النجمة التي خلقت الارض
على مدى فترة طويلة كان الفلكيين يعتقدون ان سوبرنوفا هي التي لعبت الدور الرئيسي في خلق الارض. حسب النظرية الكلاسيكية، حيث اجبر انفجار السوبرنوفا سحابة كونية من الغاز والغبار، على الانهيار البنيوي، مما ادى الى نشوء الشمس والنيازك الاقدم، والتي تشكل منها فيما بعد الارض والكواكب الداخلية. ولكن، التحليلات الحديثة لمجموعة كبيرة من النيازك، اظهرت ان هذه النظرية ليست صحيحة. المعطيات تشير الى ان الارض ولدت في بيئة اكثر تراجيدية، حيث نشأت شمس هائلة، قامت بإطلاق القسم الاكبر من وزنها في رياح شمسية ، قبل ان تنفجر كسوبرنوفا. الرياح الشمسية القادمة من هذه النجمة الهائلة هي التي اجبرت السحابة الكونية على الانهيار، لتخلق شمسنا وتهئ الاساس لظهور مجموعة الكواكب الشمسية بمكوناتها من العناصر الاولية الثقيلة. فقط بعد مرور بضعة ملايين من السنين على نشوء الشمس والنيازك القديمة، انفجر الجزء الباقي من الشمس الهائلة، مما اعطى مجموعتنا الشمسية الفتية الحديد والعناصر المشعة، ويدل على ذلك كونها متغلغلة في النيازك الاحدث الصادرة عن الشمس المنفجرة لاحقاً.
مناطق مجموعات (الهوب) الشموس الهائلة ، تعتبر نادرة في مجرة التبانة، حيث النموذج الاشهر عليهم هو Orion Nebula, (also known as Messier 42, M42, or NGC 1976) and Eagle Nebula, (also known as Messier Object 16, M16 or NGC 6611), وذلك بسبب ان المناطق الهائلة تعاني من ضغوطات وتغيرات هائلة، وتموت سريعا. لهذا السبب، فإن مجموعتنا الشمسية ولدت في بيئة غير شائعة. من هنا نعلم لماذا اصبحت الارض الحية ظاهرة كونية نادرة، كما انها تعطينا العلائم المطلوب مراعاتها عند البحث عن كوكب مشابه لكوكب الارض.
الخطوة الاولى في قصة الولادة الدراماتيكية للمجموعة الشمسية، تم الاهتداء اليها قبل بضعة سنوات، عندما قام علماء الفلك الكيميائي من زيلاندا الجديدة والدانمارك وتكساس بتحليل نيزك تم العثور عليه في منطقة الصحراء الكبرى. النيزك جرى تحديد عمره بحوالي 4،566 مليار سنة، مما يجعله ينتمي الى الملايين الاولى من السنين لولادة الارض المبكرة.
النيزك كان مفاجأة، إذ ان مصدره من قشرة نيزك ذات بنية متتداخلة، حيث حبيباته منصهرة ببعضها، له نواة من الحديد والنيكل وتحيط بهم حزام من الحجر المصهور. وجود نيزك ذو بنية متتداخلة لاينسجم مع النظرية القديمة عن خلق الارض من السحابة الكونية. من الضروري الاشارة الى انه يوجد نوعين رئيسيين من النيازك، ومنذ عشرات السنوات والفلكيين يعتقدون ان النيازك ذات البنية الغير متتداخلة، chondrites, مثل الصورة الى اليسار، هم الاقدم. غير ان هذا النوع ذو بنية متشابهة، من الخارج والداخل على السواء، ويحتوي من بين مايحتويه على حبيبات صغيرة مستديرة من السيليكات والحبيبات الغنية بالكالسيوم والالمنيوم. كلا المادتين، ينتمون بمصدرهم الى ذات السحابة الكونية ، من الغبار والغاز التي ولدت منها المجموعة الشمسية، ولهذا السبب كان الاعتقاد ان هذا النوع من النيازك هو الاقدم.
