لماذ قد تكون مياه الأرض أقدم من الأرض نفسها؟

بقلم : ناتالي ستاركي  Natalie Starkey
ترجمة : محمد قبازرد

ميلتون كينيز Milton Keynes هي منطقة اشتهرت، حتى وإن كان ذلك موضع شكّ، بأنها تحتوي على أكبر عدد من الدوارات المرورية في المملكة المتحدة. إلا أنها ليست من الأماكن التي قد تتوقع أنها قد تحتلّ بؤرة جدل مطوّل حول تاريخ الأرض البعيد.

ولكن في مختبرٌ يقع في ضواحيها هناك ما يبدو كرزمة عشوائية من أنابيب معدنية وعلب وموصلات ومحولات وألواح تحكّم إلكترونية، مجمّعةً في جهازٍ بحجم سيارة صغيرة؛ استخدمناها أنا وزملائي لأخذ القياسات الأدق على الإطلاق من صخور تحتوي على آثار الغلاف الجوي الأرضي الأوّلي. ونحن نؤمن بأنه بإمكان تلك القياسات أن تكشفَ سر لغزٍ علمي محيّر.

هذا الكوكبَ عالَمٌ مُفعم بالأنهار والبحيرات والتيارات المائية. غير أنه لا ينبغي فهم الأمر وفقا لتفسيرنا لماضي الأرض. إذ تمدُّنا قياساتنا في جامعة أوبن Open University في مليتون كينيز بمؤشر قوي على أن هذا التفسير باطل. والحكاية الحقيقية لكيفية حيازة الأرض مياهَها تبدو أغربَ بكثير. لو أصبنا، فذلك يعني أن المياه والحياة الكامنة التي تتفتّقُ منها على الأرجح أوسعُ انتشاراً في الكون مما نجرؤ على اعتقاده.

ولفهم لماذا يكون توفرَ كل هذا الكمّ من المياه على الأرض أمراً غيرَ مرجّحٍ، نحتاج إلى العودة إلى ما هو أكثر من 4.6 بليون سنة. كانت الشمسُ الفَتيّةُ ساطعة ويحيط بها حزامٌ هائلٌ من الغاز والغبار الذي سوف يتجمّع ويتماسك على هيئة كواكب. وأي مياهٍ هناك فهي موجودةٌ على هيئة ثلجٍ في الفراغ بَيْن – النَجمي. لو أنّ أياً من هذا الثلج وُجِدَ بِعينِهِ في الجزء الداخلي للنظام الشمسي، حيث ستتشكل الكواكب الصّخرية كالأرض، لشطُرتهُ الحرارةُ والإشعاعُ إلى مُكونِيهِ الذّرّيين: الهيدروجين والأكسجين. هذا يعني أن المادةَ التي شكّلت الأرض ما كان يجب لها أن تَتضَمَّنَ قطرة رُطوبةٍ قَطّ.

فلنتخيّل أن الماءَ بَيْن – النَجمي، بطريقة ما، نجا بالفعل من عملية التكوين النجمي المضطربة لِيَتكثّفَ على هيئة محيطاتٍ على سطح الأرض. وسيكون أمامه عندئذٍ أن يسلم من المسألة الصغيرة للاصطدام الذي أوجد القمر. والكثير من التفاصيل كيفية نشأة القمر لا تزال موضع جدال. ولكنّ أفضل فهمنا يتمثّل بأن جسماً بحجمِ كوكب المرّيخ يُسمى  “ثِيا” Theia تحطّم بارتطامه بالأرض منذ زُهاء 4.5 بليون سنة. والإجماع العلمي هو أنّ أثرَ هذا الارتطام كان عظيماً إلى درجةِ أنه نَثَرَ وبَخّرَ كوكبَنا. وبعضٌ منه عاد ليتشكل  كغازٍ اندمجَ على هيئة قمر والبعضُ الآخر انهار تحت ثقل جاذبيّته ليُعيدَ تشكيلَ الأرض. والاعتقاد العلمي التقليدي هو أنّ المياهَ ما كان يمكنها أن تَصمُدَ وتبقى.

