شکست فرضیه حیات در اروپا؛ شکاف های یخی ، اروپا، ماه مشتری در چند ساعت منجمد می شوند
به گزارش یادداشت سریع، دانشمندان امید زیادی داشتند تا با آنالیز ماه یخی مشتری یعنی اروپا، نشانه هایی از حیات فرازمینی پیدا نمایند. تصور عمومی بر این بود که با باز شدن شکاف ها در پوسته یخی این جرم آسمانی، آب اقیانوس زیرین به سطح می رسد و راهی ساده برای نمونه برداری فراهم می نماید. اما حالا تعیین شده که قوانین فیزیک و مدل سازی های تازه، تصویر متفاوتی را نشان می دهند و آب صعودنماینده بسیار سریع تر از آنچه تصور می شد، یخ می زند.
در این پست با هم می بینیم که چطور شبیه سازی های تازه دانشگاه روتگرز (Rutgers University) نشان می دهند آب آشفته و خروشان زیر پوسته اروپا به سرعت به یخ سوزنی تبدیل شده و شکاف ها را تنها در چند ساعت مسدود می نماید. این یافته تازه، برنامه ریزی های فضاپیمای اروپاکیپر (Europa Clipper) ناسا را با چالش های تازه ای روبرو نموده است. آیا واقعاً دسترسی به اقیانوس پنهان ماه مشتری ناممکن شده است؟ چرا دانشمندان می گویند آب های نزدیک به سطح لزوماً همان آب اقیانوس عمیق نیستند؟ در ادامه این جزییات را آنالیز می کنیم.
???? لیست بخش های این نوشته (کلیک کنید)
- بسته شدن سریع شکاف های یخی اروپا در چند ساعت
- نقش تلاطم آب و یخ سوزنی در مسدودسازی شکاف ها
- تفاوت اساسی فوران آب در اروپا با آتشفشان های زمین
- منشأ واقعی دریاچه های کم عمق زیر پوسته یخی
- چالش های تازه برای رادار فضاپیمای اروپاکیپر
- تفاوت اساسی شرایط اروپا با فوران های انسلادوس
- آیا ضخامت پوسته مانع نهایی کشف حیات است؟
بسته شدن سریع شکاف های یخی اروپا در چند ساعت
زمانی که شکافی در پوسته یخی اروپا ایجاد می گردد و آب اقیانوس عمیق آن شروع به بالا آمدن می نماید، این مسیر خیلی زودتر از آنچه فکرش را بکنید مسدود می گردد. پژوهش های تازه نشان می دهند فیزیک خاص جریان های آشفته باعث می گردد آب در حال صعود، ظرف چند ساعت منجمد شده و شکاف را کاملاً ببندد. این پژوهش که در مجله نیچر استرونومی (Nature Astronomy) منتشر شده، یکی از امیدبخش ترین راه های میانبر برای کشف حیات در این ماه یخی را زیر سؤال برده است. اهمیت این موضوع از آن جهت است که دو فضاپیما هم اکنون در راه رسیدن به منظومه مشتری هستند تا درست همین پدیده را آنالیز نمایند.
زمان بندی این کشف بسیار حساس است. فضاپیمای اروپاکیپر ناسا که در پاییز سال 2024 به فضا پرتاب شد و در بهار سال 2030 به مشتری می رسد، به رادار نفوذنماینده در یخ مجهز است. این ابزار به گونه ای طراحی شده تا کیسه های آب کم عمق را در زیر سطح اروپا پیدا کند؛ بخش هایی که تا پیش از این تصور می شد پنجره هایی دسترس پذیر به اقیانوس عمیق این ماه هستند. اما تحقیقات تیم دانشگاه روتگرز نشان می دهد که این فرض به احتمال زیاد نادرست است و این مسیرها بسیار سریع تر از آنچه فکر می کردیم مسدود می شوند.
علاوه بر این، پژوهش دیگری که با استفاده از داده های فضاپیمای جونو (Juno) صورت گرفته بود، میانگین ضخامت پوسته یخی اروپا را حدود 29 کیلومتر برآورد کرد. این ضخامت بیش از سه برابر ارتفاع کوه اورست است. به این ترتیب، دو محدودیت بزرگ در برابر فرضیات قبلی قرار گرفته است: اول اینکه پوسته یخی بسیار ضخیم است و دوم اینکه حتی در صورت ایجاد شکاف، فیزیک صعود آب مانع از رسیدن آن به سطح یا بخش های کم عمق می گردد.