حسب النظرية الكلاسيكية لنشوء المجموعة الشمسية، احتاج الامر، على الاقل، الى عشرة ملايين سنة بعد نشوء الشمس، لتنشأ النيازك ذات البنية المتتداخلة بحجم كبير بما يكفي ليسمح للضغط والحرارة فيهم ان يصل الى مستوى يكفي لذوبان مكونات بنيتهم الداخلية لتتداخل. لهذا السبب، كان النيزك الذي تم العثور عليه في الصحراء، جعل العلماء يقفون امام معضلة: كيف يمكن لنيزك ذو بنية متتداخلة ان يكون بهذا العمر؟
المعضلة امكن حلها، عندما تمكنت فرق الباحثين من تحديد كمية المغنيزيوم 26 في النيزك. مغنيزيوم-26 ينشأ بفضل تحطم الالمنيوم-26، والذي يظهر بفضل انفجار سوبرنوفا، والوقت اللازم لنضوب نصف اشعاعاته هو 730000 سنة. التحاليل اظهرت ان النيزك كان يملك فائض صغير من مغنيزيوم-26، بالنسبة لمتوسط كميته في المجموعة الشمسية.
من هنا استنتج الباحثين ان الفائض من مغنيزيوم-26 جاء من انفجار سوبرنوفا قريبة. انفجار السوبرنوفا الجارة أضاف للمجموعة الشمسية الفتية كمية اضافية من المغنيزيوم-26. الاكتشاف اظهر ان النيزك ذو البنية المتتداخلة، هو الاقدم. الحرارة القادمة من تحطم الالمنيوم-26 جعلت ان هذه النيازك لاتحتاج الى النمو الى كيانات اكبر قبل ان تنصهر بنيتها الداخلية، كما كان الاعتقاد سابقا، بحيث تنشا النواة والقشرة المنصهرة. chondrites, ظهرت فيما بعد، عندما تحطم القسم الاكبر من الالمنيوم (ذريا) وقوة الاشعاعات لم تعد كافية لصهر النيزك، اي بعد بضعة مليون سنة من نشوء المجموعة الشمسية. في خلال هذا الوقت كانت النيازك القديمة، قد تجمعت الى بعضها.
النيازك من النوع ذو البنية الحبوبية الغير متتداخلة، دليل قوي على ان سوبرنوفا شاركت في ولادة المجموعة الشمسية. مجموعة من الابحاث اظهرت انه بالفعل النيازك الغير متتداخلة تحتوي على نيكل-60، والذي هو منتج قادم من تحطم الحديد-60، الذي بدوره نتاج انفجار سوبرنوفا. على هذه الخلفية جرى تحليل كمية احتواء 24 نيزك، من ذوي البنية المتتداخلة، على النيكل 60.
قبل التحليل كانت فرق البحث تتوقع العثور على المزيد من نيكل-60 في النيازك القديمة. حسب النظرية القديمة التي اعتقدت ان المجموعة الشمسية، قد خُلقت بسبب السوبرنوفا، يكون القسم الاكبر من كمية الحديد -60 كان موجوداً في المواد التي نشأت عنها المجموعة، حيث جرى تحطمه الى نيكل-60 على مدى 1,5 مليون سنة. ولكن هذا الامر غير صحيح. يقول رئيس مجموعة الابحاث، Martin Bizzarro, من جامعة كوبنهاجن : " لقد اندهشنا للغاية، لان النيازك القديمة لم تكن تحتوي على نيكل-60 ابدا". هذا الامر يعني ان المجموعة الشمسية نشأت في عملية من مرحلتين. السحابة الكونية، من الغاز والغبار، انهارت بنيتها من زمن طويل، والنيازك القديمة واسس الكواكب اصبحت جاهزة، عندما قامت السوبرنوفا بإضافة الحديد-60 اليها والى النيازك الحديثة.
