फीका जवान सूरज का पहेली: पृथ्वी को जमा हुआ होना चाहिए था

चार अरब साल पीछे जाइए और ऊपर देखिए। युवा पृथ्वी के आसमान में जो सूरज टँगा है, वो आज का सूरज नहीं है। वो मद्धम है, पीला है — आज की रोशनी का महज़ 70 से 75 प्रतिशत। अब कोई भी जलवायु वैज्ञानिक वाला हिसाब लगाइए, और नतीजा रूह कँपा देने वाला है: यह ग्रह बर्फ की एक ठोस गेंद बना होना चाहिए था, इसके पहले दो अरब सालों तक महासागर जमे हुए होने चाहिए थे।

यहीं पर असली रहस्य शुरू होता है। चट्टानें सिर इनकार में हिलाती हैं। प्राचीन तलछटों पर नदियों, समुद्रों, बारिश के निशान हैं — और जीवन के रासायनिक दस्तखत, जो बड़े इत्मीनान से बस चुका था। तरल पानी, हर जगह, एक ऐसे सूरज के नीचे जो उसे जमने से रोकने के लिए काफी कमज़ोर था। कैसे? इस अंतर्विरोध का एक नाम है — फीके जवान सूरज का विरोधाभास (Faint Young Sun Paradox) — और पचास साल से भी ज़्यादा समय से, दुनिया के होशियार लोग इस पर माथापच्ची करते रहे हैं। अभी तक जवाब नहीं मिला।

दो विज्ञान, आमने-सामने टक्कर

1972 में खगोलशास्त्री Carl Sagan और उनके साथी George Mullen ने कुछ ऐसा देखा जो संभव नहीं होना चाहिए था — और उनमें इतनी हिम्मत थी कि बोल दिया। दो मज़बूत विज्ञान एकदम उलटी दिशाओं में इशारा कर रहे थे (Feulner, 2012, Reviews of Geophysics)।

पहले सूरज को लीजिए। हमारे जैसा तारा अपने केंद्र में हाइड्रोजन के संलयन से जलता है। जैसे-जैसे हाइड्रोजन हीलियम बनती है, केंद्र सघन होता जाता है, गर्म होता जाता है, और पूरा तारा अरबों सालों में धीरे-धीरे चमकता जाता है। यह कोई किनारे का विचार नहीं है — यह मुख्यधारा की, परखी हुई खगोल भौतिकी है, जिसमें कोई पलायन का रास्ता नहीं। जवान सूरज, मद्धम सूरज। इस समस्या की समीक्षाएँ बताती हैं कि शिशु पृथ्वी पर पहुँचने वाली सौर ऊर्जा आज से लगभग 25 प्रतिशत कम थी (Feulner, 2012, arXiv)।

अब पहेली चलाइए। जिस पृथ्वी को आप जानते हैं उसे लीजिए, उसके सूरज को उतना मद्धम कीजिए, बाकी सब वैसा ही रहने दीजिए — और ग्रह की औसत सतह का तापमान जमाव बिंदु से कहीं नीचे धंस जाता है। Feulner की समीक्षा नरमी नहीं बरतती: नतीजा, वे लिखते हैं, होगा "पूरी तरह जमी हुई दुनिया।" महासागरों पर बर्फ की परत चढ़ जाती, और क्योंकि चमकदार बर्फ सूरज की रोशनी को सीधे अंतरिक्ष में वापस उछाल देती है, यह जमाव खुद को बंद कर लेता है। एक बार सफेद हो गए, तो ठंड बनी रहती।

