در دنیای وسیع و شگفت‌انگیز سیارات فراخورشیدی، یکی از بزرگ‌ترین سوالاتی که ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده، منشأ آب در این سیارات است. آب به عنوان یکی از اجزای ضروری برای حیات، نقش مهمی در کشفهای علمی برای یافتن شرایط مناسب زندگی در خارج از کره زمین دارد. در همین راستا، دانشمندان به تازگی دریافته‌اند برخی از سیارات ممکن است آب را به طور طبیعی و بدون نیاز به منابع خارجی، تولید کنند.
در مطالعه جدید، محققان شرایط خاص برخی از سیارات فراخورشیدی را در آزمایشگاه شبیه‌سازی کردند. آنها با استفاده از لیزرهای پرانرژی، الیوین (نوعی کانی یافت‌شده در سیارات فراخورشیدی) را در محیطی که گاز هیدروژن نیز در آن حضور داشت، تحت فشار قرار دادند. در این شرایط، هیدروژن اتم‌های اکسیژن موجود در مواد معدنی را جدا کرد، سپس با آنها واکنش داد و آب تولید کرد.
این کشف، توضیحی منطقی و نو برای سیارات فراخورشیدی غنی از آب که از نزدیک به‌دور ستارگانشان می‌چرخند، ارائه می‌دهد. محققان بر این باورند که چنین فرایندی می‌تواند در این سیارات رخ دهد و آب را درون آنها تولید کند. این کشف جالب نیز به معمای قدیمی درباره منشأ آب در زمین می‌پردازد و نشان می‌دهد که ممکن است بخش‌هایی از آب زمین نیز از چنین فرآیندهایی شکل گرفته باشند.
تاکنون صدها سیاره فراخورشیدی که اندازه و جرمشان بین زمین و نپتون قرار دارد، کشف شده‌اند. بسیاری از این سیارات به ستارگان خود بسیار نزدیک‌تر از زمین به خورشید می‌چرخند. محاسبات تراکم این سیارات نشان می‌دهد آنها احتمالاً هسته‌هایی سنگی دارند که توسط لایه‌ای ضخیم از آب یا هیدروژن پوشیده شده است. با‌این‌حال، هنوز روشن نیست که چگونه این سیارات می‌توانند تا این اندازه غنی از آب باشند.
در منظومه شمسی، «خط برف» به مرزی اطلاق می‌شود که در آن دما به حدی پایین است که یخ می‌تواند شکل بگیرد. این خط معمولاً در فاصله‌ای دورتر از مدار سیاره مریخ و نزدیک به مدار سیاره مشتری قرار دارد. سیاراتی که در داخل این خط شکل می‌گیرند (مانند زمین و زهره) آب کمی دارند یا اصلاً آب در آنها وجود ندارد، زیرا با وجود دمای بالا و تابش شدید خورشید، آب به شتاب تبخیر می‌شود. اما سیاراتی که در خارج از خط برف شکل گرفته‌اند (مانند زحل و نپتون)، شرایط متفاوتی دارند. در این نواحی، دما پایین‌تر است و به این ترتیب یخ‌ها و گازها می‌توانند تجمع کنند. پس این سیارات غنی از ترکیبات آبی و گازی هستند.
پیش از این، اخترفیزیکد برنامهانان تصور می‌کردند که سیارات آبی باید در فاصله‌ای دور از ستارگان خود شکل بگیرند و سپس به سمت ستاره حرکت کنند. اما مطالعه جدید نشان می‌دهد تحت شرایط خاص، واکنش‌های شیمیایی بین هیدروژن و مواد معدنی می‌توانند به طور محلی آب تولید کنند.
دانشمندان با شبیه‌سازی شرایط سیارات فراخورشیدی، توانستند با استفاده از لیزر و فشار هیدروژن، مواد معدنی را وادار به تولید آب کنند
شبیه‌سازی این شرایط در آزمایشگاه کار ساده‌ای نبوده است. پژوهشگران برای دستیابی به دما و فشار مناسب، نمونه‌ها را در دستگاهی به نام «سلول سندان الماس» قرار می‌دهند. اما مولکول‌های هیدروژن گرم می‌توانند وارد ساختار کربنی الماس شوند و باعث شکستن آن شوند.
محققان با استفاده از لیزرهای پالسی (به جای اشعه پیوسته) که به نمونه فقط برای مدت کوتاهی حرارت می‌دهند، توانستند میزان نفوذ هیدروژن را کاهش دهند. آزمایش عملیات موفق‌آمیز بود و دانشمندان از مقدار آب تولید شده شگفت‌زده شدند. هورن می‌گوید: «سنگی باقی نمانده بود. تنها چیزی که داشتم فلز و آب بود.» در آزمایش‌ها، حدود ۱۸ درصد از جرم اولیه به آب تبدیل شد.
محققان معتقدند این فرایند تولید آب می‌تواند در مرز بین هسته سنگی سیاره و پوشش گازی هیدروژنی آن رخ دهد. در این ناحیه، فشار و دما به حدی بالا است که موجب آغاز واکنش‌های شیمیایی برای تولید آب می‌شود. میزان نهایی آب موجود در این سیارات می‌تواند بین ۵ درصد تا ۲۸ درصد از جرم سیاره متغیر باشد.
سیاراتی که بدین شیوه آب تولید می‌کنند، احتمالاً سیاره‌های اقیانوسی عظیم خواهند بود که دو تا پنج برابر زمین اندازه دارند یا سیاره‌های معروف به هایسین خواهند بود که اقیانوس‌هایی با لایه ضخیمی از هیدروژن روی آنها قرار دارد.
یافته‌ها نشان می‌دهند که سیارات هایسین و سیاره‌های اقیانوسی درواقع دو نوع متفاوت نیستند، بلکه در یک طیف قرار دارند و اینکه سیاره‌ای به عنوان سیاره اقیانوسی یا هایسین شناخته می‌شود، به عواملی مانند فاصله‌اش از ستاره، اندازه و ترکیب اولیه‌اش بستگی دارد.
این تحقیق نیز بحث‌ها درباره زیست‌پذیری در سیارات هایسین را وارد مرحله جدیدی کرده است. درحالی‌که تحقیقات قبلی نشان می‌دادند که بیشتر آب این سیارات ممکن است در لایه‌های داخلی آنها، یعنی گوشته، محبوس باشد و سطح سیاره خشک بماند، مطالعه جدید نشان می‌دهد که مقدار آب در این سیارات می‌تواند بیشتر از تصورات گذشته باشد.
نتایج تحقیق می‌تواند نوتیفیکیشندهایی برای زمین نیز داشته باشد. در حالی که شرایط فشار و دمای بالا برای انجام این واکنش‌ها در زمین امروز وجود ندارد، ممکن است در دوران اولیه زمین موجود بوده باشد. زمین اولیه با جو غنی از هیدروژن می‌توانست فرآیندهای مشابه برای تولید آب را آغاز کرده باشد.
پژوهش در ژورنال Nature منتشر شده است.
