کشف خاکستر یک ستاره در فسیل باکتری‌های باستانی

پیدایش حیات و پیچیدگی فزاینده گونه‌های زیستی بر روی زمین را می‌توان ناقض قانون دوم ترمودینامیک دانست؛ قانونی که می‌گوید در یک سیستم بسته، بی‌نظمی همواره رو به افزایش می‌گذارد. اما این مدعا فقط در شرایطی می‌توانسته صادق باشد که زمین واقعاً یک «سیستم بسته» می‌بود. حال‌آنکه سیاره ما از جنبه‌های متعدد و نامحسوسی به فضای بیرون از خود ارتباط دارد، که واضح‌ترین‌شان دریافت مستمر نور خورشید است.

اما مصادیق دیگری را هم از این ارتباط کیهانی می‌توان برشمرد که در نگاه اول چه بسا به جریان بی‌نظمی حتی سرعت می‌دهند؛ اما در بلندمدت، همین ارتباطات عامل چشمگیری در رشد پیچیدگی گونه‌های زیستی به شمار می‌روند: رخدادهای خشنی از جمله برخوردهای سیارکی به زمین، و در معدود مواردی هم انفجارهای ستاره‌ای.

حال، تیمی از پژوهش‌گران آلمانی موفق شده‌اند تا رد پای یکی از این انفجارهای نسبتاً اخیر ستاره‌ای را در فسیل میکروارگانیسم‌هایی به نام «باکتری‌های مگنتوتاکتیک» بیابند، و از نقش احتمالی این واقعه در بروز یک عصر یخبندان، و البته کمک به ارتقای سطح تنوّع زیستی، پرده بردارند.

مرگ ستارگان

مرگ ستارگان سبک‌وزن و میان‌وزن (همچون خورشید)، به مجرد از دست رفتن بخش اعظم لایه‌های فوقانی‌شان از طریق یک فرآیند نسبتاً آرام رقم خواهد خورد.

طی این فرآیند، هسته ستاره به لاک وضعیتی موسوم به «حالت تبهگن» فروخواهد رفت؛ حالتی که در آن هسته‌ی خاموش ستاره به‌واسطه فشار گرانشی لایه‌های فوقانی تا جایی فشرده می‌شود که به سد فیزیکی‌ای تحت عنوان «اصل طرد پائولی» (که به بیش از یک الکترون اجازه اشغال یک وضعیت کوانتومی در اطراف هسته اتم را نمی‌دهد) خواهد خورد. در چنین شرایطی، رمبش هسته رفته‌رفته متوقف خواهد شد و فشار گرانشی هم از سطح هسته به سمت بیرون «انعکاس» خواهد یافت؛ رخدادی که ستاره را به آرامی از هم خواهد گسیخت.

اما مرگ ستارگان سنگین‌وزنی با جرم دست‌کم ۸ برابر جرم خورشید را می‌توان حقیقتاً یک فاجعه طبیعی تلقی کرد – فجایعی موسوم به «ابرنواخترهای نوع ۲».

در جریان این رخدادها، لایه‌های فوقانی ستاره در فقدان واکنش‌های گرماهسته‌ای نواحی داخلی‌تر، همچون ستارگان سبک‌وزن‌تر، به درون فروخواهد ریخت و هسته را متراکم خواهد کرد. اما جرم لایه‌های فوقانی این ستارگان حتی بر اصل طرد پائولی هم خواهد چربید، و به‌علاوه، رنجیره‌ تازه‌ای از واکنش‌های گرماهسته‌ای را با نقش‌آفرینی اتم‌های سنگین‌تری همچون نئون و سیلیسیم (که از زمان فعالیت‌های پیشین ستاره حاصل شده بودند) آغاز خواهد کرد. واکنش‌هایی که محصول نهایی‌شان آهن و نیکل خواهد بود، چراکه از همجوشی این دو عنصر واپسین، انرژی‌ای که برای فائق آمدن بر فشار گرانشی لایه‌های فوقانی ستاره کفایت کند، تولید نخواهد شد.

در نتیجه، رمبش هسته تا موقع ادغام تمام الکترون‌ها و پروتون‌های سازنده آن (که نتیجه‌اش ایجاد ذره خنثای نوترون خواهد بود)، ادامه خواهد یافت.

فشار فزاینده‌ی وارده بر هسته‌ی هم‌اینک نوترونی این ستارگان چنان حاشیه تحرک ذرات‌شان را تنگ و محدود خواهد کرد که رفته‌رفته مقاومتی تازه با نقش‌آفرینی «اصل عدم قطعیت هایزنبرگ» (که به یک ذره زیراتمی امکان نمی‌دهد تا مکان معینی را در فضا اشغال کند) در هسته شکل خواهد گرفت.

در نتیجه، فشار گرانشی از سطح هسته نوترونی هم «انعکاس» خواهد یافت و به ایجاد یک موج شوکی در پیکره کل ستاره خواهد انجامید؛ موجی که نهایتاً از طریق فعل و انفعالات زیراتمی، به انرژی پتانسیلی با شدت ۱۰ به توان ۴۶ ژول بدل خواهد شد.

