جزئیات تحقیق روی الماس‌های فرازمینی از زبان مدیر ایرانی پروژه/ راه جدیدی برای شناخت تاریخ سیارات یافتیم

گروه علم و فناوری خبرگزاری آنا، فرهنگ نبیی 12 اردیبهشت 1368 در تبریز به دنیا آمد. چون پدربزرگش معلم بود و روز معلم هم به دنیا آمده بود، نامش را فرهنگ گذاشتند. او تا دبیرستان در تبریز درس خواند و برای کارشناسی، مهندسی علم مواد دانشگاه شریف قبول شد. ولی بعد از کارشناسی تصمیم گرفت که به خارج از کشور برود و از همین رو کارشناسی ارشد و دکتری‌اش را از دانشگاه EPFL (موسسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان) در همان رشته در سوئیس گرفت. حدود پنج ماه پیش درسش را تمام کرد ولی برای پست دکتری هم در همین دانشگاه پذیرفته شد.

نبیی در دوران دکتری در آزمایشگاهی علم زمین و سیارات کار می‌کرد و هم‌اکنون در لابراتوار میکروسکوپی و طیف‌سنجی الکترونی کار می‌کند. در این لابراتوار از میکروسکوپ الکترونی عبوری برای دیدن موادی با سایز پایین‌تر از اتم یا پیکومتر استفاده می‌کنیم. این دستگاه آخرین فناوری‌ای است که بشر توانسته است بسازد تا به جای نور از الکترون‌ها برای دیدن مواد استفاده کند. الکترون‌ها در این دستگاه پراش پیدا می‌کنند (diffraction) و نه تنها می‌توان مواد بسیار ریز را با کمک آن دید، بلکه می‌توان ساختارهای ریز اتم حتی چینش آنها را هم مشاهده کرد.

در نتیجه به‌راحتی ساختار کریستالی یک ماده قابل مشاهده است. در بخش طیف‌سنجی این دستگاه باید بدانید که الکترون‌ها با اتم‌های ماده نیز اندرکنش (Interaction) دارند و همین امر موجب ایجاد سیگنال‌هایی می‌شود که با کمک این سیگنال‌ها بتوان از مواد طیف‌سنجی و ترکیب شیمیایی و ساختار الکترونی مواد را مشاهده کرد.

به گفته نبیی، در این لابراتوار از دو نوع طیف‌سنجی استفاده می‌شود؛ یکی طیف‌سنجی پراش اشعه ایکس یا Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy یا EDX و طیف‌سنجی انرژی از دست رفته الکترون یا Electron Enery-Loss Spectroscopy که در این روش الکترون‌هایی که انرژی از دست داده‌اند، آشکارسازی می‌شوند و ساختار آنها تخمین زده می‌شود.

در ادامه مصاحبه ما را با این محقق جوان ایرانی می‌خوانید:

* تاکنون چه دستاوردهایی در ایران یا خارج از کشور داشتید؟

با وجودی که در ایران امکانات کمی در زمینه تحقیقاتی من وجود داشت اما من در ایران و دانشگاه شریف چیزهای بسیاری یاد گرفتم که بعدها به دردم خورد.

در خارج از ایران هم یک سری مقالات داشتم ولی در کل من با گروه‌های مختلفی کار کردم که به دنبال شناسایی مواد خاصی بودند و من با طیف‌سنجی به آنها می‌گفتم که در این ماده چه می‌گذرد و به شناسایی آن کمک می‌کردم. از میان این مواد می‌توانم به یک سری فلزات، سرامیک، شهاب‌سنگ، مواد گوشته زمین و گرافیت اشاره کنم. از این کارهای گروهی مقالاتی دارم و چالش‌های خوبی برای من محسوب می‌شوند.

با این حال، مقاله شهاب‌سنگ‌ اولین مقاله چاپ‌شده‌ای است که خودم سرپرستی و هدایت گروه و پروژه را به عهده داشتم و ایده و فکر اولیه‌اش از من بوده است.

