من الغبار ولِدَت الأرض

حازم كويي

الحوار المتمدن-العدد: 8087 - 2024 / 9 / 1 - 14:29
المحور: الطب , والعلوم
    

ترجمة وإعداد: حازم كويي

إن الحياة على الأرض كما نعرفها اليوم هي بفضل العديد من المصادفات ويُعد- لكوكب المشتري ـ دوراً مهماً في النظام الشمسي وأحد جوانب تأريخها الحافل بالأحداث، والذي يدرسه تورستن كلاين وجوانا دروفسكا، من معهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي في مدينة غوتنغن(ألمانيا) باستخدام النيازك والمحاكاة الحاسوبية.
في 12 سبتمبر 2019، شهد شهود عيان مشهداً سماوياً: قبل الساعة الثالثة عصراً بقليل، أندفعت كرة من النار عبر سماء أوروبا الوسطى. وفي بعض الأماكن، تسبب نيزك في حدوث صوت الرعد. وذكرت الصحافة والتلفزيون، أن صور الكاميرا ومقاطع الفيديو وَثَقت الحدث. ربما يُفسر هذا سبب العثور على حجر رمادي مشبوه بحجم كرة الغولف في اليوم التالي في حديقة في مدينة فلنسبورغ. وهو الجزء الوحيد من "نيزك فلنسبورغ" حتى الآن. قد يبدو الاكتشاف الكوني في شمال ألمانيا مُذهلاً، لكن إكتشافات النيازك ليست نادرة بأي حال من الأحوال. يوضح تورستن كلاين: "هناك أكثر من 70 ألف حجر في مجموعات حول العالم سقطت من السماء في وقت ما". وهوالآن يعمل منذ عام 2021 مديراً في معهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي ويرأس قسم علوم الكواكب هناك.
النيازك هي أجزاء، من بين أشياء أخرى، من الكويكبات التي تدور اليوم حول الشمس في نطاقٍ بين المريخ والمشتري. بالإضافة إلى الأجسام الصغيرة، هناك نوعان من الكواكب في النظام الشمسي: الكواكب الصخرية تدور بالقرب من الشمس وتسمى عادة بالكواكب الأرضية. لديها كتل منخفضة نسبياً ولكن بكثافات عالية. هذه هي عطارد والزهرة والأرض والمريخ. أما النوع الثاني فهي العمالقة الغازية والجليدية ذات الوزن الثقيل والتي تدور حول الشمس خلف المريخ. ويتم التمييز بين العملاقين الغازيين، المشتري وزحل خلف المريخ وبين العملاقين الجليديين، أورانوس ونبتون عند حافة النظام الشمسي بعيداًعن الشمس. لا يشير مصطلح العمالقة الغازية والجليدية إلى الحالة الراهنة للكواكب، بل إلى تأريخ تكوينها. كان خليط الهيدروجين والهيليوم الذي تراكم حول الكواكب أثناء نموها غازياً بحتاً خلال هذه المرحلة. وبسبب وزنهما الكبير والضغط العالي للغاز المتراكم، أصبح الهيدروجين والهيليوم سائلين في الطبقات العميقة من العمالقة الغازية، لكنهما ظلا غازيين في الغلاف الجوي الخارجي. يختلف أورانوس ونبتون عن عمالقة الغاز في أنهما يربطان الماء والميثان والأمونيا بشكل مُتجمد أثناء تكوينهما. واليوم، أصبحت هذه العناصر أيضاً سائلة إلى حد كبير في باطن الكواكب.