تبدیل فقط ۱ درصد از این انرژی به امواج مکانیکی (طی فرآیندی کماکان ناشناخته) کافی‌ست تا انفجاری از مرتبه درخشندگی کل ستارگان کهکشان را در کسری از ثانیه پدید آورد – و چنین نیز خواهد شد. که نتیجه‌اش یک «انفجار ابرنواختری» خواهد بود.

 ابرنواخترها و حیات

انفجارهای ابرنواختری، علاوه بر آزادسازی مقادیر سهمگینی انرژی گرمایی، زمینه را برای تشکیل اتم‌های سنگین‌تر از آهن و نیکل نیز فراهم می‌کنند.

و از این جمله، ایزوتوپ آهن-۶۰ است، اتمی که ۴ نوترون از یک اتم معمولی آهن بیشتر دارد و تیم پژوهش‌گران آلمانی هم موفق به تشخیص همین ایزوتوپ در نانوکریستال‌های زیستی واقع در دو نمونه رسوبی از کف اقیانوس آرام شده‌اند.

این نانوکریستال‌ها را میکروارگانیسم‌هایی موسوم به باکتری‌های مگنتوتاکتیک تولید می‌کنند، که خود محتوی اندامک‌های ویژه‌ای تحت عنوان «مگنتوزوم» هستند.

مگنتوزوم‌ها با ذخیره‌سازی کانی آهن‌داری موسوم به مگنتیت، این باکتری‌ها را با خطوط میدان مغناطیسی زمین هم‌جهت می‌کنند. از آنجاکه شرایط بقای این باکتری‌ها پیوند تنگاتنگی با درصد اکسیژن موجود در آب دارد (درصدی که به ازای افزایش عمق آب کاهش می‌یابد)، مگنتوزوم‌ها به‌ منزله قلب یک سیستم‌ مکان‌یابی  یک‌بُعدی با مرجعیت میدان مغناطیسی زمین عمل می‌کنند، و جابجایی باکتری‌های مگنتوتاکنیک را تنها به دو جهت محدود می‌کنند (تا این موجودات حسّاس اشتباها «عمق» زیست‌بوم آبی‌شان را تغییر ندهند).

اگرچه بقایای باکتری‌های مگنتوتاکتیک هم مثل سایر میکروارگانیسم‌ها به زودی تجزیه می‌شوند، اما نانوکریستال‌های‌ واقع در ساختار زیستی‌شان استقامت کافی برای ایجاد میکروفسیل‌هایی به شکل دانه‌های تسبیح (که همان رشته‌ی تک‌بعدی مگنتوزوم‌هاست) را دارند.

بررسی‌های تیم پژوهش‌گران آلمانی معلوم کرد که در نمونه‌فسیل‌های تحت بررسی، مقادیری ایزوتوپ آهن-۶۰ هم در کانی‌های مگنتیت یافت‌شده به چشم می‌خورد. این درحالی است که نیمه‌عمر این ایزوتوپ، از ۶ / ۲ میلیون سال تجاوز نمی‌کند، و چنانچه این ایزوتوپ از ابتدا در زمین می‌بود، تاکنون می‌بایست قطعاً از بین رفته باشد (عمر زمین افزون بر 4 میلیارد و پانصد میلیون سال است).

لذا می‌بایست منبعی خارج از زمین این ایزوتوپ‌ها را در حدفاصل ۷ / ۲ تا ۷ / ۱ میلیون سال پیش پیوسته تأمین می‌کرده؛ منبعی که می‌توانسته یک نسیم کیهانی از خاکستر مرگ یک ستاره بوده باشد.

در این‌صورت، موج «ذرات کیهانی» ناشی از این انفجار هم می‌توانسته بر جو و متعاقباً اقلیم زمین تأثیر گذاشته باشد؛ احتمالی که با افت دمای سرتاسری زمین در حدفاصل دوره پلیوسن تا پلیستوسن (در حدود ۵ / ۲ میلیون سال پیش) همخوانی دارد.

تسریع روند انقراض گونه‌ها به همین واسطه از یک سو، و افزایش شانس جهش‌های ژنتیکی  ناشی از آن تشعشعات از سوی دیگر نیز می‌توانسته روند «رانش ژنتیکی» را تسریع، و احتمال پیدایش گونه‌های جدید زیستی را افزایش بدهد (در این‌باره نگاه کنید به: انقراض نسل‌ها سرعت فرگشت را تعریف می‌کند).

با این حساب، حتی هم اگر تصور این سخت می‌نماید که جملگی عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم (اعم از اکسیژنی که تنفس می‌کنیم و کلسیمی که به استخوان‌هایمان شکل داده و بی‌شمار مورد دیگر) در کوره‌های گرماهسته‌ای ستارگان و انفجارهای پایان عمرشان پدید آمده‌اند، دست‌کم از این چشم‌انداز تازه می‌توان تجسمی بهتر از پیوندهای شگرف حیات و خاستگاه‌های کیهانی آن صورت داد – این‌که ما، به معنای دقیق کلمه، پیکره‌هایی از جنس خاکستر ستارگان هستیم.