ایران اکازیون:با مطالعه بر روی عناصر شیمیایی شامل کربن و اکسیژن در مریخ امروزی، دانشمندان می‌توانند به گذشته برگردند تا تاریخچۀ این سیاره که زمانی شرایط لازم برای پشتیبانی از حیات را داشته، جمع‌بندی کنند.
علی‌رغم شواهد وسوسه‌انگیزی که تاکنون کشف شده، درک دانشمندان از تاریخچۀ مریخ هنوز در حال پیشرفت است و پرسش‌هایی که جای بحث دارد. بعنوان نمونه، آیا جوّ مریخ باستانی ضخامت کافی برای گرم نگه‌داشتن سیاره و بنابراین مرطوب نگه‌داشتنش برای مدت زمانی که لازم است حیات شکل بگیرد و به ثمر برسد، داشته است؟ آیا ترکیبات آلی علائم ِ حیات هستند؟ یا مربوط به فرآیندهای شیمیایی این سیاره می‌شوند که هنگام برهمکنش سنگ‌های مریخی با آب و نور خورشید، شکل می‌گیرند؟
در پژوهشی جدید دانشمندان دربارۀ آزمایشی چندین ساله که در آزمایشگاه شیمی در دل مریخ‌نورد کنجکاوی انجام گرفته و تجزیه‌وتحلیل نمونه از مریخ (سام-SAM) نام دارد، به پاسخ ِ این پرسش‌ها کمک می‌کنند. این گروه پی‌برده‌اند که مواد معدنی خاصی در سنگ‌ها در دهانه آتش‌فشانی گِیل ممکن است در دریاچه‌ای پوشیده از یخ شکل‌گرفته باشند. این کانی‌ها احتمالا در طول مرحله‌ای سرد شکل‌گرفته‌اند و بین دوره‌های گرم‌تر گیر افتاده‌اند؛ یا پس از آنکه مریخ بیشتر جوّش را از دست داد و روند سردی دائمی آغاز شد، به این صورت در آمدند.
گِیل دهانه‌ای آتش‌فشانی به‌اندازۀ ایالت کِنِتیکت و رُد آیلند آمریکا روی‌هم دیگر است. این منطقه بعنوان محل فرود کنجکاوی در سال ۲۰۱۲ انتخاب‌شد، زیرا علائمی از آب در گذشتۀ مریخ داشت، شامل کانی‌های گِل رُس که ممکن است مولکول‌های آلی باستانی را گیر انداخته و حفظ کنند. در واقع، زمانی که کوهپایه‌ای را در مرکز دهانه به نام “کوه شارپ” کاوش می‌کرد، کنجکاوی لایه‌ای از رسوبات پیدا کرد که ۳۰۴ متر ضخامت داشت و به شکل گِل در دریاچه‌های باستانی رسوب‌کرده بود. برخی دانشمندان می‌گویند، برای تشکیل رسوبات در این حجم زیاد، مقادیر باورنکردنی‌ای آب برای میلیون‌ها تا ده‌ها میلیون سالِ گرم و مرطوب به درون آن دریاچه‌ها جریان داشته است. اما برخی از ویژگی‌های ساختاری در دهانه همچنین به گذشته‌ای اشاره دارند که شامل سرما و شرایط یخبندان بوده است.
“هیتر فرانز” ژئوشیمی‌دان ناسا مستقر در مرکز پروازهای فضایی گودارد می‌گوید:«در گذشته، محیط مریخ حتماً گذاری را از گرما و رطوبت به سرما و خشکی تجربه کرده، همان‌گونه که امروز این‌گونه است. اما اینکه دقیقا چه وقت و چه طور این اتفاق روی‌داده هنوز یک راز مانده است.»
“فرانز” که هدایت مطالعۀ سام را بر عهده داشت، اشاره می‌کند که عواملی نظیر تغییرات در انحرافِ زاویه‌ی صفحات استوا و مدار گردش مریخ و میزان فعالیت‌های آتش‌فشانی می‌تواند باعث تغییرات در شرایط اقلیمی مریخ در طول زمان، بین گرم و سرد شده باشد. این نظریه با تغییرات شیمیایی و معدن شناختی در سنگ‌های مریخ پشتیبانی می‌شود که نشان می‌دهد برخی از لایه‌ها در محیط‌های سردتر شکل‌گرفته‌اند و برخی دیگر در محیط‌های گرم. در هر صورت، مجموعه داده‌های جمع‌آوری‌شده، توسط کنجکاوی نشان می‌دهد که گروه شواهدی را از تغییرات اقلیمی ثبت‌شده در سنگ‌های مریخ مشاهده می‌کند.