نقش تلاطم آب و یخ سوزنی در مسدودسازی شکاف ها
تیم تحقیقاتی به سرپرستی لوجندرا اوجها (Lujendra Ojha)، دانشیار دانشگاه روتگرز، شبیه سازی های کامپیوتر کامسول (COMSOL Multiphysics) را برای آنالیز جریان آب در شکاف ها اجرا کردند. آن ها برخلاف مدل های قدیمی، حرکت جریان مایع را به همراه انتقال حرارت به صورت هم زمان مدل سازی کردند. متغیر کلیدی که در شبیه سازی های قبلی نادیده گرفته شده بود، تلاطم یا توربولانس (Turbulence) بود. پیش از این تصور می شد آب مانند یک جریان آرام و یکنواخت از میان شکاف ها بالا می آید، اما این فرض از نظر فیزیکی غیرواقعی بود.
آب هنگام صعود از میان شکاف های پوسته یخی اروپا، سرعتی بین 5 تا 20 متر بر ثانیه پیدا می نماید و حرکتی آشفته و چرخشی به خود می گیرد. این حرکت آشفته، آب گرم تر را مدام به دیواره های یخ زده شکاف می کوبد و سرعت از دست رفتن گرما را به شدت افزایش می دهد. بخش های بالایی شکاف که در عمق 1 تا 2 کیلومتری قرار دارند، دمایی بین منفی 133 تا منفی 73 درجه سانتی گراد دارند. این سرمای شدید در کنار اختلاط آشفته آب، باعث سرد شدن سریع مایع تا زیر نقطه انجماد می گردد.
در این حالت، کریستال های بسیار کوچکی به نام یخ سوزنی یا فرازیل (Frazil Ice) با مقدار ای حدود 1 میلی متر یا کوچک تر در میان جریان خروشان تشکیل می شوند. این نوع یخ در رودخانه های زمین و زیر قفسه های یخی قطب جنوب نیز دیده می گردد و معروف است که می تواند ورودی نیروگاه های برق آبی را طی چند ساعت مسدود کند. شبیه سازی ها نشان دادند که حتی وجود یک کریستال بسیار کوچک اولیه که از دیواره شکاف کنده شده باشد، می تواند واکنش زنجیره ای فراوری یخ سوزنی را شروع کند. تنها اگر 1 تا 3 درصد از آب صعودنماینده به این کریستال ها تبدیل گردد و به دیواره ها بچسبد، مسیر جریان به سرعت مسدود خواهد شد. یک شکاف به عرض 10 سانتی متر می تواند ظرف 2 تا 6 ساعت به طور کامل یخ بزند.
تفاوت اساسی فوران آب در اروپا با آتشفشان های زمین
برای سال ها، تشبیه صعود آب در پوسته یخی اروپا به فوران های آتشفشانی و خروج مواد مذاب روی زمین، مدلی ساده و مجذوب کننده برای دانشمندان بود. اما پژوهشگران تاکید می نمایند که این قیاس از نظر فیزیک بنیادی کاملاً اشتباه است. یخ و آب مایع رفتار کاملاً متفاوتی نسبت به سنگ مذاب و ماگما دارند. ماگما روی زمین گرما را به خوبی در خود نگه می دارد و نسبت به محیط اطراف با سرعت کمتری حرکت می نماید، در حالی که آب در پوسته یخی و بسیار سرد اروپا با محیطی روبرو است که گرما را با سرعتی چند برابر جذب می نماید.
برای اینکه حجم آب لازم برای ایجاد بعضی پدیده های سطحی مشاهده شده روی اروپا تامین گردد، شبیه سازی ها نشان می دهند که یک شکاف 1 کیلومتری باید هم زمان به وسیله 200 تا 800 شکاف موازی دیگر پشتیبانی گردد. در عارضه های بزرگ تر، این تعداد به چند هزار شکاف موازی می رسد. چنین ساختاری در طبیعت عملاً غیرممکن است و نشان می دهد که مدل صعود آب اقیانوس به وسیله شکاف ها تا چه حد با واقعیت فیزیکی فاصله دارد.
البته باید توجه داشت که این تحقیق یک شبیه سازی کامپیوتری مبتنی بر قوانین فیزیک است و نه مشاهده مستقیم یک شکاف در حال انجماد. با این حال، شبیه سازی های مذکور دقیق ترین برآورد مبتنی بر فیزیک را ارائه می دهند. البته مواردی مثل درصد شوری آب، گرمایش کشندی یا گرمایش جزر و مدی (Tidal Heating) و شرایط خاص زمین شناسی ممکن است در بعضی استثناها تغییراتی ایجاد نمایند، اما اصل کلی انجماد سریع همچنان پابرجاست.
منشأ واقعی دریاچه های کم عمق زیر پوسته یخی
این پژوهش وجود کیسه ها یا دریاچه های آب مایع در عمق کم را به طور کامل رد نمی نماید، بلکه آسان ترین شرح برای نحوه شکل گیری آن ها را زیر سؤال می برد. اگر ذخایر آب مایع در نزدیکی سطح وجود داشته باشند، احتمالاً به علت گرمایش کشندی موضعی در داخل خود یخ ایجاد شده اند. اصطکاک داخلی ناشی از فشارهای گرانشی شدید مشتری می تواند آن قدر گرمای موضعی فراوری کند که یخ های همان منطقه ذوب شوند، بدون اینکه ارتباطی با اقیانوس اعماق داشته باشند.
این تمایز ساختاری، تاثیر مستقیمی بر تفسیر داده های رادار فضاپیمای اروپاکیپر خواهد داشت. اگر یک کیسه آب کم عمق صرفاً بر اثر ذوب موضعی یخ های سطحی ایجاد شده باشد، ترکیب شیمیایی آن تفاوت فاحشی با اقیانوس عمیق خواهد داشت. در اقیانوس اعماق، فعل و انفعالات هیدروترمال و واکنش های شیمیایی میان آب و هسته سنگی در دماهای بالا رخ می دهد که می تواند مواد مغذی و اسیدهای آمینه لازم برای حیات را تامین کند. اما آب حاصل از ذوب موضعی پوسته یخی، فاقد این ردپاهای شیمیایی ارزشمند خواهد بود.
بنابراین، کشف یک سیگنال آب در نزدیکی سطح به وسیله رادار، دیگر به معنای نمونه برداری مستقیم از اقیانوس اروپا نیست. این موضوع کشف حیات را پیچیده تر می نماید، زیرا دانشمندان باید ابتدا منشأ آب کشف شده را معین نمایند و سپس احتمال وجود شرایط زیستی در آن را بسنجند.
چالش های تازه برای رادار فضاپیمای اروپاکیپر
فضاپیمای اروپاکیپر برای تایید مستقیم حیات طراحی نشده است، بلکه هدف آن آنالیز قابلیت زیست پذیری (Habitability) این ماه یخی است. ابزار راداری این فضاپیما که ریزن (REASON) نام دارد، می تواند ساختارهای زیرسطحی را اسکن کند. اما با توجه به یافته های تازه، تفسیر خروجی های این رادار احتیاج به دقت بسیار بیشتری خواهد داشت. وجود آب در عمق کم دیگر به خودی خود نشان دهنده دسترسی به اقیانوس اصلی نیست.
با این حال، ماموریت اروپاکیپر همچنان اهمیت فوق العاده ای دارد. این فضاپیما با استفاده از 9 ابزار علمی خود می تواند ضخامت پوسته یخی، ترکیب شیمیایی سطح، و تعاملات میان یخ و اقیانوس را مقدار گیری کند. طیف سنج های جرم و ابزارهای سنجش پلاسما نیز ترکیبات موجود در جو رقیق اروپا را آنالیز خواهند کرد. مقدار گیری های بعدی درباره رسانایی الکتریکی پوسته و مقدار نمک موجود در آن می تواند به دانشمندان یاری کند تا مدل های انجماد را دقیق تر نمایند.
ماموریت جویس (JUICE) متعلق به آژانس فضایی اروپا نیز که در تابستان 2031 به منظومه مشتری می رسد، داده های مکمل متعددی را از این ماه یخی جمع آوری خواهد نمود. ترکیب این داده ها تصویر روشن تری از ساختار درونی اروپا و پتانسیل آن برای میزبانی از حیات ارائه می دهد.
تفاوت اساسی شرایط اروپا با فوران های انسلادوس
شاید این سوال پیش بیاید که چرا فوران های آب در ماه انسلادوس (Enceladus) زحل به راحتی رخ می دهند اما در اروپا با چنین مانع سختی روبرو هستیم؟ پاسخ در ساختار زمین شناسی و مکانیسم متفاوت خروج آب در این دو جرم آسمانی نهفته است. در انسلادوس، فوران های قطب جنوب آب و بخار را مستقیماً به فضا شلیک می نمایند، بدون اینکه احتیاج به صعود کند آب از میان شکاف های بلند و باریک پوسته داشته باشند.
در انسلادوس، آب اقیانوس به وسیله کانال های بسیار عریض تر و تحت فشار مستقیم به بیرون پرتاب می گردد و فرآیند انجماد فرصت مسدود کردن مسیر را پیدا نمی نماید. فضاپیمای کاسینی (Cassini) سال ها پیش مستقیماً از میان این فواره های بزرگ عبور کرد و ترکیبات ارگانیک اقیانوس انسلادوس را سنجید. اما در اروپا، پوسته یخی بسیار ضخیم تر عمل نموده و مانند یک سد پویا، آب صعودنماینده را دوباره به یخ تبدیل می نماید.
این تفاوت نشان می دهد که پوسته یخی اروپا یک درپوش منفعل نیست، بلکه محیطی کاملاً فعال است که مانع از تبادل ساده مواد میان اقیانوس و سطح می گردد. بنابراین مطالعه انسلادوس ممکن است راه ساده تری برای دسترسی به نمونه های اقیانوسی در اختیار دانشمندان قرار دهد.
آیا ضخامت پوسته مانع نهایی کشف حیات است؟
پرسش مهم دیگری که مطرح می گردد این است که آیا ضخامت 29 کیلومتری پوسته و مسدود شدن سریع شکاف ها، شانس یافتن هرگونه نشانه حیات در اروپا را به صفر می رساند؟ پاسخ منفی است. اگرچه راه میانبر مسدود شده، اما انتقال مواد مغذی و انرژی می تواند از مسیرهای پیچیده تری رخ دهد. برای نمونه، سیرکولاسیون حرارتی و جریان های کند یخی طی بازه های زمانی چند میلیون ساله ممکن است مواد را میان سطح و اعماق منتقل نمایند.
علاوه بر این، تکنیک های سنجش گرانشی و مغناطیسی اروپاکیپر می توانند عمق و مقدار شوری اقیانوس زیرین را بدون احتیاج به ورود مستقیم به آن معین نمایند. فهم این موضوع که پوسته یخی یک مانع سخت است، به پژوهشگران یاری می نماید تا به جای گشتن در پی نشانه های سطحی ساده، بر روی تحلیل دقیق تر داده های مغناطیسی و راداری تمرکز نمایند.
در نهایت، اگرچه جستجو برای حیات در ماه یخی مشتری دشوارتر و پیچیده تر از تصورات قبلی شده است، اما این یافته های تازه دیدگاه دقیق تر و واقعی تری از فیزیک حاکم بر دنیای بیرونی منظومه شمسی به ما می دهند. سنجش های دقیق سال های آینده معین خواهد نمود که آیا اعماق تاریک این ماه یخی واقعاً میزبان زیست ناشناخته ای هست یا خیر.
جمع بندی نهایی
یافته های تازه علمی نشان می دهند که صعود آب از اقیانوس عمیق ماه یخی اروپا به سطح آن، به علت فیزیک جریان های آشفته و انجماد سریع، بسیار دشوارتر از فرضیات قبلی است. آب خروشان هنگام بالا آمدن گرما را به سرعت از دست داده و با فراوری یخ سوزنی، شکاف ها را تنها در چند ساعت مسدود می نماید. این مسئله به این معناست که دریاچه های کم عمق زیر پوسته احتمالاً ناشی از ذوب موضعی یخ ها هستند و ترکیب شیمیایی اقیانوس اصلی را منعکس نمی نمایند. با وجود این چالش بزرگ، ماموریت اروپاکیپر با ابزارهای پیشرفته خود ابعاد تازهی از ساختار و قابلیت زیست پذیری این دنیای شگفت انگیز را روشن خواهد نمود.
منبع
منبع: یک پزشک