* چه شد که وارد پروژه بررسی مواد شهاب‌سنگ شدید؟

این شهاب‌سنگ، نوع خاصی با نام «یورلیت» (Ureilite) است و خود شهاب‌سنگ «آلماهاتا سیتا Ms_170» (Almahata Sitta) نام دارد و حدود 10 سال پیش دانشمندان ناسا توانستند یک سیارک را که به زمین نزدیک می‌شد را در فضا شناسایی کنند آنها مسیر این سیارک را حساب کردند و اعلام کردند که 19 ساعت بعد به صحرایی در سودان برخورد خواهد کرد. این شهاب‌سنگ در فاصله 37 کیلومتری زمین منفجر و خرد شد و به صورت سنگ‌ریزه روی زمین سقوط کرد. دانشمندان 600 قطعه کوچک از این سنگ‌ها را جمع کردند. بیشتر این سنگ‌ها از خانواده یورلیت‌ها بودند و از آنجا که تاکنون چندین مورد از این سنگ‌ها کشف شده، اعتقاد بر این است که همه این سنگ‌ها مربوط به یک سیاره یا جرم آسمانی هستند. نام این جرم، یورلیت پرنت بادی (بدنه مادر یورلیت) یا UPB است.

مکانسیم‌های زیادی در مورد تشکیل الماس فرض می‌شود. یکی از آنها این است که جرم‌ آسمانی‌ای در چند صد کیلومتری زمین قرار داشته و با شوکی که موقع برخورد با جرم دیگر به وجود آمده، شرایط فشار بالا روی گرافیت‌ها ایجاد شده و در نتیجه گرافیت به الماس تبدیل شده است.

استادم در سال 2016 به همراه گروه دیگری مطالعه‌ای داشت و در آن نشان داد که این الماس‌ها خیلی بزرگ‌تر از چیزی هستند که بتوانند با شوک درست شوند. آنها ثابت کردند که الماس‌هایی که در اثر برخورد سیاره یا جرم آسمانی تشکیل می‌شود، با توجه به میزان فشار، معمولا باید در مقیاس نانومتر و ماکزیمم 100 نانومتر باشند. این گروه با مدارک و شواهد نشان دادند که الماس‌های بزرگی در حد 100 میکرومتر روی سیاره وجود داشته که در اثر برخورد این الماس‌ها به قطعات ریزتر تقسیم شده و در اثر فشار بالا بعضی تکه‌ها گرافیته شده‌اند. آنها به این نتیجه رسیدند که احتمالا این الماس‌ها در شرایط تعادل ترمودینامیکی در داخل یک سیاره به وجود آمده‌اند و آن سیاره به حدی بزرگ بوده که فشار داخلی آن باعث به وجود آمدن گرافیت شده و زمان کافی برای این کار را نیز داشته است و در نتیجه عامل به وجود آمدن آن شوک نیست.

این تیم تحقیقاتی معتقد است که اگر الماس از برخورد یا شوک یک جرم آسمانی تشکیل شده باشد، در این صورت این جرم آسمانی حداقل باید هزار کیلومتر قطر داشته باشد و تازه با این قطر، فشار گوشته آن به دو گیگاپاسکال برسد. این در حالی است که الماس در فشاری بالای دو گیگاپاسکال درست می‌شود.

در همین راستا استادم به من پیشنهاد داد که با روش طیف‌سنجی ببینم که ارتباط الماس و گرافیت چیست و آیا گرافیت به الماس تبدیل شده یا برعکس؟

در این مطالعه مستنداتی ارائه دادیم که خیلی قوی نشان می‌دهد در ابتدا الماس روی جرم آسمانی وجود داشته و به گرافیت تبدیل شده است. این الماس در جهت‌های بلوری خاصی با تغییر شکل الاستیک و تنش بالا و همچنین شوک در اثر برخورد به تیکه‌های کوچک‌تر و همینطور گرافیت تبدیل شده‌ است.

