نگاهی به نحوه ی تشکیل منظومه ی شمسی

خورشید ما کمی بیش از چهار و نیم میلیارد سال پیش تشکیل شده است. خورشید ما نیز مثل هر ستاره دیگری در جهان به شکل توده در هم پیچیده ای از ابرهای گازی که عمدتا از هیدروژن و هلیم تشکیل شده بود به وجود آمده اما خرده ریزه هایی که از انفجار سایر ستاره ها باقی مانده بودند، غبارهای بسیار ریز کیهانی که از عناصر سنگین تر همانند کربن، اکسیژن، آلومینیوم، کلسیم و آهن تشکیل شده بودند، نیز در سرتاسر این ابرها پراکنده بودند. این ذرات گرد و غبار که حتی از ذرات غباری که لبه پنجره می نشیند، کوچک تر است، به عنوان نقاط تجمع در سحابی خورشیدی عمل می کند. سایر موارد از جمله یخ، دی اکسید کربن منجمد، دور این نقاط گردهم می آیند و بدین ترتیب این ذرات کم کم بزرگ و بزرگ تر شده و به اجرامی به اندازه یک دانه شن، یک صخره و نهایتا یک تخته سنگ تبدیل می شوند. طی چند میلیون سال، تریلیون ها تریلیون قطعه یخی، سنگ ریزه و اجرام فلزی در اطراف خورشید جوان گردهم می آیند. طی ربع میلیارد سال بعد بسیاری از این اجسام در یکدیگر ادغام شده و بدین شکل سیارات بزرگ ، اقمار، سیارک ها و اجرام موجود در کمربند کوئیپر به وجود می آیند. (برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید به مقاله «tightening our kuiperbelt» که در شمار فوریه ۲۰۰۳ نشریه Natural History به چاپ رسیده است مراجعه کنید.) اجرام کوچکتری که حول خورشید در حال چرخشند، طی مدت های طولانی که از تشکیل آنها گذشته است، چندان تغییر نکرده اند.

بعضی وقت ها یکی از این قطعات سرگردان که باقیمانده های تشکیل سیارات محسوب می شوند با سطح زمین برخورد می کنند. هنگامی که قطعات با زمین برخورد کنند، شهاب سنگ نامیده می شوند. مجموعه داران شهاب سنگ ها را برحسب میزان جلب توجهشان قیمت گذاری می کنند، اما اخترشناسان این اجرام را با توجه به تاریخ شان ارزش گذاری می کنند. همانطور که سنگواره های گیاهان و جانوران، داستان حیات در زمین را ثبت می کنند، این اجرام نیز داستان منظومه شمسی را در سال های اولیه آن ثبت کرده اند. بعضی اوقات نیز این امکان وجود دارد که از آنها برای بررسی تاریخ شکل گیری منظومه شمسی استفاده کنیم. در تحقیقات جدید که توسط شوگوتاچیبانا (Shogo Tachibana) و گری هاس (gary Houss) در دانشگاه ایالتی آریزونا انجام شده است نیز دقیقا همین کار صورت گرفته است؛ یعنی آنها با بررسی آهن رادیواکتیو یا به عبارت بهتر تحقیق روی دوتا از قدیمی ترین شهاب سنگ های شناخته شده، توانستند گام دیگری به شناخت حوادثی که به تولد خورشید منجر شد، بردارند. آهن موجود در زمین رادیواکتیو نیست، یا حداقل در حال حاضر رادیواکتیو نیست. بیش از ۹۰ درصد آهنی که در زندگی روزمره با آنها سروکار داریم، از جمله آهنی که در ساختمان ها به کار می رود یا آهن موجود در کلم بروکسل و خون، حاوی ۲۶ پروتون و ۳۰ نوترون است. سایر اتم های آهن نیز حاوی ۲۸، ۳۱ یا ۳۲ نوترون است. انواع مختلف یک عنصر که ایزوتوپ نامیده می شوند، توسط اختلافی که در تعداد نوترون های هسته آنها وجود دارد، از یکدیگر متمایز می شوند، اما برای نامگذاری آنها مجموع تعداد نوترون ها و پروتون های هسته ذکر می شود؛ بنابراین انواع مختلف آهن به صورت آهن ۵۶ یا آهن ۵۸ و غیره نامگذاری می شود.