على كلٍّ، الأمر سيّان. إذ لا يمكنُ للمياه الموجودة وقتها سوى أن تُشكّلَ نسبةً ضئيلةً فقط من الأرض، ولكنّ الآن هناك نسبةً هائلةً منها تبلغ 1.3 بليون كيلومتر مربع في المحيطات وَحدها، كيف يمكن لهذا أن يحدث؟

اعتاد كثير من علماء الكواكب أن يتصوّروا أن الأرض كانت قد تلقّت مياهَها -بعد تشكّل القمر-  بإسهامٍ خاصٍ من الفضاء. ومن الممكن أن السعاة الفضائيين كانوا عبارة عن مُذنّباتٌ أو كويكباتٌ وأجرامٌ سماويةٌ تَشَكّلَ أكثُرها بعيداً بقدرٍ كافٍ عن الشمس بحيث تَبقَى المياهُ عليها وتستمر. وقد تساقطت علينا هذه الصخور الفضائية بوفرةٍ خلال حقبةٍ تُعرف بالقشرة الأخيرة Last veneer بعد تشكّل القمر بوقتٍ قريب. وهذه الصخور جلبتْ معها قائمة من المعادن النّفيسة والمواد العضوية والمركبات الطّيّارة إضافة إلى المياه. بمقدورنا رؤيةُ آثار لهذا القذف المحموم المُستَعرّ لو نظرنا إلى الأعلى، إذ لا يزال سطح القمر مَوسُوماً بأثرِ فوّهات الاصطدام.

ليس هناك من ينكر أنّ الأرض كانت تُقذَفُ بهذه الطريقة. ولكنّ التفنيدَ المُفحِم لفكرةِ أنّ القذائف الكونية أحضرت لنا المياه أتت من مَجَسِّ روزيتا Rosetta Probe الذي زار مُذنّب 76ب/ غوريموف/ جيراسيمنكو/ في عام 2014، ووجد أنه يحوي “النوع الخاطئ من المياه”.

كل العناصر الكيميائية – بما فيها تلك التي في جزيئات الماء – تتأتى في تنويعات تُدعى نظائر Isotopes ذات كُتلٌ مُتباينة. ونِسَبَ النظائر المختلفة للهيدروجين في مياه الأرض لا تُطابق تلك الموجودة في مياه المُذنّب. وهذا كان واحداً من سلسلة من السمات غير المتطابقة. لمدةٍ طويلةٍ ظل علماء الفلك يبحثون عن مُذنَّب أو كويكب أو جِرم ما يحتوي النوع الصحيح من المياه المتوافق مع الخليط الصحيح من العناصر التي نعرفُ أنها تشكلت في حقبةِ القشرةِ الأخيرةِ. إلى الآن لا تطابُق.

”  لقد بحثنا لسنواتٍ عن مُذنّبٍ جَلَبَ مياهَ الأرض – ولكن لا شيء مطابق “

هذا يجرُّنا إلى طريقٍ مَسدودٍ. إذ تنصُّ حكايتنا إلى حدٍّ ما على أنّ المياه ما كان لها أن توجد عندما تكوّنت الأرضُ، وما كان لها أن تنجو وتستمر في الوجود بعد تصادُمِ التكوين القمري. وكما يبدو، ليس بالإمكان القولُ إنّ مياهنا قد جُلِبت بواسطة مُذنّبٍ أو كويكبٍ نعرفُهُ.

لم أقصدْ أن أضع نفسي في وسط هذا اللغزِ العصيِّ على التّعَقُّب. ويعود السببُ في انخراطي في ذلك إلى تاريخ إعدادي لرسالتي للدكتوراه في منتصف عقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عندما كنت أتفحّصُ الصخور التي نشأت من الحدِّ الواقع بين لُبِّ الأرض ووِشاحِها. فقد وصلت هذه العينات إلى السطح قبل ملايين السنين بواسطة حركات التقليب الرأسية Upwellings لصخورٍ ساخنةٍ تُسمّى أعمدة الوِشاح Mantle plumes. وهي تحدثُ فقط في أماكن نادرة مثل جزيرة بافين Baffin Islands في كندا، وغرب غرينلاند كما في حالة عيّناتي. وقد بحثتُ في جيوب الغازات الدقيقة المحبوسة في هذه الصخور. كل جيبٍ عبارة عن كبسولةٍ زمنيةٍ تتيحُ لك دراسةَ عينةٍ بِكر غيرِ مَطروقةٍ من غلاف جو الأرض الفَتيِّ.