کربن و اکسیژن در تاریخچه‌ی اقلیمی مریخ می‌درخشند
گروهِ “فرانز” شواهدی را در مورد محیط سرد باستانی مریخ پس از استخراج گازهای کربن دی‌اکسید(Co2) و اکسیژن در آزمایشگاه سام از ۱۳ نمونه غبار و سنگ بدست آورده است. کنجکاوی این نمونه‌ها را در طول ۵ سالِ زمینی جمع‌آوری کرده است.
“کربن دی‌اکسید” مولکولی است از یک اتم کربن در پیوند با دو اتم اکسیژن، که کربن بعنوان مدرک اصلی در مورد اقلیم اسرارآمیز مریخ ایفای نقش می‌کند. در حقیقت، این عنصر ساده ولی همه‌کاره به‌اندازۀ آب در تحقیقات بر روی حیات فرازمینی اهمیت دارد. روی زمین، کربن به شکلی پیوسته از طریق هوا، آب و سطح جریان دارد، در چرخه‌ای که به‌خوبی درک شده و محور اصلی حیات است. بعنوان‌مثال گیاهان از جوّ، کربن را به شکل CO2 جذب می‌کنند. در عوض، اکسیژن تولید می‌کنند که انسان‌ها و دیگر اشکال حیات برای تنفس در فرآیندی که به آزادسازی دوباره کربن به شکل CO2 به هوا ختم می‌شود استفاده می‌کنند، یا کربن با مرگ گونه‌های زنده و دفنشان به پوستۀ زمین بر می‌گردد.
همچنین دانشمندان در حال پی‌بردن به وجود چرخه‌ای از کربن روی مریخ هستند و در تلاش هستند تا آن را درک کنند. با کمی آب یا سطحی غنی از حیات روی سیاره سرخ در طول حداقل ۳ میلیارد سال گذشته، چرخۀ کربن بسیار متفاوت از زمین است. “پائول ماهافی” پژوهشگر ارشد بر روی سام و مدیر بخش اکتشافات منظومه‌شمسی در گوداردِ ناسا می‌گوید:«با این همه، چرخۀ کربن هنوز ادامه دارد و مهم است؛ زیرا نه تنها به آشکارسازی اطلاعات دربارۀ اقلیم باستانی مریخ کمک می‌کند بلکه به ما نشان می‌دهد مریخ سیاره‌ای پویا است و عناصری در گردش دارد که اجزای تشکیل‌دهندۀ حیات به آن‌گونه که می‌شناسیم هستند.»
گازها بحثی را درباره دوره‌های خشن به میان می‌آورند
پس از آنکه کنجکاوی نمونه‌های سنگ و غبار را تحویل ابزار سام داد، آزمایشگاه هرکدام از نمونه‌ها را به دمای نزدیک به ۹۰۰ درجه سلسیوس حرارت داد تا گازهای درونشان را آزاد سازد. با بررسی دماهای کوره که CO2 و اکسیژن آزاد شدند، دانشمندان می‌توانستند بگویند گازها از کدام نوع کانی هستند. این نوع اطلاعات به آن‌ها کمک می‌کند تا چگونگی چرخه کربن روی مریخ را درک کنند.
مطالعات گوناگون نشان می‌دهد که جوّ باستانی مریخ بیشتر حاوی CO2 بوده و شاید از جوّ امروز زمین ضخیم‌تر بوده باشد. بیشتر این جوّ در فضا از بین رفته، اما ممکن است مقداری در سنگ‌های سطح سیاره ذخیره‌شده باشند، به‌ویژه به شکل کربنات‌ها که مواد معدنیِ حاصل از جذب CO2 موجود در هوا به اقیانوس‌ها و دیگر پیکره‌های آبی باشد که پس از آن به درون سنگ‌ها کانی سازی شده‌اند. به گمان دانشمندان، چنین فرآیندی روی مریخ روی‌داده است و می‌تواند به توضیح اینکه چه بر سر بخشی از جوّ مریخ آمده کمک کند.
مأموریت‌ها به مریخ، هنوز کربنات کافی در سطحش نیافته‌اند تا از نظریه جو ضخیم پشتیبانی شود
به‌هرحال، اندک کربناتی که آزمایشگاه سام شناسایی کرد مسئله جالب‌توجهی را دربارۀ اقلیم مریخ در میان ایزوتوپ‌های ذخیره‌شده از کربن و اکسیژن در آن‌ها، آشکار ساخت. ایزوتوپ‌ها گونه‌ای از هر عنصر هستند که جرم متفاوتی دارند. زیرا فرآیندهای شیمیایی مختلفی از تشکیل سنگ تا فعالیت زیست‌شناختی از این ایزوتوپ‌ها در مقادیر مختلف استفاده می‌کنند، نسبت ایزوتوپ‌ها از سنگین به سبک در سنگ‌ها به دانشمندان سرنخ‌هایی از نحوه شکل‌گیری سنگ‌ها می‌دهد.