اتفاق دیگری که در این مطالعه افتاد این بود که درون این شهاب‌سنگ‌ها تعداد زیادی «آخال» یا inclusion پیدا کردم. قبل از این باید بگویم که هر ماده‌ای که می‌خواهد تشکیل بشود، از محیط اطرافش یک تکه کوچک از ماده یا سنگ درونش باقی می‌ماند. مثلا زمانی که یخ می‌خواهد روی زمینی تشکیل شود، سنگ‌هایی از روی زمین درون آن قرار می‌گیرند. همین اتفاق برای الماس هم می‌افتد و زمان تشکیل شدنش، سنگ‌هایی درونش حبس می‌شوند که به آنها آخال می‌گویند. این آخال‌ها ناخالصی معنی نمی‌دهند چون جزو ترکیبات الماس به شمار نمی‌روند.

این آخال‌ها خیلی مهم هستند. چون الماس‌ها مقاوم‌ترین ماده طبیعی هستند که مقاومت بالایی دارند و در فشار و دمای بالا شکل و ترکیباتش تغییر نمی‌کند. در واقع ما هیچ ماده‌ای را از اعماق زمین نمی‌توانیم برداریم اما الماس تنها نمونه‌ای است که از اعماق زمین داریم و این آخال‌های الماس اطلاعات بسیار مهم و جالبی را از اعماق زمین به ما می‌دهند. نکته اینجاست که الماس به دلیل مقاومت بالایش می‌تواند هر ماده‌ای که به عنوان آخال درونش گیر کرده است را به صورت سالم به دست ما برساند.

این در حالی است که با بررسی‌های بیشتر متوجه شدم که تا به حال کسی روی آخال‌های الماس مطالعه نکرده بود و همانطور که قبل‌تر گفتم، این الماس‌ها براساس نظریه‌های جدید در داخل خود سیاره یا اجرام آسمانی تشکیل شده‌اند و در نتیجه آخال‌ها اطلاعات بسیار خوبی از درون گوشته یا مرکز سیاره در اختیار ما قرار می‌دهد.

از شکل و ترکیب آخال‌های این شهاب‌سنگ‌ها دریافتیم که این آخال‌ها در فازی بودند که فقط بالای 20 گیگاپاسکال می‌تواند تشکیل شود. این فشار معادل فشاری که حدودا 100 هزار تن بار روی دست ما اعمال می‌کند. اگر فشار مرکز یک سیاره 20 گیگاپاسکال باشد، باید حداقل به اندازه عطارد باشد. اگر حالت منطقی‌تری را تصور کنیم و فرض کنیم که فشار ته گوشته‌اش 20 گیگاپاسکال بوده، این سیاره به اندازه سیاره مریخ می‌شود. یعنی اگر بخواهیم رنج خاصی به این سیاره بدهیم، قطر این سیاره باید بین چهار هزار تا شش هزار کیلومتر باشد.

این اولین بار بود که ما توانستیم تئوری‌های تشکیل سیارات را به صورت مدرک و شواهد ثابت کنیم. در تئوری‌های تشکیل سیارات این تصور است که چند میلیون سال بعد از تشکیل منظومه شمسی، مواد گازی و غبار در ابتدا به جنین سیاره تبدیل شدند که اندازه‌شان بین کره ماه تا سیاره مریخ بوده است. در منظومه شمسی درونی ده‌ها جنین سیاره‌ای بوده که بعدا با برخورد و ترکیب آنها سیاره‌های امروزی به وجود آمده‌اند. این تئوری‌ها براساس شبیه‌سازی‌‌ هستند؛ نه آزمایش. و مستندات هم نشان می‌دهند که این فرضیه درست است و ما برای اولین بار مدرک و شاهد واقعی برای این فرضیه آورده‌ایم.