लेकिन पृथ्वी सफेद नहीं थी। भूविज्ञान इस बारे में बिल्कुल स्पष्ट है, और उसे परवाह नहीं कि भौतिकी के समीकरण कितने साफ-सुथरे लगते हैं। पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया की Jack Hills की छोटी ज़िर्कन क्रिस्टल्स, जिनमें से कुछ लगभग 4.4 अरब साल पुरानी हैं, उनमें ऑक्सीजन-आइसोटोप के दस्तखत हैं उन मैग्मा से जो सतह के पास तरल पानी से मिले थे — यह साक्ष्य सतह के पानी को लगभग 4.3 अरब साल पहले तक धकेलता है (Wilde et al., 2001, Nature)। Archean Eon, यानी 3.8 से 2.5 अरब साल पहले, तक आते-आते यह मामला और भी साफ हो जाता है। लगभग 3.35 से 3.43 अरब साल पुराने स्ट्रोमेटोलाइट्स और माइक्रोबियल मैट्स हैं, और चर्ट्स जो "उथले पानी, ज्वार से प्रभावित, समुद्री वातावरण" में जमे हुए थे — ये शब्द सिर्फ तभी मायने रखते हैं जब खुले, धूप से नहाए हुए समुद्र हों (GSA Today, "The Faint Young Sun Problem Revisited")। कोई छोटा-सा तालाब नहीं। महासागर।

तो दोनों दीवारें खड़ी हैं। सूरज सच में मद्धम था। पानी सच में वहाँ था। कुछ इस खाई को चुपचाप पाट रहा था — और यह पता लगाना ही असली रोमांच है।

वो आसान जवाब जो पूरी तरह काम नहीं करता

सबसे साफ समाधान है ग्रीनहाउस प्रभाव। शुरुआती वायुमंडल में पर्याप्त ऊष्मा फँसाने वाली गैस भर दीजिए और कमज़ोर सूरज की भरपाई हो जाती है। Sagan और Mullen ने यही कहा था, और यह अभी भी सबसे आगे का दावेदार है।

पर पेच यही है, और यहीं रहस्य असल में जीता है। वैज्ञानिक अभी तक इस बात पर सहमत नहीं हो पाए कि किन गैसों ने मुख्य काम किया, या किस मात्रा में — और कुछ चट्टानें सबसे आसान कहानी को ज़ोर से पीछे धकेलती हैं।

कार्बन डाइऑक्साइड सबसे स्पष्ट संदिग्ध है, और एक मशहूर संकेत ने मैदान छोड़ दिया। प्राचीन मिट्टियाँ, जिन्हें पेलियोसोल कहते हैं, उस हवा का रासायनिक हिसाब रखती हैं जो कभी उन पर थी — और वह हिसाब कहता है कि CO2 देर के Archean में हैरानी से कम था, उससे कहीं कम जितना एक CO2-मात्र बचाव के लिए चाहिए होता। एक प्रसिद्ध अध्ययन में, Rye और साथियों ने 2.2 से 2.75 अरब साल पुरानी पेलियोसोल में लापता खनिज सिडेराइट का उपयोग CO2 को आज के स्तर के लगभग 100 गुना तक सीमित करने के लिए किया — एक मात्रा जो अकेले ग्रह को पिघलाने के लिए अधिकांश शोधकर्ताओं के अनुसार बहुत कम है (Feulner, 2012, arXiv)। इसे फिर से पढ़िए, क्योंकि यही एक वाक्य में पूरा विरोधाभास है: आसान जवाब ज़मीन से ही आंशिक रूप से खारिज होता दिखता है।

Feulner की प्रामाणिक समीक्षा इसे छुपाती नहीं। हर प्रस्तावित रास्ते में, वे लिखते हैं, "काफी मुश्किलें हैं," और इसलिए "फीके जवान सूरज की समस्या को हल नहीं माना जा सकता।" Sagan और Mullen के आधी सदी बाद, शुरुआती पृथ्वी को जमने से किसने रोका — यह अभी भी एक खुला, ईमानदार सवाल है, कोई बंद फ़ाइल नहीं। या जैसा GSA Today ने कहा: "यह स्पष्ट नहीं है कि कौन से अतिरिक्त कारक प्रमुख थे या हम कुछ बुनियादी चूक रहे हैं।"

