سیارات سنگی ممکن است خیلی زودتر از آنچه انتظار میرفت شکل گرفته باشند، تقریباً بلافاصله پس از آنکه نخستین ستارگان مواد لازم برای ساخت آنها را در جهان فراهم کردند.
شبیهسازیهای رایانهای جدید نشان میدهند که سیارهنماها، پیشسازهای جامد سیاراتی مانند زمین، میتوانستند تنها حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ شکل گرفته باشند. در آن زمان، جهان کمتر از ۱ درصد سن کنونی خود را داشت و نخستین نسلهای ستارگان تازه شروع به تغییر ترکیب شیمیایی کیهان کرده بودند.
این یافته، آغاز احتمالی تشکیل سیارات سنگی را میلیاردها سال زودتر از آنچه بهطور سنتی انتظار میرفت به عقب میاندازد و این امکان را باز میکند که محیطهای بالقوه قابل سکونت نیز خیلی زودتر از آنچه دانشمندان تصور میکردند پدید آمده باشند.
مهبانگ جهانی را پدید آورد که عمدتاً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بود و تنها مقادیر اندکی از چند عنصر سبک دیگر داشت. کربن، اکسیژن، آهن، سیلیسیم و سایر مواد لازم برای ساخت سیارات سنگی باید بعدها در درون ستارگان ساخته میشدند.
برخی از نخستین ستارگان، که به نام ستارگان جمعیت سوم یا ستارگان پاپ سه شناخته میشوند، تصور میشود بسیار پرجرم بودهاند. وقتی برخی از ستارگان پاپ سه به پایان عمر خود رسیدند، منفجر شدند و عناصر تازه ساختهشده را در فضای اطراف پراکنده کردند و ابرهای گازی بکر را به موادی تبدیل کردند که از آنها ستارگان و سیارات پیچیدهتر از نظر شیمیایی میتوانستند شکل بگیرند.
یک انفجار بهویژه شدید ممکن است این فرآیند را بهطور چشمگیری تسریع کرده باشد.
ابرنواخترهای ناپایداری جفتی پیشبینی میشود که در برخی ستارگان بسیار پرجرم رخ دهند. به جای باقی گذاشتن یک باقیمانده ستارهای معمولی، چنین انفجاری میتواند ستاره را کاملاً متلاشی کند و مقدار عظیمی از عناصر تازه ایجاد شده را آزاد کند.
مدلها نشان میدهند که برخی ابرنواخترهای ناپایداری جفتی پاپ سه میتوانند بیش از ۱۰۰ برابر جرم خورشید عناصر سنگین پرتاب کنند. آن عناصر میتوانند با گاز مجاور مخلوط شوند و فلزیبودن آن را، که اصطلاح نجومی برای فراوانی عناصر سنگینتر از هیدروژن و هلیوم است، به سطوحی برسانند که برای تشکیل دانههای جامد و در نهایت مواد سیارهای کافی باشد.
محققان به رهبری دانشمندانی از جمله دنیل والن از دانشگاه پورتسموث آنچه را که ممکن بود بعداً رخ دهد مدلسازی کردند.
«مقاله جدید ما، که در آن دانشجوی دکتری من، کریس جساپ، بخش اول زنجیره شبیهسازی را اجرا کرد، نشان میدهد که پیشسازهای سیارات زمینی میتوانند در اطراف ستارگان کمجرم و پرعمر در بقایای نخستین انفجارهای کیهانی ۱۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ شکل بگیرند.
«برای درک بهتر، جهان حدود ۱۳.۸ میلیارد سال سن دارد، بنابراین این زمان بسیار اولیه در تاریخ کیهان است»، والن گفت.
شبیهسازیها گاز غنیشده را دنبال کردند که تحت گرانش فرو ریخت و ستارهای نسبتاً کوچک را به دنیا آورد که توسط یک قرص پیشسیارهای چرخان احاطه شده بود. این اساساً همان نوع ساختاری است که سیارات از آن در اطراف خورشید جوان شکل گرفتند.
اما این منظومه در سپیدهدم کیهانی وجود داشته است.
در مدل محققان، ستاره نوظهور تقریباً ۷۰ درصد جرم خورشید را داشت. در اطراف آن، غبار و سایر مواد جامد در قرص انباشته شدند و شروع به تولید سیارهنماها کردند.
این اجرام یک گام میانی مهم در تشکیل سیاره هستند. دانههای غبار ابتدا با هم برخورد میکنند و به هم میچسبند و در نهایت اجرام بزرگتری تولید میکنند. هنگامی که سیارهنماها تشکیل میشوند، برخوردهای مداوم و برهمکنشهای گرانشی میتوانند جنینهای سیارهای و احتمالاً سیارات کامل را بسازند.
شبیهسازیها چند جرم زمینی سیارهنما را در فاصله تقریباً ۰.۵ تا ۱ واحد نجومی از ستاره تولید کردند. یک واحد نجومی، یا AU، میانگین فاصله بین زمین و خورشید است، حدود ۹۳ میلیون مایل (۱۵۰ میلیون کیلومتر).
والن گفت: «در شبیهسازیهای رایانهای ما از جهان اولیه، یکی از این قرصها را در اطراف یک ستاره جوان با جرم حدود ۷۰ درصد جرم خورشید یافتیم. در آن قرص، مواد جامد کافی برای ایجاد چند جرم زمینی بلوکهای ساختمانی سیارهای تقریباً در همان فاصلهای که زمین از خورشید دارد، انباشته شد.»