ولكن كيف نشأت الكواكب الموجودة في موطننا الكوني، النظام الشمسي؟ في نموذج الاصطدام الكلاسيكي، والذي تم قبوله على نطاق واسع حتى الآن، تشكلت الكواكب من خلال "نمو القلة" في قرص من الغبار والغاز، "القرص الكوكبي الأولي"، حول الشمس المولودة حديثاً. وبناءاً على ذلك، تكتلَ الغُبار إلى تكتلات أكبر من أي وقت مضى حتى تشكلَ ما يُسمى بالكواكب المُصغرة. يمكنك أن تتخيلَ أن هذه الأجسام الكوكبية الأولى كانت مُشابهة للكويكبات الموجودة اليوم. وأسفرت المزيد من الاصطدامات عن أجسام تتراوح أحجامها من قمرنا إلى أجسام المريخ. ويشك الباحثون في أن الاصطدامات الأكثر قوة لهذه الأجنة الكوكبية أدت في النهاية إلى ظهور الكواكب الحالية.
يقوم فريق تورستن الصغير باختبار هذه الفرضية في المختبر باستخدام النيازك، أي قطع الصخور التي سقطت على الأرض - مثلما حدث في فلنسبورغ. ويقول كلاين: "تحتوي النيازك على معلومات حول مكان نشأتها وتطورها وعمرها". من المحتمل أن تكون النيازك هي أقدم الصخور المعروفة، كما أن عمرها يقارب عمر النظام الشمسي نفسه، وهي بقايا المادة التي تشكلت منها الكواكب.
عندما يقوم الباحثون بتحليل النيازك، فإنهم ينطلقون في رحلة عبر الزمن ويكتسبون نظرة غير مباشرة على تكوين النظام الشمسي. ومن خلال تحليل النيازك، يتعلمون كيف تم توزيع مواد البناء في النظام الشمسي المُبكر. تساعد هذه المعرفة بعد ذلك في تحديد مكان تشكُل الكواكب، وهي الخطوة الأولى في إعادة بناء تأريخها.
كان كلاين وفريقه يبحثون عن خاصية من شأنها أن تكشف عن أي جزء من قرص الكواكب الأولية جاء منه النيزك. يجب أن يكون هذا المعيار بمثابة بصمة الشخص التي لا تتغير أثناء الحياة. التركيب الكيميائي للنيازك وحده، أي وفرة العناصر مثل الحديد أو السيليكون أو الأوكسجين، لا يوفر سوى معلومات غير دقيقة عن مكان نشأة الأجرام السماوية، حيث أن العناصر الموجودة في القرص المبكر كانت مختلطة بشكل كبير.
ومع ذلك، أكتشف تورستن كلاين أن نسب النظائر لعناصر مثل الحديد أو الموليبدينوم أو الكروم يمكن إستخدامها كدليل على مكان المنشأ. النظائر هي أنواع مختلفة من نفس العنصر الكيميائي مع إختلاف طفيف في الكتل. وحتى في السحابة الجزيئية التي أنبثقت منها شمسنا وقرص الكواكب الأولية ومن ثم الكواكب، يبدو أن نظائر هذه العناصر لم تكن موزعة بالتساوي. بل لا بد أنه كانت هناك إختلافات في نسب النظائر حتى في ذلك الوقت، إعتماداً على المسافة إلى مركز السحابة. وبناءاً على ذلك، فإن الأجسام الكوكبية التي كانت لا تزال تنمو في ذلك الوقت تكونت من مواد بناء ذات تركيبات نظائرية مختلفة، إعتماداً على ما إذا كانت المواد مُتجمعة بالقرب من الشمس أو بعيداً عنها.
وبعد مرور مليارات السنين، لا يزال من الممكن قراءة النظائر على أنها آثار لتوزيع مواد بناء الكواكب في ذلك الوقت. يوضح تورستن كلاين: "تُعتبر نسبة بعض النظائر علامة ممتازة لتمييز النيازك بناءاً على مكان تشكُلها". هناك مجموعتان: النيازك غير الكربونية والنيازك الكربونية. جاءت هذه من خزانين مُختلفين في قرص الغاز والغبار المُبكر للنظام الشمسي البدائي: الخزان غير الكربوني في الجزء الداخلي والخزان الكربوني في الجزء الخارجي من القرص. لقد تطورت تسميتهم تاريخياً، وعلى عكس ما يوحي به الاسم، فهي مستقلة عن محتوى الكربون في الصخر. "لقد أظهرنا الانقسام إلى خزانين لأول مرة باستخدام نظائر الموليبدينوم. يقول كلاين: "يبدو أن المجموعتين المختلفتين من النيازك كانتا موجودتين منذ البداية". ومن أجل التأكد من أن التحليلات في معهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي لا تلوث العينات الصخرية وبالتالي تزييف نتائج القياس، يجب على الباحثين العمل في ظل ظروف نقية للغاية. أولاً، يقومون بسحق العينات ثم تحضيرها كيميائياً لمدة أسابيع أحياناً. ويمكن بعد ذلك تحديد الاختلافات في النسب الكمية للنظائر في العينات بدقة شديدة باستخدام مطياف الكتلة عالي الدقة بحجم سيارة صغيرة.
سؤال واحد، نظريتان.
إذا قارن المرء نسب النظائر في عينات النيزك ذات الأصل المعروف في قرص الكواكب الأولية مع تلك الموجودة في الصخور الكوكبية، فيمكن للمرء التكهن بالمكان الذي يمكن أن تنشأ فيه مواد بناء الكوكب.
حتى الآن، لم يكن هناك سبب للشك في نموذج الاصطدام الكلاسيكي الذي يُفسر كيفية تشكل الكواكب في النظام الشمسي المبكر. ومع ذلك، فإن النظر إلى عمالقة الغاز الخارجية تسبب في إنهيار أساس هذا النموذج. ويساهم بحث جوانا دروفسكا أيضاً في هذا الأمر. بينما يقوم تورستن كلاين بإعداد الرسل المباشرين للنظام الشمسي البدائي وفحصهم على نطاق واسع في المختبر، يتخذ قائد المجموعة في معهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي أساليب أخرى لفك رموز تاريخ نظامنا الكوكبي. الهدف من فريق عملها هو محاكاة التكتل الأولي للغبار في التيار الضحل للمادة حول الشمس الفتية على الكمبيوتر: "نريد فك رموز المبادئ الأساسية لتكوين الكوكب المبكر. تشرح دروفسكا، أن النماذج الأخرى عادةً ما تتجاهل هذه المرحلة الأولية. يولي العالم اهتماماً خاصاً لنمو كوكب المشتري، وهو عملاق غازي وأكبر كوكب بين كواكبنا. على الرغم من أن كوكب المشتري يتكون إلى حد كبير من الهيدروجين والهيليوم، إلا أنه يُعتقد أن لديه نواة صلبة تبلغ 10 إلى 20 كتلة أرضية بداخله. كانت هذه أيضاً الكتلة اللازمة لجسم ما في الأيام الأولى للنظام الشمسي حتى يتمكن من ربط الغاز من قرص الكواكب الأولية بنفسه باستخدام جاذبيته. وفقاً للنماذج الحاسوبية، كان على نواة المشتري أن تتشكل بسرعة نسبية خلال ملايين السنين القليلة الأولى من أجل جذب ما يكفي من الغاز المحيط قبل أن يتم توزيعه في مكان آخر. في نموذج النمو الكلاسيكي للكواكب، كان من الممكن أن يستغرق تكوين نواة المشتري وقتاً طويلاً جداً، لأن الاصطدامات بين الأجرام السماوية الأكبر المفترضة فيه حدثت بشكل نادر نسبياً. وبالتالي، كان لا بد من إيجاد آلية نمو أخرى.
هناك نظرية أحدث يمكن أن تُفسر التكوين السريع لنواة كوكب المشتري. وبناء على ذلك، ساهمت في النمو كتل صغيرة من الغبار الكوني، والتي جاءت في المقام الأول من المناطق الباردة البعيدة عن الشمس. في المصطلحات الفنية يطلق عليها، الحصى. وتسبب الاحتكاك والاصطدامات داخل القرص الأصلي للغاز والغبار في فقدان الطاقة التي أبقتها في مدارها حول الشمس. لذلك، هاجروا نحو النجم المركزي وواجهوا كوكباً صغيراً كان موجوداً بالفعل. وبما أن هذه جذبت عدداً لا يُحصى من الحصى، فقد نمت بسرعة كبيرة. يقول كلاين: "عندما يتعلق الأمر بقلوب الكواكب الغازية والجليدية العملاقة، فمن المحتمل أن يتفق الجميع مع نموذج بيبلز اليوم". وسرعان ما يُطرح السؤال عما إذا كانت مواد البناء للأرض والمريخ قد تم تسليمها أيضاً من مناطق بعيدة عن الشمس وما إذا كانت الفكرة السابقة للنمو الأوليغارشي الكلاسيكي قد عفا عليها الزمن تماماً.
