتوکاوا ایجاد کرد، در بسیاری از جهان‌های بدون هوا مانند ماه یا سیارک وستا تا یک درجه رخ داده است. این می تواند به این معنی باشد که کاوشگران فضایی به خوبی می توانند منابع آب تازه را مستقیماً از گرد و غبار روی سطح سیاره پردازش کنند. این هیجان انگیز است که فکر کنیم فرآیندهایی که سیارات را تشکیل می دهند می توانند به حمایت از زندگی انسان در حین رسیدن به فراسوی زمین کمک کنند. 

دکتر دالی افزود: پروژه آرتمیس ناسا در حال ایجاد یک پایگاه دائمی در ماه است. اگر سطح ماه دارای مخزن آبی مشابهی باشد که از باد خورشیدی منشأ می‌گیرد، این تحقیق در Itokawa کشف کرد، منبع عظیم و ارزشمندی برای کمک به دستیابی به آن هدف خواهد بود.

مقاله این تیم، با عنوان "کمک باد خورشیدی به اقیانوس های زمین"، در منتشر شده است. نجوم طبیعت. 

محققان دانشگاه گلاسکو، دانشگاه کرتین، دانشگاه سیدنی، دانشگاه آکسفورد، دانشگاه هاوایی در مانوآ، موزه تاریخ طبیعی، آزمایشگاه ملی آیدا، لاکهید مارتین، آزمایشگاه ملی ساندیا، مرکز فضایی جانسون ناسا، دانشگاه ویرجینیا، دانشگاه آریزونا شمالی و دانشگاه پوردو همگی در این مقاله مشارکت داشتند.