من المعروف أن التنوع البيولوجي الاستثنائي لجزر غالاباغوس ساعد في إلهام تشارلز داروين لصياغة نظريته عن تطور الحياة على الأرض

 لكن الجزر البركانية توفر أيضًا نافذة على ماضي كوكبنا الأعمق.  البراكين، بما في ذلك البراكين في الشكل 1، الجلوس على عمود الوشاح الذي يوجّه مواد الوشاح العميق إلى سطح الأرض. وكان الجزء من الوشاح الذي ينقره العمود راكدًا بشكل غير عادي على مدار تاريخ الكوكب البالغ 4.5 مليار سنة.

الشكل 1. بركان فرناندينا في جزر غالاباغوس هو واحد من عدة مواقع حول العالم حيث يمكن لعلماء الجيولوجيا تمييز التكوين الأصلي للأرض. 

بمرور الوقت الجيولوجي، تكون قشرة الأرض وجزء كبير من غلافها في حركة ثابتة، وإن كانت بطيئة، حيث يتم إعادة تدوير الصفائح التكتونية من القشرة إلى الوشاح والعودة مرة أخرى.  مثل خفق الزبدة، فإن تموج الطبقة السميكة على الكوكب لا يعمل على تجانس مكوناته ولكن يفصل بينها على أساس كثافتها وتقلبها وخصائصها الكيميائية.  نتيجة لذلك، لا شيء تقريبًا نواجهه على سطح الأرض له أي علاقة بمتوسط ​​تكوين الكوكب.

لكن يبدو أن بعض الجيوب في الوشاح كانت محصنة ضد هذا الاختلاط وظلت بدلاً من ذلك غير منزعجة من العمليات الجيولوجية منذ 100 مليون سنة على الأقل من تاريخ الكوكب (لمزيد من المعلومات حول التحليل الذي يجعل هذا الاستنتاج ممكنًا، راجع الفيزياء اليوم ، أكتوبر 2010 ، الصفحة 16. ) عندما تشق أجزاء من تلك المواد البدائية طريقها إلى السطح – كما تفعل في جزر غالاباغوس، وأيسلندا، وعدد قليل من البراكين الأخرى المناطق — إنها توفر للعلماء نظرة قيّمة إلى الوراء في الوقت المناسب للكشف عن مكونات الكوكب الرضيع في الأصل.

الآن ساندرين بيرون، باحثة ما بعد الدكتوراة في جامعة كاليفورنيا، ديفيس، في الوقت الذي قامت فيه بالعمل في ETH Zürich، وزملاؤها يستخدمون تقنية مطورة حديثًا لتحليل بعض عينات الوشاح البدائية للكريبتون، وهو عنصر موجود فقط في مستوى الأجزاء لكل تريليون. ¹ ترسم النتائج صورة ليس فقط للكريبتون نفسه ولكن للكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين – كل اللبنات الأساسية للحياة.

بصمات عباءة

كانت الأرض المبكرة مكانًا حارًا، حيث كان الكوكب الشاب يعاني في كثير من الأحيان من اصطدامات نشطة مع الكواكب الصغيرة التي لم يتم إزالتها من مداره بعد.  من ناحية أخرى، تميل العناصر الواهبة للحياة إلى تكوين مركبات ذات نقاط غليان منخفضة، مثل الميثان والأمونيا والماء.  لا يبدو أن هذه المواد المتطايرة ستستمر لفترة طويلة في مثل هذه البيئة – حتى لو كانت تتكثف في المقام الأول.

من الواضح أن الأرض تحتوي على وفرة من العناصر المتطايرة، ويجب أن تأتي من مكان ما.  لم يتم إنشاؤها في التفاعلات النووية الأرضية بكميات ملحوظة، لذلك يجب أن تكون إما جزءًا من التكوين الأصلي للكوكب أو تم تسليمها لاحقًا، ربما بواسطة مذنب.  إن معرفة كيفية حصول الأرض على المواد المتطايرة يمكن أن يساعد الباحثين على فهم الظروف المعتادة أو غير العادية لكوكبنا – وربما مدى احتمالية تكرارها في مكان آخر من الكون.

هذا هو المكان الذي يأتي فيه الكريبتون. كعنصر غازي، يشبه فيزيائيًا المواد المتطايرة الأخرى، لذلك من المحتمل أن يكون قد تكثف وفصل الغاز معه. والنظائر الستة الموجودة بشكل طبيعي موجودة بنسب مختلفة في مصادر محتملة مختلفة. إذا كانت عينة معينة من الكريبتون تحتوي على تركيبة نظيرية تطابق ما هو موجود في الرياح الشمسية، على سبيل المثال، فهذا دليل ظاهري على الأقل على أن الكريبتون أتى من الشمس.

التحدي في العمل مع الكريبتون هو أن هناك القليل منها. العنصر نفسه نادر بما فيه الكفاية، ولكن أقل نظائره وفرة لا تزال نادرة: يمكن أن تحتوي عينة نموذجية 4 جم من مادة الوشاح على بضع مئات الآلاف من الذرات من ⁷⁸ كرون. علاوةً على ذلك ، فهي عرضة للتلوث. قد يكون الغاز المتراكم في الصخور البركانية فقاعات من غاز الوشاح الأصلي، أو يمكن أن يكون الهواء الذي شق طريقه إلى الحمم البركانية بعد ثوران البركان. من المحتمل أن تحتوي أي عينة معينة على كميات غير معروفة من كليهما، وقد أعاقت تلوث الغلاف الجوي الجهود السابقة لتحليل الكريبتون الوشاح.

طور بيرون طريقة للتغلب على هذه المشكلة. ² كانت تسحق العينة قليلاً في كل مرة، وتقوم بتحليل الغاز المنطلق في كل خطوة بشكل منفصل. إذا ظهرت عليها علامات تلوث عن طريق الهواء، فستستبعدها من القياس. وإلا فإنها ستحتفظ به.

لكن بيرون لم يستطع تحديد ذلك من خلال النظر إلى الكريبتون وحده. يتم إطلاق القليل جدًا في كل مرحلة لتحليلها بشكل منفصل، وبدون معرفة تركيبة الكريبتون الوشاح، لا يمكن معرفة مقدار الكريبتون الموجود في الغلاف الجوي، إن وجد. وبدلاً من ذلك، التفتت إلى النيون الأكثر وفرة. مع وجود ثلاثة نظائر طبيعية فقط، يكون النيون أقل فعالية في التمييز بين العديد من المصادر المحتملة. لكن التركيب النظائري لنيون الوشاح والنيون الجوي معروفان جيدًا، وهما مختلفان بشكل كبير. فقط إذا تم إطلاق النيون في خطوة ساحقة مطابقة لتكوين الوشاح المتوقع، فإن بيرون يبقي الكريبتون متحررًا في نفس الخطوة.

متقلبة من خطوتين

يستغرق التحليل التدريجي وقتًا طويلاً – حوالي أسبوع لعينة واحدة – ويتطلب التخلص من نصف إلى ثلثي البيانات. لكنها تعطي تقديرًا أفضل لتكوين الكريبتون في الوشاح البدائي أكثر مما كان ممكنًا من قبل.

تظهر نتائج قياسات بيرون وزملائه في الشكل 2. تتطابق قياسات غالاباغوس وأيسلندا بشكل مطمئن مع بعضها البعض. من ناحية أخرى، فإن الكريبتون الوشاح يختلف اختلافًا واضحًا عن الهواء. الفرق يعني شيئين. أولاً، إن الكريبتون الموجود في الوشاح ليس بالتأكيد مجرد كريبتون في الغلاف الجوي المعاد تدويره. ثانيًا، وعلى العكس من ذلك، فإن الكريبتون الموجود في الهواء – وبالتالي المواد المتطايرة الأخرى – لا يمكن أن يأتي فقط من تفريغ الوشاح البدائي من الغاز. في وقت لاحق من تاريخها، يجب أن تكون الأرض قد تلقت دفعة أخرى من المواد المتطايرة من مكان آخر.

الشكل 2. يمكن استخدام التركيب النظيري للكريبتون لتتبع مصدره. يختلف الكريبتون الموجود في عينات الوشاح من أيسلندا وجزر غالاباغوس عن الهواء. لكن مستويات خمسة من النظائر الستة تتطابق بشكل وثيق مع مستويات المرحلة Q، وهي مادة كربونية توجد في النيازك. يتبع نقص ⁸⁶ Kr في الوشاح نمطًا من الحالات الشاذة المماثلة التي لوحظت في العناصر الأخرى؛ قد تكون علامة على أن قرص الكواكب الأولي الذي شكّل النظام الشمسي لم يكن مختلطًا جيدًا. (مقتبس من المرجع 1).

في خمسة من النظائر الستة – جميعها عدا ⁸⁶ Kr – تُعد قياسات الوشاح الجديدة مطابقة معقولة لفئة من النيازك تسمى الكوندريت، والتي يُعتقد أنها تمثل اللبنات الأساسية للنظام الشمسي. الشكل 2 يُظهر التركيب النظيري للكريبتون لمرجعين كوندريتين: متوسط ​​الكوندريت الكربوني (كوندريت الذي نشأ من النظام الشمسي الخارجي، حيث يمكن أن تتكثف المواد المتطايرة بسهولة أكبر) والمرحلة Q، وهي مادة سيئة الوصف تحمل معظم الغازات النبيلة الثقيلة الموجودة في العديد من الأنواع من النيازك.

لكن الكريبتون في عباءة الأرض لا يمكن أن يأتي مباشرة من أي من هذين المصدرين لأن مستويات ⁸⁶ Kr غير متطابقة. التناقض هو نوع من اللغز، لكنه أيضًا دليل. وقد لوحظت حالات شذوذ مماثلة – على وجه التحديد، عجز في عباءة أكثر نظائر عنصر غنيًا بالنيوترونات – لثمانية عناصر أخرى على الأقل، بما في ذلك الكالسيوم والتيتانيوم والنيكل. الكريبتون، مع ذلك، هو أول عنصر متقلب وجد لمتابعة النمط.

تتكون النظائر الغنية بالنيوترونات في النجوم في الغالب من خلال عملية (r)، أو الالتقاط السريع للنيوترونات، على عكس العملية s، أو الالتقاط البطيء للنيوترونات. من المحتمل أن يكون قرص الكواكب الأولية الذي شكّل النظام الشمسي قد اعتمد على بقايا عدد قليل من النجوم المختلفة – بعضها لديه عمليات (r) أكثر نشاطًا من البعض الآخر. إذا لم تكن مساهمات النجوم مختلطة جيدًا، فقد يكون جزء القرص الذي تشكل في الأرض قد تم إثرائه نسبيًا في مادة العملية (s). علاوةً على ذلك، فإن حقيقة أن الكريبتون يُظهر نفس الشذوذ مثل العناصر الأخرى يبدو أنه يشير إلى أن الأرض اكتسبت جرعتها المبكرة من الكريبتون والمواد المتطايرة الأخرى في نفس الوقت، ومن نفس المصدر، حيث تراكمت عناصرها غير المتطايرة.

إذا كان هذا التفسير صحيحًا، فلا بد من وجود بعض النيازك – بقايا نفس الجزء من قرص الكواكب الأولي الذي شكّل الأرض – والتي تُظهر عجز ⁸⁶ Kr كما يظهر في الوشاح. لم يتم العثور على أي منها حتى الآن، ولكن البيانات حول نظائر الكريبتون في النيازك متفرقة. تتمثل خطة Péron التالية في تحويل أسلوب التحليل الخاص بها إلى أنواع مختلفة من النيازك لمعرفة ما إذا كان بإمكانها العثور على أي منها بتكوين الكريبتون الذي يطابق نظائر الأرض في جميع النظائر الستة.

المراجع:

https://physicstoday.scitation.org

1. S. Péron et al. ، Nature 600 ، 462 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04092-z ومنحة جوجلكروسريف

1. 1.    2.S. بيرون ، إم موريرا ، جيوكيم. وجهة نظر. بادئة رسالة. 9 ، 21 (2018). https://doi.org/10.7185/geochemlet.1833 ومنحة جوجلكروسريف

1. 1.    © 2022 المعهد الأمريكي للفيزياء.

الكاتب : خالد سعود الصالحي

تويتر: khalooodeeee@

مراجعة وتدقيق: زينب محمد