للإجابة على هذا السؤال، قام فريق دولي بقيادة كريستوف بوركهارت، وهو أيضاً من العاملين في معهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي، وتورستن كلاين بفحص سبعة عشر جزءاً من الكوكب الأحمر ومواد من قشرة الأرض بمزيد من التفصيل. وقارن الباحثون هذه المادة الكوكبية بعينات من النيازك التي ثبت أنها قادمة من النظام الشمسي الخارجي. وللقيام بذلك، قاموا بتحليل الآثار النظائرية لثلاثة معادن نادرة، وهي التيتانيوم والزركونيوم والموليبدينوم. أكدت النتائج الافتراض الأصلي بأن الأرض والمريخ لديهما القليل من القواسم المشتركة مع المواد الموجودة في النظام الشمسي الخارجي. وتبلغ الحصة من الخارج حوالي أربعة بالمائة فقط. يقول تورستن كلاين: "إذا كانت الأجسام السابقة للأرض والمريخ قد تراكمت بشكل أساسي، حبيبات الغبار من النظام الشمسي الخارجي، فيجب أن تكون القيم أعلى بعشر مرات تقريباً". تم تسليم مواد البناء لكلا الكوكبين فعلياً في الموقع - من النظام الشمسي الداخلي. لا يزال النمو الأوليغارشي كنموذج كلاسيكي يتلائم بشكل جيد مع حالة الكواكب الأرضية.
رسول من بعيد.
ولكن ليس كل ما يحدث في النظام الشمسي الداخلي قد نشأ هناك. وقام فريق بحث دولي، يضم أيضاً كلاين، بفحص عينة من المواد المتفتتة التي جلبها المسبار الياباني هايابوسا 2 إلى الأرض من الكويكب ريوجو في ديسمبر 2020.( ريوجو عبارة عن قطعة على شكل هرم مزدوج ويبلغ قطرها حوالي كيلومتر واحد. وهو اليوم في مدار قريب من الشمس مشابه للأرض) تتكون العينة من 5.4 غرام فقط من المادة، لكن هذا يجب أن يكون كافياً لإثبات مكان نشأة ريوجو في الأصل. وللقيام بذلك، قارن الفريق العينة المأخوذة من ريوجو مع تلك الخاصة بالعديد من النيازك التي عُرفَ عنها توقيع النظائر، وبالتالي أصل القرص الكوكبي الأولي. تتشابه نسب نظائر الحديد في ريوجو مع تلك الخاصة بفئة من النيازك النادرة التي تأتي من النظام الشمسي الخارجي، مثل النيازك الكربونية. وبالتالي، فإن ريوجو هو متجول بدأ رحلته ذات مرة إلى النظام الشمسي الداخلي بعيداً عن الشمس.
تشير مثل هذه الدراسات إلى أن المواد من النظام الشمسي الخارجي وجدت طريقها بالتأكيد بالقرب من الأرض والمريخ.
كوكب المشتري يصنع الفارق.
تعد التحقيقات التي أجراها تورستن كلاين في الآثار التي تعود إلى الأيام الأولى لنظامنا الشمسي، عنصراً مهماً في عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجرتها جوانا دروفسكا. وهذه الأمور ضرورية لفهم تكوين العمالقة الغازية، التي تقع قلوبها الصخرية عميقاً تحت طبقة لا يمكن إختراقها، ولا تسمح بأخذ عينات مباشرة. وفقاً لحساباتهم، لكي ينمو المشتري، فإنه يحتاج إلى الكثير من الغُبار، وبشكل أكثر دقة، تبلغ نسبة الغبار إلى الغاز حوالي واحد إلى واحد. وأكتشف الباحث أن هذه الحالة الخاصة موجودة عند ما يسمى بالخط الجليدي. وعلى هذه المسافة من الشمس، تجمد الماء وتحول إلى جليد، ويمكن العثور على كوكب المشتري بالقرب من هذا الخط الخيالي اليوم. يقول دريكووسكا: "عند الخط الجليدي، كان تركيز الغبار مرتفعاً بما يكفي لتجمع الحصى بشكل فعال وسريع لتكوين كوكبيات صغيرة".