هذا الامر يحتمل تفسير واحد: المجموعة الشمسية نشأت في منطقة من مناطق مجرة التبانة، نشطة للغاية بنشوء الشموس والشموس الهائلة، ذات احجام تصل الى 30-50 حجم شمسنا الحالية. مثل هذه العمالقة تسمى نجوم Wolf-Rayet, وفترة حياتهم لاتتجاوز اربعة ملايين سنة. في فترة المليون الاخيرة قبل انفجار الشمس الهائلة، اطلقت النجمة 9% من حجمها، بما فيه الالمنيوم-26، على شكل رياح شمسية عاصفة. عندما التقت الرياح الشمسية مع السحابة الكونية ، انهارت السحابة وولدت الشمس والنيازك القديمة، والتي اصبحت غنية بالالمنيوم-26.
فقط عندما انفجرت بقايا الشمس الهائلة، اطلقت السوبرنوفا مادة الحديد-60، وهو عبارة عن التحام، يتشكل فقط تحت تأثير الحرارة العالية في نواة الشمس، ولهذا السبب لم تنطلق هذه المكونات مع الرياح الشمسية المقذوفة، لكونها كانت في اعماق الشمس وليس بمتناول الرياح الشمسية.. وهذا ايضا يوضح السبب في غنى النيازك الحديثة (الغير متتداخلة) بفائض من النيكل-60، الذي كان في طور التشكل عندما انفجرت السوبرنوفا. لهذا السبب نجد ان الحديد-60 لم يدخل في تشكيل النيازك القديمة واسس الكواكب، والتي نشأت بفترة طويلة قبل انطلاق الحديد بمصاحبة الانفجار.
لقد مر الان حوالي 4,5 مليار سنة على نشوء المجموعة الشمسية ، لذلك من المدهش ان تتمكن دراسة بنية النيازك من فترات مختلفة، من كشف التاريخ العاصف والمعقد لخلق المجموعة الشمسية.
نشوء العناصر الكيميائية الرئيسية
من الواضح ان الارض ، مثل بقية الكواكب، تتكون من العديد من العناصر الاساسية بما فيها عناصر معدنية صلبة، الامر الذي يشير الى ان مركباتها جاءت من تكونات لاحقة لظهور شمس وتحت ضغط عمليات تفاعل لاحقة اكثر تعقيدا ، اي ليس فقط بعد نشوء الشموس من السحابة الكونية الاصلية، وانما ايضا بفضل نشوء الشموس وكنتيجة لها. إذ اخذنا الكون كوحدة واحدة فإن العناصر الاساسية الاثقل من الهدروجين والهليوم نادرة للغاية. ثلاثة ارباع الكون من الهيدروجين والربع الاخير من الهليوم، في حين ان مجموع بقية العناصر مع بعضها يصل الى حوالي واحد بالمئة فقط من مجموع الكون المعالج في هذا الموضوع. هذا الامر يترابط مع انطلاقة الكون بالتكون من الهدروجين والهليوم منذ الانفجار العظيم. جميع العناصر الاساسية الاخرى التي يتكون منها جدول مندلييف نشأت لاحقا مع مشاكل كبيرة في عمليات معقدة في الشموس. صعوبة هذه العمليات تنعكس لنا من خلال ان اقل من واحد بالمئة من كمية الهيدروجين الاصلية كان من الممكن تحويله الى عناصر اثقل على مدى 13 مليار سنة من وجود الكون.
بناء العناصر الاساسية في نواة الشموس يجري من خلال سلسلة من عمليات الالتحام. سلسلة الالتحامات تنشأ مع التحام ذرتين من ذرات الهيدروجين مع بعض. هذه العملية تترك خلفها نواة من هيدروجين ثقيل (deuterium), والمؤلف من بروتون ونيترون. عند إبعاد نيوترون وبوزيترون تتحرر طاقة. عند ذلك تلتحم نواة الهيدروجين الثقيل مع ذرة هيدروجين اخرى وتترك خلفها نواة من الهليوم ومن جديد تطلق طاقة. طاقة اضافية تتحرر عند التحام ذرتين من الهليوم ،ليتحولوا الى نوع مستقر، يجري تحرير ذرة هيدروجين التي بدورها تقوم بالانضمام الى سلسلة التفاعلات من بدايتها، في حين تواصل العناصر الاثقل مسيرة المشاركة بعمليات التحام اكثر رتعقيدا لتنتج عناصر اكثر ثقلا.