منذ سنواتٍ قليلةٍ مضت بدأتُ أعملُ مع ريتشارد غرينوود Richard Greenwood  -في جامعة أوبن -الذي ساهمَ في بناء ما بدا جهازا عشوائيا. إنه مِطيافُ دقة الكتلة Precision Mass Spectrometer الذي يفصل النظائر في عينات الصّخور عن بعضها البعض ويقيس نسبها. لسنوات اشتغل غرينوود وزُملاؤه على تحسين هذا الجهاز إلى أن استطاعوا في النهائية إجراء قياساتٍ دقيقةٍ –بشكل مدهش- لنظائر الأكسجين في عينات صغيرة من صخور.

قررنا أن نقارنَ عينات الصخور التي درستها أثناء رسالتي الدكتوراه بصخور القمر التي جمعها رُوّاد فضاء مركبةِ أبوللو. وظننّا أنه بمقدورنا إنهاءَ خلافٍ طويل الأمد حول ما إذا كان هناك أي تفاوُتٍ في النظائر بين القمر والأرض. فإذا كانت القصةُ التي نُحدّثُ بها أنفسنا حول معلومات قمرنا صحيحةً، فالنظائرُ من كِلا الجِسميْن يجب أن تتماثل. عندما تبخرت الأرضُ خلال التصادُم الهائل، كان لا بُدّ أنّ نظائرَ كل العناصر قد خُلِطَت ووُزِّعت بالتساوي بين القمر والأرض. وكانت هناك سلسلةً طويلةً من قياساتِ نظائر عناصرهُما التي أظهرت أولاً وجود اختلافٍ بينها، ثم نافيةً له، ثم مُظهِرةً له مُجدّداً. كانت فوضى.

تماماً مثل القمر

إنّ تحليلاتِنا الأكثرَ دقّةً بيّنت أن هناكَ تفاوُتاً واضحاً ولكنه ضئيلٌ بين تركيب النظائر في الأرض والقمر – ولكنّ هذا قد يُعزى إلى سيل صخور الفضاء التي قَصَفَت كوكبَنا خلال حقبة القِشرة الأخيرة، ولذا من الممكن أنّ كليهما كان قد بدأ بالمِثل فعلاً.

في محاولةٍ لتقليص الخلاف حول الأرض والقمر والمقتصِر على ذوي الاختصاص، خَلُصنا إلى تسليط الضوء على لغز مياه كوكبنا. استناداً إلى استنتاجاتنا، بمقدورنا القول إن 70% من مياه الأرض على الأقل كانت هنا قبل أن يتشكل القمر. وأي نسبةٍ أقل من هذه ستتطلب تصادُمات أكثر بكثير بأجرام آتية من الفضاء لاستكمال النسبة المتبقّية من المياه. وعلى كُلٍّ، لو كان الأمر كذلك؛ لكانَ بمقدورنا التنبّؤُ برصد فرقٍ شاسعٍ بين تركيب النظائر أكبر مما رصدنا.

ولكن مهلاً: ألمْ نقُلْ للتوّ إنّه من المستحيل لمياه الأرض أن تكون موجودة قبل تكوين القمر؟

وعلى الرغم من أنه يبدو من غير المرجّح، إلا أن بعض الأبحاث وجدت أنه كان بالإمكان التَّشبُّث بسائلنا الذي يمُدُّنا بالحياة خلال كارثةٍ كهذه. فمثلاً، عند إجراء محاكاة حاسوبية لسُحُب البُخار، والتي أجراها روبن كانوب Robin Canup من مركز أبحاث ساوث ويست Southwest Research Institute في ولاية تكساس في عام 2015، ظهرُ أنه كان من الممكن امتلاك الأرض لجاذبية كافية لتُمسِك ببخار الماء.