وسرعان ما فهم كلاين ودريكوسكا وفرقهما سبب عدم إختلاط مجموعتي النيازك الموجودة بين الأقراص الكوكبية الأولية الداخلية والخارجية للنظام الشمسي الشاب. خلال المليون سنة الأولى، تشكل كوكب المشتري عن طريق جذب كميات كبيرة من الغبار والغاز التي تدفقت نحو الشمس من النظام الشمسي الخارجي. وقال كلاين: "لقد لعب كوكب المشتري دوراً مركزياً في تكوين نظامنا الشمسي". حالت كتلتها الهائلة دون إختلاط مواد البناء وأدت إلى استنفاد كتلة النظام الشمسي الداخلي. لكن حتى يومنا هذا، يُشكل المُشتري حاجزاًطبيعياً ضد القصف الخارجي، وبالتالي يلعب دوراً كبيراً في خلق حياة أعلى على الأرض. لأنه يُقلل من إحتمالية إصطدام الكويكبات بالأرض والتسبب في إنقراض جماعي كما في حالة الديناصورات.
يقول تورستن كلاين: «لولا كوكب المشتري، لربما نمت الأرض لتصبح أرضاً عملاقة بكتلة تزيد عن عشرة أضعاف كتلتها الحالية». وعلى كوكب بهذه الكتلة الكبيرة، ستبدو الحياة على الأقل مختلفة تماماً عما هي عليه على الأرض. حقيقة أن كوكب المشتري قد حد من تدفق مواد البناء الكوكبية تفسر أيضاً سبب إستغراق الأرض 150 مليون سنة، على سبيل المثال، للوصول إلى كتلتها الحالية. وفقاً للنموذج الكلاسيكي، بدون تدفق الحصى، نمت الكواكب الصخرية الداخلية ببطء نسبياً من خلال إصطدام أجسام بحجم القمر بالمريخ.
ريوجو، الذي نشأ في النظام الشمسي الخارجي وهو الآن قريب من الكواكب الداخلية، لا يتعارض مع هذه الصورة على الإطلاق. ومن المحتمل أن الكويكب، مثل غالبية الكويكبات، لم ينتقل إلى حيث نجده اليوم إلا مؤخراً نسبياً من خلال تفاعل جاذبية الأجسام المختلفة في النظام الشمسي. ولعبة القوى، التي يهيمن عليها المشتري، تحافظ الآن أيضاً على الكويكبات، أي بقايا تكوين الكواكب المبكر، وإذا جاز التعبير، محاجر النيازك، في حزام بين المريخ والمشتري.
ومع ذلك، وفقاً لجوانا دروفسكا، فإن تكوين الكواكب في النظام الشمسي أو الأنظمة الكوكبية الأخرى في درب التبانة لا يزال بعيداً عن الفهم الكامل: "لا يوجد حالياً نموذج شامل ومفصل يجمع جميع مراحل وعمليات تكوين الكواكب، تقول الباحثة. وهي مهتمة أكثر بمقارنة عمليات المحاكاة الحاسوبية التي تجريها مع الواقع، وهو ما يتجاوز أخذ العينات المباشرة لنظامنا الشمسي. ونظراً لأنه يمكن الافتراض أن العمليات الأساسية لتكوين الكواكب في جميع أنحاء مجرة درب التبانة تتبع نفس المبادئ الفيزيائية، فإن دروفسكا تحول نظرها أيضاً إلى سماء الليل.
توفر التلسكوبات الحديثة مناظر لأنظمة كوكبية مختلفة تماماً تقع على مسافات مختلفة من وطننا ولها أيضاً أعمار مختلفة. وبعضها في مرحلة مبكرة، مثل نظامنا الشمسي قبل حوالي 4.6 مليار سنة. وجد علماء الفلك أول دليل على وجود مثل هذا النظام الصغير جداً في سديم أوريون في التسعينيات. يمكن مشاهدة هذا المولد النشط للنجوم الجديدة وبالتالي الأنظمة الكوكبية الجديدة من خطوط العرض لدينا بالمنظار، خاصة في أشهر الشتاء.
تم إكتشاف بعض النجوم ذات الشكل الغريب في الصور التي التقطها تلسكوب هابل الفضائي: ظهرت بُقعها المضيئة لتظهر إنتفاخين جانبيين داكنين على خلفية السديم الخافت. لأول مرة، تم الحصول على صور لأقراص الغاز والغبار الكوكبية الأولية وبالتالي نظرة على مراحل تكوين الكوكب. وقد تم الآن العثور على العديد من هذه المهود الكوكبية. ويُعد تلسكوب ألما (مصفوفة أتاكاما المليمترية/تحت المليمترية الكبيرة) في تشيلي مثالياً لهذا الغرض، لأنه يلتقط موجات الراديو القصيرة ويصور أقراص الغبار بتفاصيل غير مسبوقة. تظهر الفجوات التي يمكن أن تنشأ عن الكواكب الصغيرة في صور العديد من هذه الأقراص.