غير ان هذه العمليات يمكن ان تكون فعالة فقط الى حدود بناء عنصر الحديد، والذي يملك رقم ذري 26. هذا الامر بسبب ان عملية الالتحام للوصول الى الحديد تستهلك طاقة اكثر مما تنتج. على ضوء ذلك فإن انتاج عنصر اساسي اثقل من الحديد، مثلا اوران الذي يملك الرقم الذري 92، سيكون اصعب الى درجة تقرب من الاستحالة. لهذا السبب نجد ان العناصر الاساسية الاثقل من الحديد تشكل على مستوى الكون واحد من المليون من جميع العناصر الاساسية. من هنا يصبح سهلا علينا ان نفهم لماذا تكون المعادن مثل الذهب والبلاتين والاوران نادرة للغاية وبالتالي غالية.
وإذا كان الامر كذلك فمن اين اتت المعادن الثقيلة؟
العناصر الى الحديد تشكلت في داخل الشموس، وانطلقت في الكون بفضل انفجار الشمس في المرحلة الاخيرة من حياتها، وبالتالي لايمكن ان تكون هذه المواد قد جاءت الى الارض عن طريق شمسنا وانما من شمس اخرى بالضرورة. بعد فترة من الالتحامات المُستهلكة للطاقة الداخلية، تنقسم اعماق الشموس الى طبقات (حسب ثقلها) تحتوي على االعناصر الاخف من الحديد حيث يكون الهليوم والهيدروجين في الطبقة السطحية العليا يتبعهم طبقة النيتروجين N, برقم ذري 7 مع الهيلوم لتأتي بعد ذلك طبقة الهليوم مع الكربون يتبعهم طبقة الكربون مع الاوكسجين ثم الاوكسجين والنيون والماغنيزيوم ثم طبقة السيليسيوم Si برقم ذري 14 الى جانب الكبريت S برقم ذري 16 واخيرا تأتي طبقة الحديد والنيكل. التحام المواد الاثقل يحرر كمية اقل من الطاقة، ولذلك فعندما تقل مكونات النجمة من المواد الخفيفة تفقد قدرتها على انتاج طاقة كافية لتحافظ على توزان ضد ثقل مكوناتها المنتجة فتنهار تحت تأثير نشوء مكوناتها بالذات وانتهاء الطاقة ليحدث الانفجار في بعض انواع النجوم.
جميع العناصر الاساسية الاثقل من الحديد تشكلت في تفاعل لاحق يسمى " اسر النيترونين". يحدث في لحظة انفجار السوبرنوفا (في نهاية عمر النجمة) وينتج عنه كمية كبيرة من النيترونات، ومن حيث ان النيترونات محايدة كهربائيا، تستطيع بدون عوائق التغلغل في نواة ذرات العناصر الموجودة سابقا كالحديد او العناصر الاخرى الاخف. عندها يتشكل ايسوتوب غني للغاية بفائض النيوترونات، عندها ينتج نواة مشعة نشطة غير مستقرة. في ظروف ذرة الحديد تكون قادرة على الالتحام بما يصل الى خمسة نيوترونات بلمحة البصر، فتصبح غير مستقرة لتتحول بنيتها على الفور منتجة الكوبالت صاحب الرقم الذري 27. على هذا المنوال يجري بناء العناصر الاساسية الاكثر ثقلا من الحديد. من ناحية اخرى فإن الوقت المتاح للعناصر للنشوء قصير للغاية في كل انفجار على حده، قبل ان يختفي الاشعاع النيوتروني، إضافة الى ان عدد قليل من النجوم ( الاكثر ثقلا) تنتهي حياتهم على شكل انفجار سوبرنوفا.