لكن، على المياه أولاً أن تحلّ إشكاليةً أخرى: أي صُمودُها وتحمُّلُها درجات الحرارة العالية للأرض قبل تصادم تكوين القمر. وكان هذا الدّهر الجهنّمي Hadean، وهو فترة جيولوجية سُمّيَة نسبة إلى جهنم لأنها كانت حارة جداً؛ وتبدو نوعاً ما بيئةً قاسيةً لا يتحملها الماء. ولكن البعضَ الآن يعتقدُ أن أيَّ مياهٍ احتواها كوكبُنا من الممكن أنها احتُجِزَت داخل معادن في عُمق الوشاح. ويقولُ آخرون إن الأرضَ كانت قد بَرُدَت إلى حدٍ كافٍ لدرجة أن قشرة الصخور كان يمكنُ تتشكّلَ فوق السطح المنصهر مُغلّفةً بالماء.

هناك منعطف أكثر غرابة. إذ لا يقتصرُ الأمرُ، ظاهرياً على الأقل، على أن بعضَ مياهِنا تحمّلت الظُّروفَ المُستَعِرةَ العَسيرةَ لسنوات الأرض الأولى والتصادُمَ المُكوِّنَ للقمر فحسب، بل من الممكنِ أنها أقدمُ من كوكبنا نفسه أيضاً. ويأتي هذا  الاستنتاج من مُشاهدات الهيدروجين ونظيره المُشعّ المماثل الديتيريوم Deuterium في المياه داخل المُذنّبات والأجرام والكواكب والفراغ بين – النجمي. ويحتوي الفراغ بين – النجمي على بقايا شذرات مياهٍ بنسبٍ عاليةٍ من الديتيريوم مقارنةً بالهيدروجين. وهو انعكاسٌ للبيئة. والفراغَ بين – النجمي باردٌ ويُقصف باستمرار بإشعاعاتٍ كونيةٍ عالية الطاقة تُرجّح إدراج الديتيريوم في جليد الماء.

لقد اكتشفنا أيضاً أن كل الأجسام – المُذنّبات، الأجرام، الكواكب – داخل النظام الشّمسي تحتوي أيضاً على كمياتٍ كبيرةٍ من الديتيريوم في مياهها، وذلك أمر مُستغرَب. فلو كانت هذه المياه بينَ – نجميّةِ المَنشأ؛ فلا بُد وأنها كانت قد شقَّت طريقَها إلى النظام الشّمسي الداخلي خلالَ سنواتِه المُبكرة الأولى. وعند وصول الماء لا بُد وأنّ إشعاعَ الشمسِ الفَتِيَّ قد فككه إلى ذرّاته المُكوّنة له. وعندما اتحدت هذه الذرات لِتَشكيلِ الماء الذي استقرّ في النهاية على الكواكب، كان لابد من إدراج كميات من الهيدروجين العادي أكثر مما نرصدُهُ فعلياً. وهذا لُغز آخر.

 منذ سنواتٍ قليلةٍ مضت، صَمَّمَ فريقٌ علميٌ برئاسة إلسي كليفز Ilse Cleeves وهي تعمل حالياً  في مركز هارفرد – سميثسونيان للفيزياء الفلكية Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics، تمثيلاً للنظام الشمسي الأوّلي لتحرّي ما إذا كان هناك أيّ جزء من قرص الغاز أو الغُبار المتشكل حول الشمس الفتيّة قادرٌ على توليد المياه ذات الديتيريوم الوفير – ربّما في المناطق الشديدة الإشعاع. ولم يعثروا على أيٍ من ذلك.

” في هذه القصة الغريبة تُملأ أنهارُنا بالماء الذي هو أقدَمُ من الشمس.”

هذا يجرُّنا إلى استنتاجٍ صادمٍ، وهو أنّ مياه كوكبنا ليست أقدم من القمر فحسب، بل لا بُد وأنها كانت قد أتت من الفضاء بين – النجمي الذي يعني أنها أقدمُ من الشمس ذاتها. ومن الصعبِ سَبرُ كيفَ حافظَت على تغلغلها وصولا إلى النظام الشمسي. ولكن ما أن تستبعد الاحتمالات المستحيلة، فإن هذا الاستنتاجُ يفرضُ  نفسه. تقترح كليفز، مُستَلهِمة عمليات محاكات أخرى، أنه من المُرجّح  أنه كانت هناك نافذةَ فُرصةٍ صغيرةً لجليد الماء بين – النجمي ليَنفَذَ من خلالها إلى النظام الشمسي ويتهاطل في حين كانت الكواكب آخذةً بالتكوّن، وذلك بعد أن كانت الشمس قد بَرُدَت بما فيه الكفاية، قبل تشكّل الكواكب.

وكلُّ هذا يشكل قصةً جديدةً جذريا لكيفية حصول الأرض على مياهها، إحداها أنّ أنهارَ كوكبنا ومحيطاته تُملأ بالسائل الذي أتى من الفراغ الموجود بين النجوم. وقد يبدو ذلك غريباً، إلا أنني واثقة بأن هذه القصةَ هي التفسيرُ الأفضل للأدلة المتوفرة لدينا.

ولهذا تضمينات واسعةُ النّطاق، بما في ذلك فيما يختص بالبحث عن حياةٍ خارج نظامنا الشمسي. لو كان الماء بين – النجمي محفوظاً على الأرض -بصرف النظر عن اعتقدنا أنه احتمال لا معقول-  فمن الممكن أن يكونَ هذا الماءُ شائعاً ومُتاحاً بوفرة في الأنظمة النّجمية عبر الكون. ونحن نؤمنُ بأن كل الكواكب تتشكلُ جوهريّاً من المواد نفسها التي تتجمّع حول النجوم الفتيّة النّاشئة. لذا، لو نجى الماء بين – النجمي هنا، فستكونُ هناك إذا فرصةً كي يتوفّرَ هذا المُحتَوَى المُمهّدُ للحياةِ بنطاقٍ واسعٍ.

لقد تقصّى علماء الفلك -باستخدام تلسكوب سبتزر الفضائي Spitzer  space telescope   التابع لناسا الماءَ في الأقراص حول النجوم الفتيّة الناشئة مثل النجم DR Tau و  AS 205A، واللذين يبعدان أكثر من 350 سنة ضوئية عن الأرض. ويوجد الماءُ في مناطق أقراصها الداخلية، وهي المناطقُ الأسخنُ لقربها من نجمها. لم تُشكّلْ هذه الأقراصُ الكواكبَ بعدُ ولكن هذا دليلٌ على أنّ الماءَ مُتوفّرٌ للكواكب الحديثة النُّشوء منذ الحِقَب الأولية المبكّرة من تاريخ النجم.

صحيحٌ أنه غيرُ كافٍ القولَ إنّ المياهَ قد بَقيتْ موجودةً في الملايين الأولى من السنوات من حياة النّظام النّجمي. كما لا بُدّ لها أن تتشبث بكوكبٍ ما خلال السنوات الكونية الأولى. وفي خضمِّ البحث عن كواكب خارج مجموعة شمسية Exoplanets صالحة للحياةٍ ، غالبا ما تهمل تلك الكواكب التي قُصِفَت خلال سنواتها الأولى بالمُذنّبات والكويكبات، بسبب الاعتقاد أن الاصطدامات الكُبرى تطرُدَ أيَّ ماءٍ محتمَل. ولكن، كما أوضحنا، فإنّ هذا بدورِهِ أيضاً يحتاجُ إلى إعادةَ نظر. الآن في الوقت الرّاهن، يقترح الدّليلُ شُيوعَ الكواكبِ المائية عبرَ امتداد الكون.

نتالي ستاركي Natalie Starkey مؤلفة كتاب القبض على غبار النجوم، من منشورات بلومزبيري سيغما