«جیمز وب» پرده از راز خاستگاه برمیدارد
تلسکوپ 10 میلیارد دلاری در پی یافتن پرسشهای بنیادین انسان خردمند
اگر شبی دور از آلودگی نوری شهرهای بزرگی همچون تهران، در جایی باشید که بالای سرتان آسمان پرستاره باشد، از خودتان خواهید پرسید ما کیستیم؟ چگونه پدید آمدهایم؟ چگونه زمین گهواره زیستی و تمدنی گونه ما شده است؟ اینها پرسشهایی هستند که از ذهن هر کسی میگذرد. کمتر از یک سال پیش، هردو ما برای شبی رصدی به روستای «نویس» رفته بودیم.
ضحی حسینینصر-حسن فتاحی: اگر شبی دور از آلودگی نوری شهرهای بزرگی همچون تهران، در جایی باشید که بالای سرتان آسمان پرستاره باشد، از خودتان خواهید پرسید ما کیستیم؟ چگونه پدید آمدهایم؟ چگونه زمین گهواره زیستی و تمدنی گونه ما شده است؟ اینها پرسشهایی هستند که از ذهن هر کسی میگذرد. کمتر از یک سال پیش، هردو ما برای شبی رصدی به روستای «نویس» رفته بودیم. روستایی که از سالها پیش پذیرای جوانان مشتاق اخترشناسیِ دوستکار (آماتور) و نیز گاهگاهی اخترشناسان حرفهای کشورمان است. نویس آتشکدهای از دوره ایرانِ پیش از اسلام هم دارد که نزد اهالی منطقه، همچنین مشتاقان اخترشناسی بسیار عزیز است. تلسکوپ را برپا کرده بودیم و به همراه دیگر دوستان، در حال شکار اجرام آسمان پرستاره نویس بودیم. بیشتر پرسشهای افرادی که برای نخستینبار از دریچه تلسکوپی کوچک ستارگان و سیارهها و مانگ یا ماهِ زمین را میدیدند، درباره حیات یا زیست فرازمینی بود. زیباترین گفتوگو هم برای دو جوان دلدادهای بود که یکی خطاب به دیگری گفت: اگر در سیاره دیگری هم بودیم، باز هم دوستت داشتم. گفتوگوی بسیار دلنشینی بود، اما در دل خود نکتهای داشت. اینکه گونه انسان در نهاد خود در پی یافتن خاستگاه است. در پی دانستن اینکه آیا در گیتی تنهاست و آیا مانند خودش در پهنه بیکران کیهان انسانهایی زندگی میکنند. آن شب درحالیکه در کنار بنایی تاریخی، با پیشینهای بلندبالا بودیم، و دستان خود را روی سنگهای بنایی میگذاشتیم که به دوره ساسانی تعلق داشت، از خود میپرسیدیم آیا بهراستی سیارهای دیگر وجود دارد که همچون ما روی زمین، تمدنهایی داشته باشد؟ در آنجا هم ادبیات و شعر و موسیقی باشد؟ در آنجا هم جنگ باشد و آیا در آنجا هم همزمان که در پی یافتن راهی برای درمان بیماریها هستند، جنبشهای ترقیخواهانه جریان دارد؟ این پرسشها بسیار هیجانانگیزند؛ اما دریچهای که باید از آن در پی زیست یا حیات ورای زمین باشیم، پرسشهایی از این دست نیستند؛ بلکه پرسشهایی هستند که ازقضا نه به روندهای اجتماعی زمین و وجود گونه هوشمند انسان، که به عوامل پدیدآورنده زیست و گونه انسان منجر شده است. یافتن پاسخ برای این پرسشها امروزه دانشهای گوناگون، ازجمله فیزیک و زیستشناسی و شیمی را چنان به کار گرفته و آنچنان شاخههای مهندسی را به خدمت خود درآورده است که نتیجه آن تلسکوپ 10 میلیارد دلاری جیمز وب است که میتواند پرده از رازهای بزرگ کنار زند و انسان را به یافتن ریشههای کیهانیِ خاستگاهش که روی زمین فرگشت را سبب شده، نزدیک کند. در این مقاله قصد داریم کمی دراینباره حرف بزنیم.
