زندگی در کیهان چه زمانی می‌توانست پدید آمده باشد؟
زندگی ممکن است تنها اندکی پس از مه‌بانگ پدید آمده باشد.
شبیه‌سازی‌های جدید نشان می‌دهند که جهان‌های قابل‌سکونت ممکن است تنها ۲۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ شروع به شکل‌گیری کرده باشند.
نویسنده: کانر فیلی
ویراستار: لی بیلینگز
توضیح تصویر: تصویری خیالی از برخی از نخستین ستارگان کیهان
تصویری خیالی از برخی از نخستین ستارگان کیهان که تصور می‌شود حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ شکل گرفته‌اند. تحقیقات جدید نشان می‌دهد این ستارگان به‌طور شگفت‌انگیزی در اوایل تاریخ کیهانی، آب را به کیهان وارد کرده‌اند.
«زندگی فرازمینی»
دانشمندان امروزی با اطمینان بالایی می‌دانند که کیهان ما حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش، با انحراف احتمالی ۵۹ میلیون سال، از طریق مه‌بانگ به وجود آمده است. اما در مورد پرسشی مرتبط، اطمینان کمتری دارند: زندگی چه زمانی می‌توانست برای اولین بار در جایی از کیهان پدید آید؟ منظومه شمسی ما تنها ۴.۶ میلیارد سال پیش شکل گرفت، یعنی زمانی که دو سوم عمر کیهانی سپری شده بود، و به نظر می‌رسد زندگی روی زمین تقریباً بلافاصله پس از خنک شدن زمین از تولد آتشین خود و پیدایش اقیانوس‌های آب مایع آغاز شده است.
آیا ما از پیشگامان کیهان هستیم یا حتی اولین‌ها؟ یا شاید دیر به این مهمانی کیهانی رسیده‌ایم و زندگی خیلی زودتر در تاریخ کیهان پدید آمده است؟ تعیین زمان پیدایش پیش‌نیازهای حیاتی برای زندگی، همان‌طور که ما می‌شناسیم، در اینجا کمک‌کننده است: به‌طور خاص، آب چه زمانی شکل گرفت و چه زمانی توانست سیاره‌ای مناسب برای استقرار پیدا کند؟
این خط فکری الهام‌بخش مقاله‌ای جدید است که در مجله «Nature Astronomy» منتشر شده و بررسی کرده که چه مقدار آب ممکن است توسط برخی از نخستین ستارگان تولید شده باشد. این مطالعه نشان داد که این ستارگان می‌توانستند کیهان را با مولکول حیات‌بخش آب به‌طور شگفت‌انگیزی زودتر غنی کرده باشند. یک مطالعه پیش‌چاپ بعدی توسط گروهی که شامل نویسندگان مشابه است و برای انتشار در مجله «Science» ارسال شده، نشان می‌دهد که سیارات سنگی با قابلیت میزبانی اقیانوس‌ها می‌توانستند اندکی پس از آن از این مواد غنی از آب تشکیل شوند.
دانیل والن، اخترفیزیک‌دان دانشگاه پورتسموث در انگلستان و نویسنده اصلی هر دو مطالعه، می‌گوید: «شبیه‌سازی‌های ما نشان داد که می‌توانستید مکان‌هایی برای تشکیل سیارات داشته باشید که تنها ۲۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ با سطح آب مشابه منظومه شمسی امروزی غنی شده باشند.»
برای درک پیامدهای این یافته، فرض کنید ۱۳.۸ میلیارد سال تاریخ کیهان به یک عمر ۷۰ ساله انسانی فشرده شده باشد. نتایج والن و همکارانش نشان می‌دهد که شرایط قابل‌سکونت می‌توانست زمانی وجود داشته باشد که این موجود کیهانی اکنون سالخورده فقط یک سال سن داشت. پنجره فرصت برای شکل‌گیری و شکوفایی زندگی ممکن است بسیار گسترده‌تر و قدیمی‌تر از آن چیزی باشد که پژوهشگران پیش‌تر تصور می‌کردند. جهان‌های زنده با اقیانوس‌های باستانی که در چند صد میلیون سال اول پس از آغاز زمان شکل گرفته‌اند، ممکن است در سراسر کیهان پراکنده باشند.