سیارهنماها فقط ماده اولیهای هستند که سیارات سنگی میتوانند از آنها رشد کنند، و بسیاری از چیزها میتوانند آن فرآیند را مختل کنند. با این حال، تولید چند جرم زمینی از آنها در چنین زمان اولیهای در تاریخ کیهان نشان میدهد که کمبود مواد خام سیارهای ممکن است تشکیل سیارات سنگی را به اندازه آنچه تصور میشد به تأخیر نینداخته باشد.
یکی دیگر از ویژگیهای قابل توجه قرص شبیهسازیشده، محتوای آب آن بود.
کارهای قبلی والن و همکارانش نشان داد که آب میتواند در ابرهای متراکم غنیشده توسط ابرنواخترهای اولیه تنها ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ تشکیل شود. برخی از آن ابرها به غلظتهای آبی رسیدند که تنها چند برابر کمتر از غلظتهای مرتبط با منظومه شمسی بود.
شبیهسازیهای جدید آن سناریو را به مرحله تشکیل سیاره میبرند.
«در کمال تعجب، قرص همچنین حاوی مقادیر قابل توجهی آب بود، تنها چند برابر کمتر از آنچه در زمان تشکیل منظومه شمسی خودمان در دسترس بود. این بدان معناست که هر سیارهای که در آنجا شکل میگیرد میتواند به طور بالقوه آب را به روشی مشابه زمین دریافت کند، که تصور میشود بیشتر آب خود را از مواد باقیمانده در طول فرآیند ساخت سیاره به دست آورده است»، والن گفت.
سیارهنماهای مدلسازیشده توسط محققان در داخل خط برف آب منظومه تشکیل شدند، منطقهای که دما در آن معمولاً برای بقای یخ آب فراوان بسیار بالا است. در نتیجه، آن سیارهنماهای خاص در ابتدا نسبتاً خشک بودند.
این لزوماً سیارات پرآب را رد نمیکند. محققان پیشنهاد میکنند که سیارات در حال توسعه میتوانند بعداً آب را از موادی که از ستاره دورتر هستند دریافت کنند، تا حدودی شبیه سناریوهای پیشنهادی برای رساندن آب به زمین اولیه.
پیامدها بهویژه جالب میشوند زیرا ستاره در شبیهسازی یک ستاره کمجرم است، نه یکی از غولهای کوتاهعمر که عناصر اصلی را تولید کردند.
ستارگان کمجرم میتوانند برای دورههای بسیار طولانی زنده بمانند. محققان خاطرنشان میکنند که ستارهای با حدود ۴۰ درصد جرم خورشید که در این دوره اولیه شکل گرفته باشد، میتواند امروز نیز بدرخشد. این احتمال را افزایش میدهد که بقایای اولین دوره تشکیل سیاره در جهان ممکن است در اصل هنوز در کهکشان راه شیری وجود داشته باشند و شاید از طریق جستجوهای آینده برای ستارگان بسیار قدیمی و کمفلز شناسایی شوند.
محاسبات حتی نشان میدهد که شرایط مساعد میتوانست به قرصهای پیشسیارهای غنی از آب مشابه اجازه دهد تا در اوایل حدود ۵۰ تا ۱۰۰ میلیون سال پس از مهبانگ ظاهر شوند.
چنین امکانی جدول زمانی کیهانی موجود برای تکامل سیارهای را بهطور چشمگیری تغییر میدهد. زمین حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش، بیش از ۹ میلیارد سال پس از مهبانگ، شکل گرفت. بنابراین یک جهان سنگی که در سپیدهدم کیهانی متولد شده باشد، میلیاردها سال از زمین جلوتر خواهد بود.
اینکه آیا چنین سیاراتی واقعاً شکل گرفتهاند، زنده ماندهاند یا هرگز شرایط قابل سکونتی ایجاد کردهاند، ناشناخته باقی مانده است. این مطالعه بر اساس شبیهسازیهای عددی است تا مشاهده یک منظومه سیارهای باستانی، و جهان اولیه محیطی بسیار متفاوت و اغلب خشن بود.
این کار در عوض چیزی اساسیتر را نشان میدهد: مواد فیزیکی و فرآیندهای لازم برای شروع مونتاژ سیارات سنگی ممکن است به طرز شگفتآوری به زودی پس از شروع ساخت عناصر سنگین توسط اولین ستارگان ظاهر شده باشند.
«یافتههای ما نشان میدهد که شرایط برای تشکیل سیاره ممکن است خیلی زودتر از آنچه قبلاً تصور میشد وجود داشته باشد. اگر چنین باشد، این سوال جالبی را ایجاد میکند: آیا جهانهای بالقوه قابل سکونت نیز میتوانستند خیلی زودتر در تاریخ جهان ظاهر شده باشند؟» والن گفت.
منبع: «تشکیل سیاره در سپیدهدم کیهانی: سیارهنماها در قرصهای غنی از H$_2$O در اطراف ستارگان کمجرم» نوشته ادوارد آی. ووروبیوف، دانیل جی. والن، محمد ا. لطیف، الکساندر ام. اسکلیارفسکی، کریستوفر جساپ، ریوکی ماتسوکوبا، تاکاشی هوسوکاوا و دوش ناندال، ۳۰ ژوئیه ۲۰۲۶، arXiv.
DOI: 2501.08375