همهچیز از یک بانگ بزرگ آغاز شد. از رخدادی که مهبانگ نام دارد و اساس فهم ما را از کیهان و ستون فقرات کیهانشناسی نوین شکل میدهد. این نظریه یا نگره کمتر از صد سال قدمت دارد و راه سختی را پیمود تا جایگاه خود را بیابد. اگر بخواهیم به کوتاهی درباره روند دگرگشت گیتی در کیهان سخن بگوییم، نخست باید چند نکته را بدانیم. پیش از مهبانگ فضا-زمان وجود نداشتند و آنچه مربوط به پیش از آن است، پرسشی صرفا فیزیکی نیست. دیگر اینکه مهبانگ در جایی رخ نداده بلکه با آن گیتی و فضا-زمان زاده شده است. وقتی مهبانگ رخ داد، نخست هر چهار نیرویی که سازنده شالوده گیتیاند، یکپارچه بودند. نیروی گرانشی، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هستهای نزار یا ضعیف و نیروی هستهای قوی. خیلی زود نیروها از هم جدا شدند. همزمان که گیتی از آن دمای بینهایت آتشین فرو میافتاد، و پس از اینکه گیتی انبساطی بسیار سریع را که تورم مینامیم، تجربه کرد. آرامآرام نخستین ذرههای بنیادی سبک شکل گرفتند. همچنان که گیتی در حال انبساط و سرد شدن بود، نخستین هستههای اتمی پدیدار شدند و گیتی آرام و خاموش بهپیش میرفت. کمکم فوتونها آزاد شدند و گیتی روشن شد. چیزی که به آن تابش زمینه کیهانی میگوییم. این رویداد کمتر از چهارصد هزار سال پس از مهبانگ رخ داد و گیتی آرام به روند دگرگشتیاش ادامه داد تا اینکه صد تا سیصد میلیون سال پس از مهبانگ، نخستین ستارگان گیتی ظاهر شدند. این رده از ستارگان بسیار بزرگ بودند و بسیار تهی از عنصرهایی ورای هیدروژن و هلیوم. نخستین ستارگان در دل نخستین کهکشانهای گیتی شکل گرفتند و پانصد تا هزار برابرِ جرم خورشیدی بودند. سپس گیتی شروع به ساختن هرچه بیشتر کهکشانها و ستارگان کرد. نسلهای بعدی ستارگان و کهکشانها پدید آمدند و در دل کهکشانها ستارهزایی آغاز شد. در دل این ستارهزایی از یک سو عنصرهای سنگینتر ساخته شدند که به آن فراروند هستهسازی یا ترکیب هستهای میگویند؛ از سوی دیگر سامانههای سیارهای شکل گرفتند که برای زیست بسیار ضروریاند. از دل آن سامانههای سیارهای، زیست پا گرفت. برخی بر این باورند که کل این روند یکتا بوده و بسیار تنظیم- ظریف است؛ اما برخی دیگر بر این باورند چنانچه گیتیهای بسیار با تنظیمهای متفاوت داشته باشیم، اگرچه گیتی ما بسیار خوش-تنظیم و ظریف است؛ به معنای یکتایی و برخی نگرشهای فلسفیِ خاص نیست.