دستور کیهانی زندگی
تاکنون، قدیمی‌ترین آب شناخته‌شده در کیهان توسط آرایه میلی‌متری/زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما (ALMA) در شیلی شناسایی شده است که نشانه‌های طیفی H₂O را در کهکشانی در فاصله حدود ۱۲.۸۸ میلیارد سال نوری از زمین – و بنابراین از زمانی که کیهان کمتر از یک میلیارد سال سن داشت – رصد کرد.
اما می‌دانیم که در ابتدا، کیهان یک بیابان کیهانی بود، بدون حتی یک قطره آب برای نوشیدن. این وضعیت حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ تغییر کرد، زمانی که اولین ستارگان کیهان شروع به درخشیدن کردند. توده‌های متراکم هیدروژن و هلیوم اولیه که از مه‌بانگ باقی مانده بودند، تحت وزن گرانشی خود فروپاشیدند و واکنش‌های زنجیره‌ای ترموهسته‌ای را در هسته‌هایشان شعله‌ور کردند که کیهان را روشن ساخت. در این کوره‌های هسته‌ای عظیم و درخشان، اولین مقادیر قابل‌توجه از عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم ساخته شدند.
این ستارگان که سریع زندگی کردند و جوان مردند، با مرگ انفجاری خود به صورت ابرنواخترها، محیط اطراف خود را با عناصری مانند اکسیژن، کربن و سیلیکون غنی کردند. نسل‌های بعدی ستارگان و سیارات از این خاکسترهای ستاره‌ای بارور شکل گرفتند و اکسیژن ناشی از ابرنواخترها احتمالاً با هیدروژن اولیه فراوان ترکیب شد تا آب را به وجود آورد.
آوی لوب، اخترفیزیک‌دان دانشگاه هاروارد، می‌گوید: «برای ۱۰۰ میلیون سال، کیهان فاقد بلوک‌های سازنده زندگی مانند اکسیژن یا کربن بود. هنگامی که همجوشی هسته‌ای در درون ستارگان آغاز شد، کیهان بسیار جالب‌تر شد.»
بنابراین، از برخی جهات، ورود زودهنگام مواد اولیه زندگی – آب و عناصر سنگین‌تر که قادر به تشکیل مولکول‌های پیچیده هستند – چندان شگفت‌انگیز نیست. اما جزئیات چگونگی گردهم آمدن این مواد اولیه برای آماده‌سازی صحنه زندگی همچنان مبهم مانده است.
غلبه بر موانع
با وجود این فراوانی اولیه، تولید آب در آن زمان لزوماً آسان نبود. مشکل این است که حتی اگر اولین ستارگان مقدار زیادی اکسیژن تولید کردند، این اکسیژن هنگام پخش شدن به فضا از طریق ابرنواخترها در مناطق وسیعی پراکنده می‌شد.
در نتیجه، نسبت به سایر عناصر، غلظت اکسیژن همچنان پایین بود و این می‌توانست تشکیل آسان آب را محدود کند. علاوه بر این، هر مولکول آبی که تشکیل می‌شد، به راحتی توسط تابش فرابنفش (UV) شدید ساطع‌شده از ستارگان در کیهان اولیه – که کوچک‌تر و شلوغ‌تر از امروز بود – به اتم‌های سازنده‌اش تجزیه می‌شد.
اما در سال ۲۰۱۵، لوب به همراه شوموئل بیالی (اکنون در مؤسسه فناوری تکنیون اسرائیل) و آمیل اشترنبرگ از دانشگاه تل‌آویو پیش‌بینی کردند که با وجود این موانع، شرایط معتدل احتمالی می‌توانست تشکیل آب را آغاز کند. تنها چیزی که لازم بود، دمایی بین ۲۵۰ تا ۳۵۰ کلوین (۲۳- تا ۷۷ درجه سانتی‌گراد) در برخی از ابرهای گازی بود که در کیهان اولیه فراگیر بودند.
بیالی می‌گوید: «در دماهای بالای گاز، مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی بسیار کارآمد که به تشکیل آب منجر می‌شوند، فعال می‌شوند. این امر نرخ تشکیل H₂O را به حدی افزایش می‌دهد که می‌تواند کمبود اکسیژن و تابش مخرب فرابنفش را جبران کند.»
شبیه‌سازی‌های جدید والن و همکارانش وزن بیشتری به این پیش‌بینی‌های قبلی می‌افزاید.
در مطالعه منتشرشده در «Nature Astronom»، تیم او مدل‌های عددی برای انفجارهای ابرنواختری دو ستاره نسل اول ساختند – یکی ۱۳ برابر سنگین‌تر از خورشید و دیگری ۲۰۰ برابر سنگین‌تر از ستاره ما. ستاره کوچک‌تر شبیه‌سازی‌شده حدود ۱۲ میلیون سال قبل از مرگ به صورت ابرنواختر زنده ماند و ۱۷,۰۰۰ جرم زمین اکسیژن را به محیط میان‌ستاره‌ای اطراف پرتاب کرد. ستاره بزرگ‌تر تنها دو و نیم میلیون سال دوام آورد و قبل از مرگ انفجاری خود، ۵۵ جرم خورشیدی (بیش از ۱۸ میلیون جرم زمین) اکسیژن تولید کرد.
آنچه بعد اتفاق افتاد شگفت‌انگیز بود: با گسترش موج شوک هر ابرنواختر شبیه‌سازی‌شده، امواجی ایجاد شدند که تغییرات چگالی را در گاز اطراف به وجود آوردند و باعث شدند بخشی از گاز به صورت توده‌هایی متراکم شود. از آنجا، این توده‌های متراکم با اکسیژن و سایر عناصر نسل بعدی که از جبهه انفجاری ابرنواختر پخش می‌شدند، غنی شدند. مطابق با پیش‌بینی لوب، اشترنبرگ و بیالی، گاز متراکم‌تر به توده‌ها اجازه داد گرمای حرارتی بیشتری را نگه دارند که واکنش‌های شیمیایی سریع‌تر تولید آب را امکان‌پذیر کرد.
والن می‌گوید: «اگرچه تولید کل آب در یک انفجار ابرنواختری معین اندک است، کسر جرمی آب در توده‌های متراکم ایجادشده توسط انفجار می‌تواند به مقادیری نزدیک به آنچه امروز در منظومه شمسی وجود دارد، برسد. این نتیجه‌ای بود که انتظارش را نداشتیم و مهم است زیرا این توده‌های متراکم تنها ساختارهایی هستند که می‌توانند در بقایای انفجار فروپاشی کرده و ستارگان و دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای را تشکیل دهند.»
والن هشدار می‌دهد که شبیه‌سازی‌های گروهش در حال حاضر تنها پاسخ‌های موقتی ارائه می‌دهند. او می‌گوید: «ما همه فیزیک را در اختیار نداریم. مطمئن نیستیم که جرم اولین ستارگان چقدر بوده، اما به‌طور کلی تصور می‌شود که آنها ده‌ها تا صدها برابر جرم خورشید بودند.» شبیه‌سازی‌ها همچنین تنها تشکیل یک ستاره را در هر زمان مدل‌سازی کردند، در حالی که اجماع بر این است که کیهان اولیه بسیار شلوغ بود و چندین ستاره به‌طور همزمان و نزدیک به هم شکل می‌گرفتند. اینکه این امر چگونه ممکن است بر تولید آب تأثیر بگذارد، نامشخص است.
فقط آب اضافه کنید
حالا فرض کنیم این گمانه‌زنی‌های نظری و مدل‌های محاسباتی واقعیت را منعکس کنند. اگر آب در مناطق کیهان اولیه که ستارگان نسل دوم می‌توانستند بعداً شکل بگیرند، این‌قدر فراوان بود، آیا سیارات شبیه زمین می‌توانستند از این مه کیهانی پدید آیند؟
این اساساً سؤالی است که والن و همکارانش در مطالعه‌ای که به *Science* ارسال کردند، مطرح کردند. مجموعه دوم شبیه‌سازی‌ها آزمایش کرد که آیا توده‌های گازی غنی‌شده با آب از مطالعه اول می‌توانستند به یک ستاره کم‌جرم با دیسک پیش‌سیاره‌ای فروپاشی کنند که بتواند جهان‌های سنگی و مرطوب را به وجود آورد. و پاسخ کوتاه این است که بله، می‌توانند.
در این شبیه‌سازی‌های بعدی، یک ستاره کوچک، حدود سه چهارم جرم خورشید، از گاز متراکم متولد می‌شود و سیاره‌سنگ‌هایی – پیش‌سازهای مقیاس کیلومتری سیارات زمین‌مانند – را به همراه دارد. با وجود تشکیل احتمالی‌اش در اوایل تاریخ کیهانی، ستاره‌ای با این اندازه ممکن است هنوز بیشتر سوخت ترموهسته‌ای خود را نسوزانده باشد، به این معنا که حتی اکنون، پس از میلیاردها سال، همچنان می‌درخشید. و این یعنی سیارات احتمالی میزبان اقیانوس‌های اولیه‌اش ممکن است هنوز آنجا باشند، منتظر ما برای یافتن و مطالعه آنها.
این به این معنا نیست که زندگی لزوماً شروع آسانی در چنین جهان‌هایی داشته است. برخوردها فاجعه‌بار با پیش‌سیارات، سیارک‌ها و دنباله‌دارها در طول تشکیل سیاره و برای ده‌ها تا صدها میلیون سال بعد از آن معمول تلقی می‌شوند. زندگی، اگر در یکی از این جهان‌ها پدید آمده بود، باید این بمباران را تحمل می‌کرد – یا منتظر پایان آن می‌ماند.
با برون‌یابی از تاریخ زمین، که در آن زندگی ممکن است تنها چند صد میلیون سال پس از وجود سیاره آغاز شده باشد، یک گاهشمار تقریبی کیهانی پدید می‌آید: ۱۰۰ میلیون سال برای تولد اولین ستارگان، ۱۰ میلیون سال برای زندگی، مرگ و پخش عناصر سنگین‌تر توسط این ستارگان، ۱۰۰ میلیون سال دیگر برای تشکیل نسل دوم ستارگان کم‌جرم، و ۱۰۰ میلیون سال دیگر برای رسیدن سیارات سنگی به شرایط پایدار سطحی مناسب برای زندگی. این جدول زمانی نشان می‌دهد که زندگی می‌توانست تنها ۳۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ آغاز شود، شاید حتی پیش از تشکیل اولین کهکشان‌های قابل‌شناسایی.
یکی از معماهایی که والن هنوز به آن فکر می‌کند، منشأ آب اقیانوس‌های زمین است. او می‌گوید: «کسی از من پرسید آیا ممکن است بخشی از این آب اولیه هنوز اینجا باشد – و باید بگوییم: نمی‌توانیم آن را رد کنیم. برخی از آب‌های روی زمین از خود منظومه شمسی قدیمی‌تر هستند، اما دقیقاً نمی‌دانیم این آب چقدر قدمت دارد؛ ممکن است بخشی از آن اولیه باشد.»
این چیزی است که دفعه بعد که لیوانی را بالا می‌برید، به آن فکر کنید: برخی از آن مولکول‌های رفع‌کننده تشنگی در لیوان شما ممکن است بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش در موج شوک در حال گسترش یکی از اولین ستارگان کیهان شکل گرفته باشند.