محاكاة بالحركة البطيئة لاصطدام كويكب تحل "لغزا عمره عقود"
لأول مرة، سجل علماء تفاصيل حية لما يحدث للمادة في أثناء اصطدام كويكب. وقاموا بضغط حبيبات صغيرة من الرمل بين زوج من الماس لمحاكاة الضغوط الشديدة التي تواجهها الصخور عند الاصطدام.
وتكشف الملاحظات عن حل لـ"لغز عمره عقود" من خلال محاكاة ما يحدث، بالحركة البطيئة، لما يحدث للمواد المعرضة للقوة غير العادية لتأثير كويكب.
وتضمنت الدراسة، التي قادها عالم المعادن البروفيسور فالكو لانغينهورست من جامعة جينا وعالم الأشعة هانس بيتر ليرمان من شركة Deutsches Elektronen-Synchrotron، ضغط حبيبات الكوارتز المفردة إلى نحو 180 ألف مرة من الضغط الجوي.
وتمكن الفريق من الكشف عن الكيفية التي يتسبب بها الضغط الشديد في تشكيل الكوارتز لهيكل ذي طبقات مميزة يعرف العلماء منذ فترة طويلة أنها بصمة لحدث الاصطدام.
وعلى الرغم من كونها أحداثا كارثية تؤدي إلى إذابة أجزاء من صخور الأرض وإنشاء فوهات ضخمة، إلا أن الأدلة المباشرة على تأثيرات الكويكبات الماضية يمكن أن تكون أكثر دقة مما قد يتوقعه المرء.
ويوضح البروفيسور لانغينهورست: "غالبا ما يكون من الصعب اكتشاف الحفر على الأرض لأن التعرية والطقس وتكتونية الصفائح تتسبب في اختفائها على مدى ملايين السنين".
وبدلا من ذلك، يبحث العلماء عن علامات القوة الناتجة عن الاصطدام، كما تم الحفاظ عليها من خلال التغييرات التشخيصية لبعض المعادن الخاصة في السجل الصخري.
Under pressure: a team from @UniJena used DESY’s #PETRAIII light source to watch in slow motion quartz granules be transformed into glass lamellae like the ones below—revealing the processes behind changes seen in asteroid impacts. Find out more: https://t.co/a06WFlsuC3pic.twitter.com/ShcBsbQWuK
— DESY (@desynews) February 7, 2023
على سبيل المثال، رمل الكوارتز، وهو في الأساس مجرد ثاني أكسيد السيليكون، يتحول تدريجيا إلى زجاج من خلال الصدمة، مع تقاطع حبيبات المعدن بواسطة هياكل مميزة مجهرية ذات طبقات تسمى lamellae.
وقال ليرمان: "لأكثر من 60 عاما، كانت هذه الهياكل الرقائقية بمثابة مؤشر على اصطدام كويكب، لكن لا أحد يعرف حتى الآن كيف تشكل هذا الهيكل في المقام الأول. لقد حللنا الآن هذا اللغز الذي مضى عليه عقود".
وكان المفتاح لمحاكاة التأثير هو توليد ضغوط غير عادية من الشدة التي قد تراها عادة في باطن الأرض. ويتم تحقيق ذلك في بيئة معملية عن طريق ضغط عينة من المادة بين ماسين في قطعة من المعدات تعرف باسم خلية سندان الماس.
وفي دراستهم، استخدم الباحثون ما يسمى بخلية سندان الماس (DAC) الديناميكي، والتي لا يمكنها فقط توليد ضغوط شديدة، كما هو سائد في باطن الأرض أو في اصطدام كويكب، ولكن أيضا تغيير مثل هذه الضغوط بسرعة كبيرة.
وضغط الفريق قطعا صغيرة من الكوارتز أحادية البلورة في هذه الآلة، وراقبوا كيف أثر الضغط على بنية البلورات من خلال تسليط ضوء الأشعة السينية المكثف من السينكروترونPETRA III في هامبورغ، ألمانيا.
والسنكروترون هو نوع من مسرعات الجسيمات الدورانية، حيث تنتقل حزمة الجسيمات المتسارعة حول مسار حلقي.
وكما يوحي الاسم، فإن المجال المغناطيسي المستخدم لإبقاء الحزمة على مسارها الدائري متزامن مع الطاقة الحركية للجسيمات، بحيث تزداد أيضا بمرور الوقت.
وقال الدكتور ليرمان: "يكمن الحيلة في السماح لمحاكاة اصطدام الكويكب بالمضي قدما ببطء بما يكفي لتكون قادرا على متابعته بضوء الأشعة السينية، ولكن ليس ببطء شديد - بحيث تظل التأثيرات النموذجية لاصطدام الكويكب ممكنة".
ووجد الفريق أن التجارب التي تم إجراؤها على مدار بضع ثوان كانت المدة المثالية.
وقال كريستوف أوتزن، عالم المعادن المشارك في الدراسة: "لاحظنا أنه عند ضغط نحو 180 ألفا من الغلاف الجوي، تحولت بنية الكوارتز فجأة إلى هيكل انتقالي أكثر إحكاما، والذي نسميه شبه Rosiaite".
ويشار إلى أن Rosiaite هو معدن مؤكسد مصنوع من الأنتيمون والرصاص والأكسجين.
وتابع أوتزن: "في هذا الهيكل البلوري، يتقلص الكوارتز بمقدار ثلث حجمه. وتتشكل الصفائح المميزة بالضبط حيث يتغير الكوارتز إلى هذه المرحلة المزعومة المستقرة، والتي لم يتمكن أحد من تحديدها في الكوارتز قبلنا. وكلما ارتفع الضغط، زادت نسبة السيليكا ذات البنية الشبيهة بـ Rosiaite في العينة. ولكن عندما ينخفض الضغط مرة أخرى، لا تتحول الصفيحات الشبيهة بـ Rosiaite مرة أخرى إلى هيكل الكوارتز الأصلي، ولكنها تنهار إلى صفائح زجاجية ذات هيكل غير منظم".
وأضاف:"نرى أيضا هذه الصفائح في حبيبات الكوارتز من رواسب اصطدامات الكويكبات".
ويوضح الفريق أن دراسة كمية واتجاه صفائح الكوارتز تسمح للجيولوجيين باستخلاص استنتاجات حول طبيعة التأثير، على سبيل المثال، نوع الضغط الذي نجح الاصطدام في الوصول إليه.
وقال البروفيسور لانغينهورست: "لعقود من الزمان ، تم استخدام هذه الصفائح لاكتشاف وتحليل تأثيرات الكويكبات. ولكن الآن فقط يمكننا شرح وفهم تشكيلها بدقة ".
نُشرت النتائج الكاملة للدراسة في مجلة Nature Communications.
المصدر: إكسبريس