تمام این ایزوتوپ های آهن از لحاظ رادیواکتیوی پایدارند. ایزوتوپ های دیگری نیز از آهن وجود دارند اما پایدار نیستند. طی زمان اتم های سازنده ایزوتوپ های ناپایدار به طور خودبه خود ذرات زیر اتمی را از هسته خود منتشر می کنند. این فرآیند (که تلاشی هسته ای نامیده می شود) باعث تغییر در تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در هسته می شود و بدین ترتیب یک ایزوتوپ به ایزوتوپ دیگر یا حتی به عنصر متفاوت دیگری تبدیل می شود. در نهایت نیز ایزوتوپ ناپایدار مورد نظر از بین می رود. از سرعت تلاشی رادیواکتیو می توان به عنوان ساعتی برای تعیین زمان حوادث مهمی که در تاریخ زمین یا منظومه شمسی روی داده است، استفاده کرد. حداقل به طور نظری، می توان به اندازه گیری نسبت ایزوتوپ های رادیواکتیو ویژه به محصولات پایداری که طی تلاشی بعضی عناصر به وجود می آید، دریافت که از زمانی که جسم آخرین بار از گونه های رادیو اکتیو غنی شده است، چه مدت زمانی می گذرد با توجه به این نکته که هرکدام از ایزوتوپ های رادیواکتیو با سرعت ثابتی که ویژه آن ایزوتوپ است، تجزیه می شود، سرعت تجزیه را می توان بر حسب مفهوم «نیمه عمر بیان کرد. نیمه عمر نشان دهنده مدت زمانی است که طول می کشد یک ایزوتوپ ویژه تجزیه شده و به ایزوتوپ پایدارتر خود تبدیل شود. اندازه گیری هایی که با استفاده از ایزوتوپ های با عمر کوتاه همانند کربن ۱۴ که دارای نیمه عمر حدود ۷۰۰/۵ سال است، می تواند تاریخ آثار تمدن های اولیه بشری را که در تحقیقات باستانشناسی به دست می آید، نشان دهد.

اما اندازه گیری های صورت گرفته توسط ایزوتوپ های با نیمه عمر طولانی تر، همانند اورانیم ۲۳۸ که نیمه عمری حدود ۵/۴ میلیارد سال دارد می توانند تاریخ تشکیل صخره ها، سیارات و ستارگان را بیان کنند. آهن ۶۰ که ایزوتوپ رادیواکتیو با نیمه عمر حدودا ۵/۱ میلیون سال است طی انفجارهایی که در ستارگان بسیار سنگین یا ابر نواختر (Supernova) روی می دهد، به وجود می آید. از آنجایی که منشا این ایزوتوپ منحصر به فرد است، می توان از این خاصیت مفید برای درک رویدادهای کیهانی استفاده کرد. تاجیبانا و هاس نسبت ایزوتوپی حدود ده نمونه کوچک که از دو شهاب سنگ قدیمی تهیه شده بود را اندازه گیری کردند. این دو جرم که به خاطر مکانی که در آن یافت شده اند، بیشانبور و کریمکا نامیده می شوند (اولی در هند و دومی در اوکراین به دست آمده اند) به دسته ای از اجرام تعلق دارند که طی چند میلیون سال تولد خورشید تشکیل شده اند. تمام آهن ۶۰ موجود در دو نمونه شهاب سنگ مدت ها پیش از بین رفته و به کبالت ۶۰ رادیواکتیو تبدیل شده است. کبالت ۶۰ رادیواکتیو هم به نوبه خود به اتم پایدار نیکل ۶۰ تبدیل شده است.

تاجیبانا و هاس با آزمایشاتی که روی ذرات مواد معدنی موجود در شهاب سنگ ها انجام دادند، دریافتند مقدار اضافی قابل توجهی از نیکل ۶۰ در نمونه موجود است که این نکته نشان دهنده آن است که آهن ۶۰ زمانی در این نمونه ها وجود داشته است. این محققین با استفاده از سایر عناصر و ایزوتوپ ها، به عنوان ساعت مرجع تاریخ آهن ۶۰ را ردیابی کرده و دریافتند که در سحابی خورشیدی اولیه به ازای هر یک میلیارد (۱۰۹) اتم پایدار آهن ۵۶ حدود ۳۰۰ اتم آهن ۶۰ داشت. شاید این عدد بسیار کوچک به نظر برسد اما باید گفت این عدد ده برابر نسبت ایزوتوپ هایی است که فعلا در گازهای بین ستاره ای کهکشان راه شیری وجود دارد. این مقدار اضافی از آهن ۶۰ درابتدای تشکیل منظومه شمسی رازهای زیادی در مورد منشا کهکشان ما بیان می دارد.

اخترشناسان می دانند که خورشید از ابرگازی شکلی حاصل شده است. علاوه بر آن می دانیم که عاملی باعث شده است تا این توده ابر به چنان چگالی برانی برسد که به تشکیل خورشید منجر شده است. اما پرسش این است که آن حادثه اولیه چه بوده است؟ طبق مدلی که پیش از این ارائه شده است، امواج انفجار ناشی از ابر نواخترها مظنون اصلی این رویداد است. میزان آهن ۶۰ موجود در این دو شهاب سنگ قدیمی دلایل جدیدی در تأیید این نظر فراهم می کند. احتمالا لایه های در حال انبساط مواد ستاره ای که حاوی اتم های آهن ۶۰ حاصل از انفجار ابر نواخترها بودند، هسته های اولیه ابرهای خورشیدی را تشکیل دادند و به همین دلیل حاوی این ساعت های آهن رادیواکتیو هستند. در همان زمان، نیروی اولیه لازم برای تشکیل خورشید منظومه شمسی و نهایتا زمین فراهم شده است.