نظرية جديدة تشير الى ان القسم الاكبر من العناصر الاكثر ثقلا مثل الذهب والاوران، نشأت في عمليات التحام اكثر عنفا كالتي تحدث بنتيجة اصطدام نجمتين نيوترينيات. على ضوء هذه المعطيات يصبح من الواضح الدور الكبير الذي لعبه انفجار السوبر نوفا في منطقة شمسنا وقبل نشوء كواكب مجموعتنا الشمسية، بحيث ان اجسام كواكب المجموعة الشمسية اتيح لها مكونات من مختلف العناصر الاساسية التي تدخل في بناء جسدها الصلب، وعلى الاخص النواة.
كيف نشأ جو الارض؟
على خلفية الاستعراض اعلاه للنشوء المعقد للشمس ومجموعتها من الكواكب، فإن محاولة الوصول الى كيفية ظهور الجو الاول للارض سيكون غاية في الصعوبة، غير انه بالامكان القول بكل ثقة ان جو الارض تغير للغاية منذ ظهورها قبل 4,6 مليار سنة من غازات ونيازك السحابة الاولى الباقية بعد تشكل الشمس المبكرة.
الجو الاول كان يتألف من غاز الهيليوم والهيدروجين، غير ان الارض المبكرة كانت حارة للغاية وصغيرة بحيث انها لم تكن قادرة على إمتلاك جاذبية كافية للحفاظ على غازات الارض التي تعصف بها الرياح الشمسية وتدفعها الى الفضاء الخارجي، تماما كما فعلت بجو المريخ. غير ان استمرار هطول النيازك على الارض والزمن ادى الى زيادة حجم الارض وبالتالي زيادة جاذبيتها عد عن تسبب في تبرد السطح، مما ادى الى نشوء الجو الثاني للارض من بخار الماء واوكسيد الكربون إضافة الى القليل من الازوت والامونياك وبعض الغازات الاخرى ولكن كان بدون اوكسجين.
الجو الثالث للارض كان نتاج تتدخل عوامل جديدة. العامل الاول هو سقوط نيازك جليدية حملت الماء الى الارض، وهناك احتمال كبير ان القسم الاكبر من مياه الارض جاءت من الفضاء. بفضل نشوء البحار اصبح بالامكان انحلال قسم كبير من غاز الكربون في الماء واختفاءه من الجو.
من ناحية ثانية نشأت الحياة البسيطة الاولى قبل ثلاثة مليارات من السنين حيث نشأت بكتريا Cyanobacteria, المنتجة للاوكسجين. خلال العديد من الاحقاب الجيلوجية انتجت وبعثت هذه البكتريا الاوكسجين في الجو. في البداية كان الاوكسجين يتحد (يتأكسد) مع العديد من المركبات التي تنجذب للاتحاد مع الاوكسجين مثل الحديد، وبالتالي يمنعها عن الوصول الى الجو كعنصر حر.
مع الزمن اصبحت كمية الاوكسجين فائضة عن كمية المركبات الساعية للاتحاد معه مما جعله يتراكم في الهواء بشكله الحر. إضافة الى ذلك جرى نشوء طبقة الازون التي قدمت حماية للحياة البيلوجية ضد الاشعة الكونية. في المليارين الاخيرين من السنين امتلكت الارض جو غني بالاوكسجين، قريب للغاية من الجو الذي نملكه اليوم. غير ان الابحاث تشير الى ان معدل الاوكسجين في الجو كان في صعود ونزول على الدوام، وان جو الارض معرض للتغير بدون توقف.
مصادر:
Models for the Origin of Planetary Systems
kondriter
Jorden - ett undantag
Evolution of a Small and a Large Rocky Planetary Body
المواد المنبعثة عن النجوم المحتضرة
هل تملك الكواكل الشمسية اصلا مشتركا؟
لماذا يحدث انفجار السوبر نوفا
نشوء المجموعه الشمسية
18/2008 s.36-39; 1/2009, s.24; 14/2009 s.9; 17/2009 s.52
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق