کره زمین چگونه تشکیل شده است؟

با اینکه گردش سیارات به دور ستاره‌ها‌ی کهکشان‌ها کاملا پذیرفته شده است، اما چگونگی تشکیل سیارات هنوز محل بحث و مجادله میان دانشمندان است. علی‌رغم تمام اطلاعاتی که در مورد منظومه‌ی شمسی وجود دارد، دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که سیاره‌های آن چگونه به وجود آمده‌اند. در حال حاضر، هیچ نظریه‌ای نتوانسته است تمام پرسش‌های مطرح شده در مورد تشکیل زمین را به طور کامل پاسخ دهد.

اولین و پذیرفته‌شده‌ترین نظریه، برافزایش (به‌ هم پیوستگی) هسته‌ای، به خوبی تشکیل سیارات سنگی را توجیح می‌کند، اما در مورد نحوه‌ی به وجود آمدن غول‌های گازی دارای نقاط ابهامی است. دومین نظریه، ناپایداری دیسکی، تا حدودی می‌تواند تشکیل غول‌های گازی را توضیح می‌دهد.

دانشمندان در حال مطالعه‌ی سیاراتی هستند که در داخل یا خارج منظومه‌ی شمسی قرار دارند، تا به این نحو، دقت و درستی هر یک از تئوری‌های مطرح شده در مورد تشکیل سیارات را بررسی کنند.

مدل برافزایش (به هم پیوستگی) هسته‌ای

در حدود ۴.۶ میلیارد سال پیش، منظومه‌ی ما به شکل یک ابر متشکل از گاز و غبار، موسوم به سحابی خورشیدی بوده‌ است. با چرخش این سحابی و فرو ریزش گرانشی مواد داخل آن، خورشید در مرکز ابر گازی شکل گرفت. با تشکیل خورشید، مواد باقیمانده در سحابی، رفته رفته بر روی هم انباشته شدند. ذرات کوچک تحت تاثیر نیروی گرانشی خورشید به یکدیگر چسبیدند، و ذرات بزرگتری را ایجاد کردند.

بادهای خورشیدی، ذرات سبک‌تر، مانند هیدروژن و هلیوم را از مرکز سحابی دور کرد، و ذرات سنگین و سنگی در نزدیک خورشید باقی مانند که بعدا سیارات سنگی و خاکی از آنها تشکیل شد. اما از آنجایی که قدرت بادهای خورشیدی در فواصل دور کمتر می‌شود، این ذرات فرصت این را یافتند که با درآمیختن با یکدیگر غول‌های گازی به وجود آورند. به این ترتیب، سیارک‌ها، ستاره‌های دنباله‌دار، سیارات و قمر‌های آنها تشکیل شد.

در ابتدا، هسته‌ی سنگی زمین در اثر برخورد و در‌هم‌آمیزش عناصر سنگین تشکیل شد.

مواد چگال‌تر به سمت مرکز زمین فرو رفتند و مواد سبک‌تر پوسته‌ی زمین را تشکیل دادند.

احتمالا در همین دوره‌ی زمانی، میدان مغناطیسی زمین شکل گرفته است. بر اثر گرانش، مولکول‌های گازی در اطراف زمین به دام افتاده‌اند و اتمسفر زمین را به وجود آورده‌اند.

در اوایل دوره‌ی تکامل زمین، یک جرم آسمانی بزرگ با آن برخورد کرد که باعث شد تکه‌های بزرگی از زمین کنده شده و وارد فضای اطراف شوند، بر اثر گرانش زمین، قسمت اعظمی از این مواد به یکدیگر جوش خوردند و قمری را تشکیل دادند که به دور زمین در مدار خود شروع به گردش کرد.

حرکت مواد در زیر پوسته‌ی زمین باعث ایجاد صفحات زمین‌ساختی شد، یعنی حرکت تکه‌های بزرگ سنگی بر روی زمین باعث ساخت پوسته شد. سایش و برخورد این صفحات با یکدیگر، باعث ایجاد کوهستان‌ها و آتش‌فشان‌هایی شدند که خود، گاز بیشتری را روانه‌ی اتمسفر زمین کردند.

با اینکه تعداد سیارک‌ها و ستاره‌های دنباله‌دار امروزه بسیار کم است، اما در اوایل تشکیل منظومه‌ی شمسی تعداد زیادی از آنها در فضای بین‌سیاره‌ای حضور داشتند. در اثر برخورد همین اجرام یخی با زمین، آب وارد زمین شد. از آنجایی که زمین در مرحله گلدیلاک بوده است (یعنی حالتی که آب مایع نه می‌تواند منجمد شود و نه بخار)، در نتیجه آبی که از طریق اجرام سماوی وارد زمین شده بود به همان شکل مایع باقی مانده و آنطور که دانشمندان می‌گویند، در ادامه نقش مهمی را در تشکیل زندگی بر روی زمین ایفا کرده است.

آنگونه که به نظر می‌رسد و مطالعات سیاره‌ای و مشاهدات نجومی هم آن را تایید می‌کنند، بر‌افزایش هسته‌ای، فرآیند اصلی تشکیل منظومه‌ها بوده است. ستاره‌هایی که فلز بیشتری در هسته‌ی خود دارند، غول‌های گازی بیشتری به دور آنها می‌گردند. این نکته را در نظر بگیرید که منظور از فلز (metal)، هر عنصر دیگری به جز هیدروژن و هلیوم است. آنطور که ناسا اعلام کرده، طبق نظریه‌ی برافزایش هسته‌ای، باید سیارات سنگی کوچک بیشتری در قیاس با شمار غول‌های گازی در منظومه‌ها وجود داشته باشد.

نظریه‌ی بر‌افزایش هسته‌ای زمانی اعتبار بیشتری کسب کرد که در سال ۲۰۰۵ سیاره‌ی عظیمی کشف شد که دارای هسته‌ی بسیار بزرگی بوده و به دور ستاره‌ای شبیه خورشید به اسم HD 149026 دور می‌زند. گرگ هنری ( Greg Henry)، اختر‌شناس از دانشگاه ایالتی تنسی در یک بیانیه‌ی مطبوعاتی پس از این کشف گفت:

این کشف، تاییدی است بر نظریه‌ی برافزایش هسته‌ای و مدرکی مبنی بر اینکه سیارات این چنینی باید به وفور وجود داشته باشند.

در سال ۲۰۱۷، آژانس فضایی اروپا، سفینه‌ای به نام CHEOPS به فضا پرتاب خواهد کرد که ماموریت آن مطالعه بر روی سیاراتی است که دارای اندازه‌ی بزگتر از زمین تا اندازه‌ی نپتون دارند. مطالعه بر روی این سیارات بسیار دور، ما را قادر خواهد کرد تا به درک بهتری از چگونگی تشکیل منظومه‌ی شمسی برسیم. تیم پژوهشی که روی CHEOPS کار می‌کنند در این باره چنین گفته‌اند:

در سناریوی برافزایش هسته‌ای، قبل از این که سیاره قادر به به جذب و انباشته کردن گازهای فرار باشد، ابتدا جرم هسته‌ی آن باید به مقدار مشخص برسد. اما میزان این جرم لازم برای شروع فرایند رشد سیاره، به فاکتور‌های زیادی بستگی دارد که مهمترین آن نرخ رشد ذرات سیاره‌ای است.

با مطالعه چگونگی انجام فرایند انباشتگی مواد، CHEOPS ما را قادر خواهد کرد تا آگاهی خود از چگونگی رشد جهان را بالا ببریم.

مدل ناپایداری دیسکی

با اینکه مدل برافزایش هسته‌ای به خوبی می‌تواند تشکیل سیاره‌های سنگی نزدیک خورشید را توضیح دهد، اما طبق این نظریه، غول‌های گازی برای نگه‌ داشتن حجم زیادی از گاز باید به سرعت رشد کنند. اما شبیه‌سازی‌های انجام شده نتوانسته است این حالت را بازآفرینی کند. طبق مدل‌های مختلفی که در مورد برافرایش هسته‌ا‌ی توسعه داده شده‌اند، فرآیند شکل‌گیری و رشد غول‌های گازی چند میلیون سال طول می‌کشد. همزمان یک مشکل دیگر نیز وجود دارد، طبق مدل برافزایش هسته‌ای این احتمال وجود دارد که سیاره‌های کوچک و جوان در همان مراحل اولیه، به طرف خورشید کشیده شده و با آن ادغام شوند.

اما طبق نظریه‌ی نسبتا جدید ناپایداری دیسک، خوشه‌های غبار و گاز در اوایل تشکیل منظومه‌ی شمسی به یکدیگر پیوند خورده بودند. به مرور زمان، این توده‌ها به یکدیگر فشرده شده و سیارات بزرگی را به وجود می‌آورند. در این حالت، سیارات سریع‌تر از مدل برافزایش به وجود می‌آیند، گاهی زمان تشکیل این سیارات در حد چند هزار سال است. از این رو آنها را قادر می‌کند که گازهای سبک و فرار را جذب خود کنند. با این مدل، احتمال سقوط سیاره‌ها به خورشید نیز منتفی می‌شود، چون این اجرام، سریع‌تر در مدار خود به پایداری می‌رسند.

همانطور که ستاره‌شناس، پال ویلسون (Paul Wilson) می‌گوید، اگر ناپایداری دیسکی، فرآیند عمده‌ی تشکیل سیارات باشد، باید شاهد تشکیل سیاره‌های بزرگ و به تعداد زیاد باشیم. چهار سیاره‌ی بزرگی که در فواصل بسیار دور به دور ستاره‌ی HD 9799 در حال گردش هستند، مدرکی تجربی برای اثبات درستی این نظریه می‌باشد. از طرف دیگر، سیاره‌ی Fomalhaut B که در مدار خود در طی ۲۰۰۰ سال به دوری ستاره‌ی خودش در گردش است، می‌تواند مثالی از ناپایداری دیسکی باشد، اما در این مورد آخر، این احتمال نیز می‌رود که سیاره به خاطر برهم‌کنش با اجرام همسایه، وادار شده است تا در این مدار گردش کند.

برافزایش سنگ‌ریزه‌ای

بزرگ‌ترین چالش پیش روی مدل برافزایش هسته‌ای، مسئله‌ی زمان است. غول‌های گازی باید به سرعت تشکیل شوند، در غیر این صورت فرصت به دام انداختن عناصر سبک را از دست خواهند داد. اما گفتیم که شبیه‌سازی‌های انجام شده، زمان تشکیل غول‌های گازی را چند میلیون سال برآورد می‌کند. حالا تحقیقات جدید نشان می‌دهند که اگر اجرام ریز در اندازه‌ی سنگ‌ریزه، در ترکیب با یکدیگر سیارات را به وجود آورده باشند، این تناقض حل می‌شود، چون در حالت اخیر، سیاره‌ها سریع‌تر از مدل برافزایش هسته‌ای شکل می‌گیرند. یکی از ستاره‌شناسان و محققان برجسته در حوزه‌ی نجوم، آقای هارولد لویسون (Harold Levison) در مورد این مدل می‌گوید:

تاکنون دانسته‌ایم که برافزایش سنگ‌ریزه‌ای تنها مدلی است که تشکیل سیستم‌های سیاره‌‌ای بزرگ را با استفاده از ساختار‌های ساده‌ای که از سحابی خورشیدی تولید شده‌اند، توضیح می‌دهد.

در سال ۲۰۱۲ دو محقق به نام‌های میشل لام برکتز (Michiel Lambrechts) و آندرس یوهانسون (Andres Johansen) از دانشگاه لاند (Lund University) در سوئد، پیشنهاد دادند که تکه‌هایی در اندازه‌ی سنگ‌ریزه فاکتور اصلی در تشکیل سیاراه‌های بزرگ گازی بوده‌اند. لویسون در این ارتباط می‌گوید:

آنها گفتند که باقیمانده‌ی فرایند تشکیل سیارات سنگی، که قبلا گمان می‌رفت اهمیتی نداشته باشند، در واقع می‌تواند بخشی از راه حل موضوع تشکیل سیارات باشد.

لویسون به همراه تیمش، بر پایه‌ی همین تحقیق توانستند نحوه‌ی تشکیل سیاراتی که به شکل امروزی می‌بینیم را با استفاده از سنگ‌ریزه مدل کنند. در حالی که شبیه‌سازی‌های قبلی نشان می‌داد که اجرام آسمانی با اندازه‌ی بزرگ یا متوسط، سنگ ریزه‌ها را با نرخ تقریبا ثابتی به خود جذب می‌کردند، اما شبیه‌سازی لویسون پیش‌نهاد می‌کند که اشیا بزرگتر بیشتر شبیه قلدرها رفتار می‌کردند! یعنی سنگ‌ریزه‌ها را با سرعتی بسیار بیشتر به دام می‌اندازند. یکی از محققانی که در این مطالعه مشارکت داشته، کاترین کرتک (Katherine Kretke) است. وی در این باره می‌گوید:

اجرام بزرگ‌تر بیشتر از نمونه‌های کوچکتر تمایل دارند تا اجرام کوچک را متفرق کنند، پس نتیجه این می‌شود که اجرام کوچک از صفحه‌ی سنگ‌ریزه‌ها بیرون رانده می‌شوند. درست مثل اینکه اجرام بزرگتر زور بیشتری دارند و سنگ‌ریزه‌های بیشتری را به دام می‌اندازند، پس سریع‌تر رشد می‌کنند و هسته‌ی سیارات بزرگ را می‌سازند.

دانشمندان سعی می‌کنند با ادامه‌ی مطالعات خود بر روی سیارات داخل و خارج از منظومه‌ی شمسی به شناخت بیشتری از فرآیند تشکیل زمین و همسایگان آن دست پیدا کنند.