در برخی از کربنات‌ها که سام پیدا کرد، دانشمندان متوجه شدند ایزوتوپ‌های اکسیژن سبک‌تر از آن‌هایی هستند که در جوّ مریخ می‌باشند. این امر نشان می‌دهد که کربنات‌ها در مدت‌زمانی طولانی در گذشته به‌سادگی و با جذب CO2 جوّی در سنگ‌هایی در یک دریاچه ایجاد نشده‌اند. اگر این‌گونه بود، ایزوتوپ‌های اکسیژن در سنگ‌ها باید کمی سنگین‌تر از آن‌هایی که در هوا هستند، می‌بودند.
در حالی که ممکن است کربنات‌ها در تاریخ نخستین مریخ شکل‌گرفته باشند، زمانی که ترکیبات جوّی کمی متفاوت‌تر از امروز بوده است. فرانز و همکارانش پیشنهاد می‌دهند که بیشتر احتمال دارد کربنات‌ها در دریاچه‌ای در حال یخ زدن شکل‌گرفته باشند. در این سناریو، یخ می‌توانسته ایزوتوپ‌های سنگین اکسیژن را جذب کند و سبک‌ترها را باقی بگذارد تا بعداً کربنات‌ها را شکل دهند. همچنین دیگر دانشمندان شواهدی ارائه دادند که نشان می‌دهد در گذشته، دریاچه‌های پوشیده از یخ ممکن است در دهانه‌ی گِیل وجود داشته‌اند.
به گفتۀ دانشمندان، وفورِ پایین کربنات روی مریخ عجیب است. اگر مقدار زیادی از این کانی در دهانۀ گِیل نیست، شاید جوّ اولیه نازک‌تر از آنچه پیش‌بینی‌شده، بوده است. یا شاید چیزی کربن گم‌شده در جوّ را ذخیره کرده باشد.
فرانز و همکارانش بر اساس تجزیه‌وتحلیل‌هایشان، پیشنهاد می‌دهند که مقداری از کربن ممکن است در دیگر کانی‌ها حفظ شده باشند، نظیر اگزالات‌ها که کربن و اکسیژن را در ساختارهایی متفاوت از کربنات‌ها ذخیره می‌کنند. فرضیه‌ی آن‌ها بر اساس دماهایی است که CO2 از برخی از نمونه‌ها در آزمایشگاه سام آزاد شد که برای کربنات‌ها خیلی پایین بود، اما برای اگزالات‌ها کاملاً مناسب است. ( و همچنین در مورد دیگر نسبت‌های ایزوتوپ‌های کربن و اکسیژن در مقایسه با آنچه دانشمندان در کربنات‌ها مشاهده کردند).
مدلی برای مولکول کربنات به همراه مولکول اگزالات
اگزالات‌ها رایج‌ترین نوع کانی‌های معدنی هستند که گیاهان روی زمین تولید می‌کنند. اما همچنین این مولکول‌ها را می‌توان بدون زیست تولید کرد. یک‌راه از طریق برهمکنش‌های CO2 جوّی با کانی‌های سطح، آب و نور خورشید است در فرآیندی که “فتوسنتز بی‌جان” نام دارد. یافتن این نوع شیمی روی زمین دشواراست زیرا اینجا حیات به‌وفور وجود دارد. اما فرانز و گروهش امیدوارند بتوانند فتوسنتز بی‌جان را در آزمایشگاه ایجاد کنند تا پی‌ببرند چه علتی شیمی کربنی در دهانه گِیل را توضیح می‌دهد.
روی کره زمین، فتوسنتز بی‌جان ممکن است راه را برای فتوسنتز بین برخی از اشکال حیات ذره‌بینی هموار کرده باشد و به همین دلیل پیدا کردنش روی سیارات دیگر برای اختر زیست‌شناسان جالب‌توجه است. حتی اگر مشخص شود که فتوسنتز بی‌جان مقداری از کربن جو را در سنگ‌های دهانۀ گِیل گیر انداخته، فرانز و همکارانش مایلند خاک و غبار بخش‌های مختلف مریخ را مطالعه کنند تا پی‌ببرند آیا نتایجشان از دهانه گِیل تصویری کلی ارائه می‌دهد یا خیر. شاید یک روز موفق به انجام این کار شوند. “مریخ‌نورد استقامت” ناسا قرار است بین جولای و آگوست ۲۰۲۰ به فضا پرتاب شود و برنامه دارد تا نمونه‌هایی را از دهانۀ جزرو(Jezero) برای بازگشت احتمالی به آزمایشگاه‌های روی زمین جمع‌آوری کند. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature Astronomy منتشر شده است.
ترجمه: حسین طریقی/ سایت علمی بیگ بنگ
منبع: sciencedaily.com