علاوه بر این، تحقیقات ما فرصت جدیدی را نیز به دست داد تا سیاره مریخ را بهتر درک کنیم. درست است که هنوز مریخ متلاشی نشده و از آن نمونه‌ای در دست نداریم که روی آن مطالعه کنیم. ولی ما 480 نمونه سنگ داریم که از خانواده یورلیت هستند و می‌توان نمونه‌هایی را یافت که شبیه به سیاره مریخ باشند و از طریق آنها می‌توانیم مدل تکامل سیارات را بررسی کنیم.

بخشی از تکامل سیاره‌ای «تمایز سیاره‌ای» یا​ Planetary differentiation است که در آن در سیارات پدیده ذوبی رخ می‌دهد و لایه‌های داخلی آن از جدا می‌شوند. قبل از آن تا حدودی سیارات همگن هستند اما در فرآیند تمایز سیاره‌ای پوسته و هسته و گوشته سیارات تشکیل می‌شوند. در واقع سیاراتی که از یک حد بزرگتر می‌شوند، چون باید گرما را در داخل خود حفظ کنند، وارد فاز تمایز سیاره‌ای می‌شوند.

منبع این گرما دو چیز است: یکی «واپاشی ایزوتوپ‌های ناپایدار» است که در چند میلیون سال اول پیدایش منظومه شمسی رخ داده است و دیگر وجود ندارد. منبع دوم، برخورد بین سیارات است. این برخوردها انرژی ایجاد می‌کنند و باعث ذوب شدن سیارات می‌شوند. در واقع تمایز سیاره‌ای فرآیند ذوب شدن مواد در این سیارات است که به ترتیب از آهن و سولفات شروع می‌شود و بعد به سیلیکات‌ و آهن می‌رسد. الماس‌ها نیز از مذاب آهن به وجود آمده‌اند.

اگر قطر سیاره کوچک می‌بود، با واپاشی ایزوتوپ‌های ناپایدار، گرمای حاصله به راحتی از سیاره می‌پرید ولی سیارات بزرگتر مثل زمین و مریخ به دلیل وجود این گرما فرآیند تمایز سیاره‌ای را پشت سر گذاشته‌اند. جالب است بدانید که در UPB‌ها تمایز سیاره‌ای شروع شده اما هنوز تمام نشده است. زمانی که تمایز سیاره‌ای به صورت کامل انجام می‌شود، تمام فلزات ذوب و یکدیگر جدا شده‌اند، پس در مورد UPB‌ها این جداسازی فلزات هنوز انجام نشده است.

* پروژه‌ای که هم‌اکنون روی آن کار می‌کنید، چیست؟

من به‌تازگی روی سلول سندان الماس کار می‌کنم که در آن، دو تا الماس را در نظر می‌گیریم. این الماس‌ها نوک‌شان تیز تیز نیست و یک پخی با قطری حدود 300 میکرونانو دارند. زمانی که نوک این دو تا الماس را تحت فشار زیاد به هم فشرده می‌کنیم. این فشار حدود چند مگاپاسکال (یک میلیون برابر فشار جو) تا چند گیگاپاسکال (فشار مرکز زمین) است. از سوی دیگر سعی می‌کنیم که شرایط گوشته زمین را برای آنها فراهم آوریم و از آنجا که این الماس‌ها شفاف هستند، دو اشعه لیزر از دو طرف الماس‌ها می‌تابانیم. این اشعه دمای الماس را به شدت بالا می‌برد و تا چهار هزار تا پنج هزار درجه گرمش می‌کند. با این تکنیک شرایط ترمودینامیک داخل زمین را در داخل آزمایشگاه ایجاد می‌کنیم.

در واقع ما از ماده‌ای مانند الماس با ترکیب گوشته زمین یا نزدیک به آن استفاده می‌کنیم و با ایجاد شرایط ترمودینامیک مراکز زمین در محیط لابراتوار، سعی می‌کنیم درک کنیم که در داخل زمین چه اتفاقاتی رخ می‌دهد. یکی از این اتفاقات ذوب شدن و منجمد شدن مواد در گوشته زمین است.

گفت‌وگو از نسترن صائبی