خاستگاه بُنپارهای سبک
اجازه دهید داستان شکلگیری عنصرها یا بُنپارهای سبک را به دو بخش تقسیم کنیم. در اینجا به عنصرهایی که در مهبانگ ساخته شدهاند و نیز عنصرهایی که در ستارگان کمجرم و میانجرم ساخته میشوند، عنصرهای سبک خواهیم گفت. پیش از آنکه خاستگاه عنصرهای سبک را شرح دهیم، خوب است بدانیم عنصرها در گیتی، در جاها و روندهای گوناگونی ساخته میشوند. دستهای کوچک از بُنپارها در مهبانگ ساخته شدهاند. برخی دیگر در ستارگان خورشیدگون، برخی در واکنشهای هستهایِ از جنس شکافتِ پرتوهای کیهان، ردهای از عنصرها در انفجارهای ابرنواختری و انفجارهای کوتولههای سفید و ستارگان نوترونی و برخی دیگر هم در فراروندی که ادغام نام دارد و برآمده از برخورد سخت اجرام فشرده همچون دو ستاره نوترونی است، ساخته میشوند. این تمام ماجرا نیست و برخی از عنصرها را دانشمندان در آزمایشگاه ساختهاند. به داستان عنصرهای سبک بازگردیم. میدانیم که هستههای اتمی از دو ذره پروتون و نوترون ساخته شدهاند. الکترونها هم بهعنوان ذرهای بنیادی، وقتی در مدارهای مشخص به گرد هسته میچرخند، اتم ساخته میشود. در مهبانگ و در همان سه چهار دقیقه نخست، هیدروژن معمولی و دوتریوم و هلیوم سبک و هلیوم معمولی ساخته شدند. اما در ادامه ماجرا، وقتی گیتی در دل کهکشانها و در دل ابرهای سیاه و سرد، ستارهزایی را کلید زد، در کوره مرکزی ستارگانی همچون خورشید، پدیدهای رخ داد که اساس هستهزایی است. نام این فراروند گداخت هستهای است. فراروندی که در آن هستههای عنصرهای سبک به هم میپیوندند و هستههای اتمی عنصرهای سنگینتر را میسازند. داستان از این قرار است: ابری بزرگ و سرد و تیره، درون کهکشانها آرامآرام شروع میکند به رمبش. به فرایندی که در آن ابر شروع به جمع شدن و انقباض میکند، در اخترشناسی رمبش میگویند. ابر سیاه میرمبد، چگالی مرکز آن بالا میرود، توده گازی بزرگی در آن ظاهر میشود و سپس دما افزایش مییابد. این روند تا آنجا ادامه مییابد که در لحظهای خاص، دما چنان بالا میرود که برای آغاز واکنشهای هستهای کافی است. در این زمان ستاره زاده شده و واکنشهای هستهای پایدار که در ستارگانی همچون خورشید چند میلیارد سال به درازا میکشد، آغاز میشود. ستاره در کوره مرکزیاش که دمای کمینه آن باید بالای 10 میلیون درجه کلوین باشد، هیدروژن را به هلیوم تبدیل میکند. واکنشهای هستهای که در ستارگانی همچون خورشید ساخته میشوند، با واکنشهای هستهای ستارگان پرجرم، اگرچه از قوانین فیزیکی یکدست پیروی میکنند؛ دو رده از عنصرهای متفاوت را میسازند. در خورشید هیدروژن به هلیوم همجوشی میشود، اما در ستارگان پرجرم همجوشی کربن- نیتروژن- اکسیژن داریم.
خاستگاه بُنپارهای سنگین
اکنون بهخوبی پذیرفته شده است که عنصرهای سبک همچون هیدروژن و مقدار هنگفتی از هلیوم موجود در گیتی، بسیار آغازین هستند و همگی در همان 10 دقیقه نخست مهبانگ شکل گرفتهاند. همچنین پس از شکلگیری [یا دیسش] ستارگان در روند دگرگشتشان، هیدروژن بهطور پیوسته [در مرکز ستارگان] به هلیوم تبدیل شده، انرژی و گرما تولید شده است. هماکنون پرسش این است: بُنپارهای سنگینتر که مسئول همهچیز در اطراف ما هستند، چگونه ساخته شدهاند؟ عنصرهای سنگینتر هیدروژن و هلیوم که در گیتی آغازین شکل گرفتهاند، در شرایطی کاملا متفاوت درست شدهاند. هماکنون دانشی با جزئیات کافی از چگونگی ساختهشدن این عنصرها را در اختیار داریم. در ادبیات اخترفیزیکدانان، به عنصرهای سنگینتر از هلیوم «فلزات» میگویند. همچنین نسبت هر فلز یعنی عنصرهای سنگینتر از هلیوم را با شاخصی با نام «فلزیگی» مشخص میکنند که برحسب جرم است. [گفتنی است که فلزیگی برابر واژه metallicity است و در زبان دانشیِ فارسی با واژگان «فلزیت و فلزیدگی» هم شناخته میشود]. فلزها در کوره مرکزی ستارگان و در دل واکنشهای همجوشی هستهای که به آن سنتز هستهای ستارهای یا به بیانی شیواتر هستهسازی ستارهای، میگویند، ساخته میشوند؛ برخلاف آنچه در هستهسازی مهبانگ رخ داده است. هسته ستارگان تنها جایی در گیتی است که از دما و چگالی کافی برای ساختن فلزات [به تعبیر اخترشناسان] برخوردار است. بااینحال حتی مرکز ستارگان، آنقدر دما و چگالیاش بالا نیست که بتواند بُنپارهایی سنگینتر از آهن را بسازد. پیشبینی میشود عنصرهای سنگینتر از آهن در مراحل پایانی دگرگشت ستارهای و در مرکز ستارگان بسیار پرجرم یا از طریق انفجارهای شدید در مرگ ستارگانی با جرمهایی بیش از جرم خورشید ساخته میشوند. جاهایی از گیتی که در بخش قبلی از آنها نام بردیم. یک نظریه موفق درباره ساختهشدن عنصرهای سنگین باید بتواند توصیفکننده فراروندهای فیزیکیِ مبتنی بر اصول شناختهشده فیزیک باشد. همچنین باید بتواند فراوانی آنها را توضیح دهد. در مقاله جاویدانی که به سال 1957م. «ایی.ام باربیج»، «جی.آر باربیج» و «اف.دابلیو فوولر» چاپ کردند، فرایندهای جدیدی را پیشنهاد دادند که میتوانست سبب ساختهشدن یا همان سنتز هستهای بُنپارهای سنگین در ستارگان باشد. در این مقاله آنها برای نخستینبار نشان دادند که هستههای اتمی، از لیتیوم تا اورانیوم در ستارگان ساخته میشوند. پیشرفتهای پسین در فیزیک هستهای بر بسیاری از واکنشهای هستهای که مسئول تولید عنصرها شناخته شده بودند، مهر تأیید زد. چیزی که بعدها در سنجش فراوانی عنصری در ستارگان هم آزموده شد.
زیست چیست؟
تا اینجا آموختیم بُنپارها در مهبانگ و دیگر فراروندها و اجرام اخترفیزیکی ساخته میشوند. هیدروژن و هلیوم در مهبانگ، هلیوم و کربن و اکسیژن و نیتروژن در کورههای مرکزی ستارگان، از اکسیژن تا آهن در دل انفجارهای ابرنواختری و عنصرهای سنگینتر از آهن در دیگر فراروندهای هستهای در پدیدههای اخترفیزیکی. حال بیایید به این پرسش بیندیشیم که زیست چیست؟ ممکن است نخستین پاسخ اشاره به وجود انسان و جانوران و گیاهان باشد. پاسخ نادرستی هم نیست؛ اما راز مهم و نهفته در دل این پاسخِ هرچند ناکافی این است که در ساختار انسان و حیوان و گیاه چه چیزی و چه بُنپارهایی وجود دارد؟ در بدن انسان و حیوان و نیز در ساختار گیاهان عنصرهای بسیاری از جدول مندلیف وجود دارد که خاستگاه کیهانی دارند. حالا کمکم رابطه میان زیست در معنای حیات و پژوهشهای اخترفیزیکی روشن میشود. اما پیش از آن باید به تعریف زیست بپردازیم. تعریف زیست یا حیات پیچیده است و دیدگاههای گوناگونی برایش وجود دارد که شاید رویهمرفته بتواند طیف گسترده زیست را شامل شود؛ اما نکته مشترک و مهم همگی، نیازمندی زیست به سرچشمه انرژی و نیز محیط زیستپذیر است. گیاهان روی زمین به انرژی خورشیدی، دیاکسید کربن و آب نیاز دارند. در فرایند زیستی، رشد و تکثیر وجود دارد. از شاخصهای اصلی زیست، متابولیسم یا سوختوساز است. زیست خود را با ساختارهای پیچیده هماهنگ و همخوان میکند و میتواند با محیط سازگار شود. فراروند متابولیسم هم شاخصی است که هر جا در پی زیستِ فرا-زمینی باشیم باید به آن توجه کنیم. برای نمونه در سیاره بهرام یا مریخ. کوچکترین واحد سازنده زیست روی زمین سلول است. سلول یا یاخته میتواند از موجودی ساده و بهاصطلاح تکسلولی باشد تا چندسلولیهای پیچیده. بدن انسان از حدود صد تریلیون سلول ساخته شده است. زندگی روی زمین اساسا بر پایه آب است. آب ویژگیهای یکتایی دارد. گرما را ذخیره میکند، بهعنوان یک حلکننده عمل میکند، وسیلهای برای انتقال درونسلولی است، خنککننده است و دیگر ویژگیها. یخ که آبِ جامد است، از آب مایع سبکتر است و به همین دلیل روی دریاچهها را میپوشاند و سبب زندهماندن جانداران در آب میشود. موجوداتی هم هستند که میتوانند برای مدتی دراز بدون آب زنده بمانند و در شرایط زیستی سخت دوام آورند. همچنین برخی موجودات زنده میتوانند دمای پایین را تاب آورند. علاوه بر آب، کربن هم برای زیست عنصری ضروری است. بدون کربن زیست شکل نمیگیرد. کربن هم مانند آب ویژگیهای منحصربهفردی دارد که یکی از آنها توان پیوند شیمیایی آن است. پس تا اینجا فهمیدیم اگرچه نمیتوان تعریفی واحد برای زیست ارائه کرد، اما میتوان شاخصهایی را که با آن زیست شناخته میشود، بهروشنی نام برد.
اخترزیستشناسی از چه سخن میگوید؟
حال باید به این پرسش بپردازم که اخترزیستشناسی چیست و چرا مهم است. اخترزیستشناسی همانطور که از نامش پیداست، از دو واژه اخترشناسی و زیستشناسی ساخته شده است. این شاخه پژوهشی با درنظرگرفتن اینکه در گیتی هم آب بهوفور یافت میشود، هم کربن و هم شرایط دمایی در گیتی بازه وسیعی را پوشش میدهد، در پی یافتن زیست فرا-زمینی و امکان آن، یافتن سرچشمههای زیستی و فرایندهای زیستپذیر در گیتی است. هماکنون و با توجه به نوپا بودن این شاخه، دامنه بررسیها در روی زمین، در سامانه خورشیدی، شامل سیارهها و ماههای آنان همچون ماههای برجیس یا مشتری است. همچنین شاخه پژوهشی سیارههای فرا-خورشیدی بهشدت در حال پیشروی و پیشتازی است. اینجا همانجایی است که جیمز وب مرزها را جابهجا خواهد کرد. زیست در دیگر اجرام سامانه خورشیدی و نیز فراتر از این سامانه آشکارسازی نشده است، اما در چند جا امید بسیار داریم به دستاوردی چشمگیر برسیم. نخست سیاره بهرام است. چهارمین سیاره سامانه خورشیدی که سرخفام است و تاکنون مأموریتهای زیادی برای کاوش این سیاره پذیرفته شده است. پرسش در این است که آیا در گذشتههای دور سیاره بهرام که دمای بالاتری داشته، گونههایی از زیست، ولو بسیار ساده وجود داشته یا نه؟ دو ماهِ سیاره برجیس یا مشتری با نامهای اروپا و گانیمد، ممکن است در زیر اقیانوسهای آبشور خود گونهای زیست داشته باشند. همچنین در ماهِ سیاره کیوان، انسلادوس آبفشان دیده شده که میتواند محیطی برای پیدایی زیست باشد. در دیگر ماه این سیاره، تیتان یا تایتان، در جوّ آن ترکیبات آلی دیده شده و مواد هیدروکربنی در رویه آن تشخیص داده شده است. دیر یا زود اخترزیستشناسان نوعی زیست را در کیهان خواهند یافت و این رویداد بدون شک از برجستهترین اخبار تمام تمدن بشر به شمار خواهد رفت.
آیا ما تنها و یکتا هستیم؟
پیش از آنکه بخواهیم به این پرسش اساسی پاسخ دهیم باید چند نکته را لحاظ کنیم. نخست اینکه در اخترشناسی و بهطور خاص، در پژوهشهای مربوط به سامانههای سیارهای، مفهوم مهمی وجود دارد با نام «ناحیه زیستپذیر». این ناحیه مشخص میکند که یک سیاره باید در چه فاصلهای باشد از ستاره مادر و چه ویژگیهایی داشته باشد. بنابراین وقتی در پی سیارههای فرا-خورشیدی که به آن اُسترخورشیدی هم میگویند، هستیم، حواسمان است که این سیاره در چه فاصلهای از ستاره مادر است، اندازهاش چقدر است و ستاره مادر به کدام دسته از ستارگان تعلق دارد. حال به پرسشی که داریم، بازگردیم. پاسخ بهتنهایی و یکتایی آسان نیست. اینکه یکتا هستیم به دو معناست؛ آیا انسان در گیتی یکتاست یا خودِ گیتی هم یکتاست. به نظر میرسد، اگر با دوربین اخترشناسی به داستان نگاه کنیم، پاسخ یکتایی گونه انسان منفی است؛ اگرچه هنوز نتوانستهایم زیست فرا-زمینی بیابیم. نیافتن ما به معنای نبودن نیست. احتمال یافتن زیست یاختهای هم که به مراتب بیشتر است. حتی اگر گیتیِ ما یکتا باشد، باز هم با توجه به روند دگرگشتهای کیهانشناسی، و شمارگان بیش از حد تصور کهکشانها و ستارگان در گیتی، دور از ذهن است که تنها باشیم. ممکن است شبیه ما نباشند؛ اما میتوانند باشند و در ردههایی از مفهوم زندگی در گیتی حضور داشته باشند. به زبان ساده، ندیدن و بیخبری دلیل بر نبودن چیزی در کیهان نیست. کیهان ما پر از شگفتی است و زیست فرا-زمینی یکی از آنهاست.
جیمز وب و پاسخ به پرسشهای بنیادین
حال پرسش اصلی که میخواهیم در این مقاله پاسخ دهیم این است که جیمز وب، این تلسکوپ 10 میلیارد دلاری چگونه به ما در یافتن خاستگاهمان کمک خواهد کرد. جیمز وب به اخترشناسان کمک خواهد کرد تا رازهای سربهمهر خاستگاه عنصرهای جدول مندلیف را بیابند. هنوز پرسشهای حلنشده زیادی در حوزه اخترفیزیک هستهای وجود دارد که جیمز وب با چشمان تیزبیناش پاسخ خواهد داد و آن پاسخها به اخترزیستشناسان کمک شایانی خواهد کرد. از سوی دیگر جیمز وب در یافتن سیارههای فرا-خورشیدی بازوانی توانمند دارد. این تلسکوپ بیشک مرزهای پژوهش در سیارههای فرا-خورشیدی را جابهجا خواهد کرد. همچنین جیمز وب خواهد توانست جوهای سیارهای را بکاود و بیناب تهیه کند و مشخص کند چه عنصرهایی با چه میزان فراوانی دارند. یافتن عنصرهای مطلوب یعنی یک گام اساسی نزدیک شدن به زیست فرا-زمینی. جیمز وب به این پرسشها پاسخ خواهد داد و نشان خواهد داد نه ما گونهای خاص هستیم و نه این سیاره زیبا. اما اگر از خودمان و این سیاره مراقبت نکنیم، یافتن جایی دیگر برای بقای زیست بشر، کاری بس دشوار است.