كما في الصورة قرص منتشر باللون الأصفر إلى الأحمر حول مركز أصفر فاتح على خلفية سوداء. يحتوي القرص على فجوات حلقية مختلفة على مسافات مختلفة من المركز
تشكيل الكوكب مباشر: تظهر هذه الصورة من تلسكوب ألما قرصاً من الغبار حول النجم الشاب HL Tauri.

تم بالفعل تطوير أنظمة كوكبية أخرى يمكن إكتشافها باستخدام تلسكوبات مُحسّنة بشكل خاص. منذ اكتشاف أول كوكب خارج المجموعة الشمسية يدور حول نجم في كوكبة الفرس الأعظم على مسافة أكثر من 51 سنة ضوئية من الأرض في عام 1995، تلا ذلك طوفان من الاكتشافات المماثلة. أكتشف علماء الفلك الآن أكثر من 5000 من أنظمة الكواكب الخارجية هذه. تبدو خصائص بعض الأنظمة غريبة، مثل هندستها الملتوية مقارنة بالنظام الشمسي، حيث تكون أكبر الكواكب الغازية قريبة بشكل خاص من النجم المركزي. وفقاً لتورستن كلاين، يمكن تفسير ذلك بحقيقة أنه من الصعب بشكل خاص مراقبة أنظمة الكواكب المشابهة لنظامنا الشمسي باستخدام التلسكوبات. الكواكب الأرضية على وجه الخصوص أصغر بكثير وأقل كتلة وأقل سطوعاً من إخوانها وأخواتها الكبار، العمالقة الغازية والجليدية. ومع ذلك، وفقاً لجوانا دروفسكا، تعتبر عمليات رصد أنظمة الكواكب الأخرى مثالية لتعلم شئ ما عن تكوين نظامنا الكوكبي وتطوره.
على الرغم من أن العديد من التفاصيل تحدد بحث كلاين ودركوفسكا، إلا أنهما مهتمان بأسئلة كبيرة: كيف تشكلت أنظمة الكواكب العديدة المعروفة، هنا وفي كل مكان في درب التبانة؟ كيف ظهرت الأرض إلى الوجود، وهي المكان الوحيد المعروف في الكون الذي توجد فيه الحياة؟ إن تحليل صخور النيزك ومحاكاة عمليات التكوين الفيزيائي على الكمبيوتر لا يسمح لنا فقط بفهم تاريخ وطننا الكوني بشكل أفضل. كما أنها تساعدنا على فهم سبب تطوير الأرض لمثل هذه الظروف الملائمة للحياة.




كل شيء يدور: يُظهر التصوير كيف تتشكل الكواكب من خلال اصطدام أجسام متزايدة باستمرار في قرص من الغبار والغاز حول نجم حديث الولادة.

#حازم_كويي (هاشتاغ)      

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين	حوار مع الكاتبة السودانية شادية عبد المنعم حول الصراع المسلح في السودان وتاثيراته على حياة الجماهير، اجرت الحوار: بيان بدل

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات