خورشید ما به تدریج پر نور تر میشود. اگر در زمان سفر کنیم و به آغاز منظومه شمسی در 4.5 میلیارد سال پیش برویم، خورشید را میبینیم که حدود 30 درصد کم‌ نورتر است. در طول قرنها، خورشید درخشان‌تر و پر نور‌تر شده است. نور خورشید تابعی از فرآیند همجوشی در هسته‌ آن است. این همجوشی در هسته‌ ستارگانی مانند خورشید اتفاق می‌افتد و تا پایان عمر آنها ادامه دارد. خورشید حدود 5 میلیارد سال دیگر به این همجوشی ادامه خواهد داد. 

خورشید جوان کم نور در بدو تولد

اگر خورشید هنوز آن نور ضعیف اولیه را داشت، فاجعه ای در روی زمین رخ می داد. اگر زمین امروزی ما در زیر نور آن خورشید قرار می گرفت، دمای هوا به طور متوسط به حدود 7- درجه سانتیگراد می رسید. در این دما آب (و بسیاری از مایعات) منجمد می شوند و جریان پیدا نمی کنند. توبی تایرل، دانشمند زمین شناسی در دانشگاه ساوتهمپتون می گوید :«در این شرایط سیاره زمین کاملا یخ میزد و امکان ادامه زندگی وجود نداشت.»

با این حال این اتفاق نیفتاد. امروز میدانیم که از حدود 4.4 میلیارد سال پیش، و شاید حتی پیش از آن، با متراکم شدن بخار آب از جو، آب مایع روی سطح زمین تشکیل شده است و زندگی تک سلولی اندکی پس از آن به وجود آمده است. از آن تاریخ تا به امروز آب و حیات در سیاره زمین در کنار هم وجود داشته اند.

پس اگر نور خورشید تا این حد ضعیف بوده، چگونه این اتفاق افتاده است؟

پارادوکس خورشید جوان کم نور (The faint young sun paradox) برای دهه ها مورد توجه دانشمندان بوده است. اما مطالعات اخیر، ایده‌های جدیدی را در این زمینه مطرح کرده اند. این ایده ها به دانشمندان کمک میکند تا اطلاعات بیشتری درباره شرایط زمین در میلیاردها سال قبل به دست آورند.

دانشمندان دریافته اند که پارادوکس خورشید جوان کم نور، پیامدهای مهمی نه تنها برای زمین، بلکه برای درک ما از چگونگی به وجود آمدن زندگی در زمین دارد. آیا موقعیت زمین نسبت به خورشید باعث ایجاد امکان حیات روی آن شده است؟ آیا امکان وجود حیات در سیاره دیگری وجود دارد؟ بنجامین چارنی، دانشمند سیاره‌شناسی در رصدخانه پاریس، می‌گوید: «این یک سوال اساسی در مورد امکان حیات روی زمین است که پاسخ دادن به آن موجب می شود در مورد قابلیت سکونت در سیارات خارج از منظومه شمسی به فکر بیفتیم.»

برای کاوش در اسرار پارادوکس خورشید جوان کم نور، بایستی تاریخ جهان را به گونه ای جدید بازخوانی کنیم. بدین ترتیب درمی یابیم که آنچه زمانی یک پارادوکس بود ممکن است در واقع دلیل وجود ما روی زمین را آشکار کند.

پارادوکس خورشید جوان کم نور

در اواسط قرن بیستم، دانشمندان مکانیزمهایی که باعث تکامل ستارگانی مانند خورشید می شد، را کشف کردند. در اعماق هسته ستاره، هیدروژن به هلیوم تبدیل می شود و در نتیجه این همجوشی، انرژی تولید می شود. با کاهش مقدار هیدروژن، هسته منقبض می شود که به نوبه خود سرعت همجوشی را افزایش می دهد. بدین ترتیب ستاره با گذشت زمان روشنتر می شود.

منبع: Santi Visalli Inc./Getty Images

 کارل سیگان در سال 1974، دو سال پس از پیشنهاد او مبنی بر اینکه گازهای گلخانهای ممکن است پارادوکس خورشید جوان کم نور را حل کنند. 

در سال 1958، مارتین شوارتزشیلد، ستاره شناس آلمانی-آمریکایی و فرد هویل، ستاره شناس بریتانیایی، بر اساس این نظریه، به طور جداگانه، به نتیجه ای یکسان رسیدند :«خورشید در زمان متولد شدن تنها 70 درصد نور و درخشندگی فعلی خود را داشته است.» جیمز کاستینگ، زمین‌شناس در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، می‌گوید :«اولین مدل‌های تکامل ستاره‌ای این شرایط را پیش‌بینی کردند.» 

با این حال، در دهه 1960، دانشمندان شروع به یافتن شواهدی از آب روی زمین کردند که قدمت آن به 4 میلیارد سال قبل می‌رسید. به نظر میرسد که پیدایش آب با مدل خورشیدی در تضاد است. زمین در زیر تابش خورشید جوان کم نور به اندازه‌ای گرم نبود که بتواند آب مایع داشته باشد. 

پژوهشگران در مقاله ای در سال 1965، تلاش کردند تا برای حل این پارادوکس راه حلی ارائه دهند. آنها پیشنهاد کردند که یا خورشید قدیمی‌تر از آن چیزی است که ما فکر می‌کردیم، یا مدل تکامل خورشیدی ما «ممکن است نیاز به تغییراتی داشته باشد تا احتمال وجود میزان نور بیشتری مطرح شود.»

اتمسفر زمین اولیه

اخترشناسان آمریکایی، کارل سیگان و جورج مولن در سال 1972 تلاش بیشتری برای حل این پارادوکس انجام دادند و اولین تحلیل دقیق از پارادوکس خورشید جوان کم نور را ارائه کردند. آنها پیشنهاد دادند که اتمسفر ضخیم تر در زمین اولیه، گرمای بیشتری را به دام می انداخته و سیاره را به اندازه کافی گرم نگه میداشته تا آب به صورت مایع شکل بگیرد. آنها گاز گلخانه ای آن دوره را آمونیاک اعلام کردند.

با این حال، آمونیاک به عنوان یک راه حل بالقوه برای حل پارادوکس خورشید جوان کم نور دوام نیاورد. گئورگ فولنر، محقق آب و هوا در موسسه تحقیقی تاثیرات آب و هوایی پوتسدام، می گوید :«آمونیاک توسط تشعشعات فرابنفش خورشیدی از بین میرود و راه حلی برای پارادوکس خورشید جوان کم نور نیست.»

در اواخر دهه 1970، دانشمندان به گاز گلخانه ای دیگری – دی اکسید کربن – به عنوان راه حل روی آوردند. فولنر میگوید :«دی اکسید کربن منطقی تر از آمونیاک است.» در ابتدا کربن زیادی در سیستم زمین وجود داشته است. بنابراین تولید مقادیر قابل توجهی دی اکسید کربن در جو، یک فرض معقول است.

کاستینگ و همکارانش در سال 1981 اثرات احتمالی دی اکسید کربن را بررسی کردند. آنها خاطرنشان کردند که آتشفشانها هم می توانند به اندازه کافی دی اکسید کربن آزاد کنند تا بر پارادوکس خورشید جوان کم نور غلبه کنند. حتی اگر زمین یخ زده باشد – که به نظر میرسد حداقل در سه بار این اتفاق افتاده است – فعالیت آتشفشانها میتوانسته این روند را معکوس کند. کاستینگ و همکارانش بیان کردند :«اثر گلخانه‌ای دی اکسید کربن به قدری زیاد بوده که پوشش یخ را در مدت زمان کوتاهی (از نظر زمین‌شناسی) ذوب کرده است».

همه چیز در حد نظریه است 

اما به دست آوردن شواهدی برای این فرضیه بسیار سخت است. زیرا ما نمی‌توانیم نمونه‌ای از جو 4 میلیارد سال پیش را بگیریم و روی آن آزمایش انجام دهیم. بدین ترتیب به دلیل نبود اطلاعات معتبر، احتمالات دیگری به وجود آمد. شاید سطوح بالای دی اکسید کربن، میزان ابرهای انعکاسی را که نور خورشید را به فضا بازتاب میدادند، کاهش داده است. شاید خورشید در گذشته‌ه ای دور جرم بیشتری داشته است و با کاهش فرآیند همجوشی در هسته‌اش مقابله می‌کرده است. 

پیت مارتنز از دانشگاه ایالتی جورجیا می‌گوید :«اگر جرم خورشید را 5 درصد افزایش دهید، نور خورشید جوان به همان اندازه امروز خواهد بود و دیگر با پارادوکس خورشید جوان کم نور نخواهیم شد.» با این حال، بیشتر محققان به این نظریه با شک و تردید نگاه می کنند.

برای یافتن راه حلی برای پارادوکس خورشید جوان کم نور بایستی دوره‌های اولیه زمین شناسی را به خوبی بشناسیم: عصر هادین (Hadean eon)، که از 4.6 تا 4 میلیارد سال پیش به طول انجامید و پس از آن عصر آرکئن (Archean eon) که 2.5 میلیارد سال پیش به پایان رسید. دانشمندان باید دریابند که آب و حیات برای اولین بار چه زمانی به وجود آمدند تا جو اولیه زمین را شناسایی کنند. خوشبختانه، پاسخ ها دور از دسترس نبود.

آب، آب، همه جا آب

در ابتدای عصر هادین، جسمی حداقل به اندازه مریخ، و شاید دو برابر بزرگتر از آن، به روی زمین جوان فرود آمد. این برخورد ماه را تشکیل داد و اساسا جدول زمانی سیاره زمین را به صفر رساند. همچنین به دلیل ایجاد اقیانوسی از ماگما که سیاره را در بر گرفته بود، به احتمال زیاد دمای زمین به اوج رسیده است.

ایالت پن. منبع: quantamagazine

جیمز کاستینگ بیش از چهار دهه است که روی پارادوکس خورشید جوان کم نور کار میکند. 

این اقیانوس ماگمایی در طی چند ده میلیون سال سرد شده و سیاره‌ای قابل شناسایی شکل گرفته است. شواهد این امر در وجود کریستال های کوچکی به نام زیرکن (zircons) موجود است.

داستین تریل، دانشمند زمین در دانشگاه روچستر که در سال 2018 مقاله ای بر روی خواص آنها منتشر کرد، می گوید :«زیرکونها، قدیمی ترین جامدات زمینی شناخته شده در سیاره ما هستند.» مطالعه ی نسبت اشکال مختلف اکسیژن در برخی از این زیرکون‌ها نشان می‌دهد که آنها از 4.38 میلیارد سال پیش با آب برهم‌کنش داشته اند. این مساله به وجود آب مایع و شاید اقیانوس‌ها در زمین، پس از فاز اقیانوس ماگما اشاره دارد. تریل میگوید :«وقتی به آن فکر می‌کنید، واقعا مساله عجیب و قابل توجهی است. این نظریه به شما میگوید که 150 میلیون سال پس از شکل گیری منظومه شمسی، ما یک سیاره قابل سکونت داشته ایم.»

شروع حیات از 4 میلیارد سال پیش

اولین شواهد زندگی در زمین، 300  میلیون سال بعد – حدود 4.1 میلیارد سال پیش – ظاهر می شود. در سال 2015، الیزابت بل، زمین شناس در دانشگاه کالیفرنیا و همکارانش کربن بیولوژیکی را در زیرکونها یافتند. بل می گوید :«استنباط ما این است که اینها به طور بالقوه بقایای موجوداتی هستند که 4.1 میلیارد سال پیش یا قبل از آن زندگی می کردند، زمانی که در این کریستال به دام افتادند.»

ما اندازه گیری دقیقی از میزان دی اکسید کربن در اتمسفر میلیاردها سال قبل نداریم. اما می توانیم حدس بزنیم که حجم زیادی از آن‌ها در جو وجود داشته است. در ژانویه 2020، اوون لمر، دانشمند سیاره‌شناسی که اکنون در مرکز تحقیقات ایمز ناسا در کالیفرنیا مشغول به کار است، و همکارانش مقاله ای درباره تجزیه و تحلیل ترکیب شهاب‌سنگ‌های 2.7 میلیارد سال پیش، منتشر کردند. آنها دریافتند که وقتی شهاب‌سنگ‌ها از جو زمین عبور می‌کنند، بخشی از ترکیب اتمسفر را در خود حفظ میکنند. بر این اساس پژوهشگران نشان داده اند که ممکن است میزان دی اکسید کربن موجود در جوِ در میلیاردهای سال پیش، 70٪ یا بیشتر باشد، در حالی که امروزه فقط 0.04٪ است.

لمر می گوید :«میزان دی اکسید کربن در جو آن زمان بسیار زیاد بوده است. این میزان دی اکسید کربن مطمئنا موجب گرم نگه داشتن زمین جوان و جلوگیری از تبدیل آن به یک گلوله برفی غول پیکر بوده است.»

وقتی گلوله برفی آمد

دمای زمین همیشه آنقدر ملایم نبوده است. فولنر میگوید :«در چندین مورد ترموستات زمین به طرز چشمگیری از کار افتاد.» حدود 2.4 میلیارد سال پیش، یخچالهای طبیعی تا خط استوا پیشروی کردند. آندریاس پک، ژئوشیمی‌دان دانشگاه گوتینگن، می‌گوید :«ما معتقدیم در این زمان اولین رویداد «زمینِ گلوله برفی (snowball Earth)» رخ داده است. کل اقیانوس‌ها و احتمالا چند صد متر زیر آنها یخ زده اند.» دانشمندان فکر میکنند که این اتفاق زمانی افتاد که دی اکسید کربن بیش از حد از اتمسفر خارج شد. این میزان دی اکسید کربن توسط سنگ سیلیکات در خشکی و کف دریا در فرآیندی به نام هوازدگی سنگ جذب شدند. هنوز مشخص نیست که محرک دقیق این فرایند چه بوده است.

احتمالا دی اکسید کربن ناشی از فعالیت آتشفشانها، این روند را معکوس کرده است. سپس حدود 2 میلیارد سال پیش، خورشید به اندازه کافی درخشان شد تا آب مایع در سطح زمین ایجاد شود. در این زمان خورشید بیش از 80 درصد نور فعلی خود را داشت. 

رنو مالهوترا، دانشمند سیاره‌شناسی در دانشگاه آریزونا می‌گوید :«خورشید در نهایت به اندازه‌ای گرم می‌شود که میزان تابش مورد نیاز را فراهم کند.» با این حال، تصور می شود که حدود 700 میلیون سال پیش بار دیگر پدیده «زمین گلوله برفی» رخ داده باشد. احتمالا فورانهای آتشفشانی علت شروع و پایان هر یک از این دوره ها بوده اند.

رنو مالهوترا، دانشمند سیاره‌شناسی در دانشگاه آریزونا. منبع: quantamagazine

رمز گشایی پارادوکس خورشید جوان کم نور

در طول دهه گذشته، مدل‌سازی پیشرفته چرخه کربن سیاره زمین انجام شده است. این مدلسازی نشان میدهد که در اوایل تاریخِ زمین، احتمالا دی اکسید کربن کمتری نسبت به آنچه که محققان تصور می‌کردند مورد نیاز بوده است و عوامل دیگری مانند تولید متان توسط موجودات زنده، به تقویت اثر گلخانه ای کمک کرده اند.

در نوامبر 2021، رنه هلر، از موسسه تحقیقاتی ماکس پلانک برای تحقیقات منظومه شمسی در آلمان، و همکارانش منبع بالقوه دیگری از گرما را کشف کردند. مدت کوتاهی پس از تشکیل ماه، این جرم آسمانی 15 برابر بیشتر از امروز به زمین نزدیک شده است. گرانش ماه تاثیر بسیار زیادی روی زمین داشته است و امواج جزر و مدی عظیمی را ایجاد کرده است. ارتفاع این امواج 2 کیلومتر بالاتر از هر اقیانوس ماگما یا آب مایع بوده است. 

همچنین ماه می‌توانسته گرمای جزر و مدی شدید ایجاد کند که دمای سیاره را افزایش ‌دهد. اگرچه ماه برای حل پارادوکس خورشید جوان کم نور کافی نیست، اما در 100 تا 300 میلیون سال اول زمین، ماه می‌توانسته یک نیروی حیاتی به زمین بدهد، دمای زمین را چندین درجه افزایش دهد و به هدایت فعالیت‌های آتشفشانی در سطح زمین کمک کند.

فواید یک خورشید جوان کم نور

پژوهش اخیر دیگری نشان می‌دهد که ممکن است خورشید جوان کم نور، نه به وجود آورنده مشکل، که ناجی زمین بوده باشد. اگر 4.5 میلیارد سال پیش خورشید بین 92 تا 95 درصد درخشندگی کنونی خود را داشت، ممکن بود زمین بیش از حد داغ شود. در نتیجه یک «زمین پر از بخار (steam Earth)» ایجاد می شد که بخار آن قادر به متراکم شدن از جو نبود. مارتین توربت، اخترفیزیکدان مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه، می گوید :«در این شرایط زمین هرگز نمی توانست اولین اقیانوسهای خود را تشکیل دهد. احتمالا وجود خورشید کم نور جوان برای زیست‌پذیری زمین ضروری بوده است.» مقاله او که در ماه اکتبر منتشر شد، آب و هوای اولیه زهره را مدل‌سازی کرده است. او دریافت که سیاره زهره، حتی با یک خورشید ضعیف‌تر، هرگز به اندازه‌ای خنک نیست که بتواند آب مایع را تحمل کند. اگر خورشید اولیه کم نور نبود، احتمالا زمین هم سرنوشتی مانند زهره پیدا میکرد.

سفرهای فضایی آینده به زهره که توسط ناسا و آژانس فضایی اروپا برنامه‌ریزی شده‌اند، با جستجوی نشانه‌هایی از آب در این سیاره به ما خواهند گفت که آیا این نظریه درست است یا خیر. کاستینگ میگوید :«این یکی از فواید خورشید جوان کم نور است. یک خورشید داغ می‌تواند تمام اقیانوس‌ها را بجوشاند.»

تصاویر مریخ نورد Perseverance از سطح مریخ . همانطور که دیده می شود، شواهدی از بستر دریاچه های باستانی در سطح مریخ را نشان میدهد.

از سوی دیگر، در زهره، به دلیل گرمایش بیش از حد، امکان متراکم شدن آب مایع وجود ندارد. منبع: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS؛ ناسا

معمای مریخ

سیاره مریخ معمای پیچیده تری دارد. بر اساس داده های جدید مریخ نورد Perseverance ناسا، به نظر میرسد که مریخ حداقل 3.7 میلیارد سال پیش رودخانه ها و دریاچه هایی در سطح خود داشته است. مشخص نیست که چگونه این امر، با توجه به فاصله زیاد مریخ از خورشید، امکان پذیر است.

کریستن سیباخ، دانشمند سیاره‌شناسی در دانشگاه رایس و یکی از اعضای تیم علمی ماموریت‌های چندگانه رباتیک مریخ، از جمله Perseverance ، می‌گوید :«در مریخ، معماهای بیشتری وجود دارد. مریخ باستانی برای وجود مایع در سطحش، به دو برابر اثر گلخانه‌ای زمین، نیاز داشته است.» نمونه‌هایی که توسط Perseverance از سطح مریخ جمع‌آوری می‌شوند، قرار است در دهه 2030 به زمین بازگردانده شوند. این نمونه ها به ما خواهند گفت که آیا این امکان وجود دارد یا خیر.

زمین خوش شانس

برای سیارات در سایر منظومه ها نیز مشکل خورشید جوان کم نور مسئله حیات فرازمینی را پیچیده می کند. در دسامبر 2020، تایرل محاسبه کرد که ادامه سکونت و حیات در زمین بیشتر به دلیل شانس است. او یک مدل کامپیوتری از 100000 سیاره ایجاد کرد. هر کدام از آنها به عنوان سیاره ای قابل سکونت شروع به فعالیت کردند. سپس هر سیاره تحت 100 سناریو مختلفِ آب و هوا شبیه سازی شد. 91 درصد از سیارات، حتی از یک شبیه سازی آب و هوایی در مقیاسهای زمانی زمین شناسی، جان سالم به در نبردند. 

او نوشت :«موفقیت زمین نه یک نتیجه اجتناب ناپذیر، بلکه تنها یک احتمال بود. شرایط می‌توانست به هر طرف پیش برود.» بنابراین، برای اینکه سیارات سایر منظومه ها پتانسیل گسترش حیات داشته باشند، باید در شرایطی مناسب – مانند زمین – قرار بگیرند و خوش شانس باشند.

اکنون می دانیم زندگی زیر تابش خورشید جوان کم نور امکان پذیر بوده است و نظریه های معتبری برای تایید آن داریم. ما انسانها خوش شانس بوده ایم که زمین تبدیل به یک گلوله برفی دائمی یا یک سونای بخار نشده است. شرایط ایجاد شده روی زمین مانند پنجره باریکی بین یخ زدن و تبخیر شدن است که به ما اجازه میدهد زنده بمانیم. فولنر میگوید :«مباحث بسیاری در مورد الزامات حیات در سیاره ها وجود دارد. حتی روی زمین، ممکن بود همه چیز به گونه دیگری پیش برود.»