संदिग्ध, क्रम में

कई गंभीर स्पष्टीकरण अभी भी खड़े हैं, हर एक के अपने समर्थक हैं। किसी ने साफ जीत नहीं पाई, और असली जवाब शायद एक से अधिक का मिश्रण है।

मीथेन का बूस्ट (मुख्यधारा, अच्छी तरह समर्थित)। मीथेन CO2 से कहीं बेहतर ऊष्मा फँसाती है, और ऑक्सीजन से लगभग वंचित शुरुआती पृथ्वी पर, यह जमा हो सकती थी — इसका ज़्यादातर हिस्सा मीथेन बनाने वाले सूक्ष्मजीवों द्वारा उगला गया। University of Colorado Boulder के एक 3-D जलवायु अध्ययन में पाया गया कि 15,000 से 20,000 parts per million के आसपास CO2 और लगभग 1,000 ppm तक मीथेन Archean के "मध्यम" औसत तापमान दे सकते थे। प्रमुख लेखक Eric Wolf ने सीधे कहा: "तीन-आयामी जलवायु मॉडल में ग्रह को समशीतोष्ण रखना वास्तव में इतना कठिन नहीं है," हालाँकि उन्होंने ईमानदारी से यह भी जोड़ा कि "हम निश्चित रूप से नहीं कह सकते कि वायुमंडल उस समय कैसा था बिना अधिक भूवैज्ञानिक साक्ष्य के" (CU Boulder, 2013)। लेकिन एक पेच है: बहुत ज़्यादा मीथेन इकट्ठी करो तो वह एक धुंधली कार्बनिक धुंध बन जाती है जो सूरज की रोशनी को रोक देती है और ग्रह को फिर ठंडा कर सकती है।

गहरी, कम बादलों वाली दुनिया (विवादित)। 2010 में, Minik Rosing और साथियों ने एक और साहसी दावा किया: शायद आपको मज़बूत ग्रीनहाउस की ज़रूरत ही नहीं। लगभग बिना महाद्वीपों के, युवा पृथ्वी ज़्यादातर गहरा, गर्मी पीने वाला महासागर था, और बादल बनाने के लिए बहुत कम सूक्ष्मजीव थे, इसलिए आसमान साफ और कम दर्पण जैसा रहा होगा। कम परावर्तन का मतलब है सूरज की अधिक रोशनी सोखी गई बजाय वापस फेंके जाने के (Rosing et al., 2010, Nature)। यह एक असली, सहकर्मियों द्वारा समीक्षित विचार है, और इसे एक असली, तीखा जवाब भी मिला: Nature में एक अनुवर्ती अध्ययन ने तर्क दिया कि एल्बेडो और बादलों के बारे में सबसे उदार धारणाएँ भी अंतर को करीब दो के गुणक से बंद करने में विफल रहती हैं (Goldblatt & Zahnle, 2011, Nature)।

भारा, चमकीला जवान सूरज (अधिकांशतः खारिज)। मान लीजिए शुरुआती सूरज अधिक विशाल था। वह गर्म और चमकीला जला होता, फिर समय के साथ हल्का हो गया। सुंदर विचार। लेकिन यह गलत लगता है। सूरज जैसे तारों के घूमने की गति के माप बताते हैं कि अतिरिक्त द्रव्यमान पहले कुछ सौ मिलियन सालों में ही बह गया होता, इससे पहले कि उस गर्म Archean रिकॉर्ड का अधिकांश हिस्सा लिखा भी जाता (GSA Today)।

सहायक कलाकार (अटकलें, पर संभव)। शोधकर्ताओं ने अन्य सहायकों की चर्चा की है: एक मोटा शुरुआती वायुमंडल जो दबाव बढ़ाता और ग्रीनहाउस गैसों की ऊष्मा-अवशोषण की क्षमता बढ़ाता, CO2 को थोड़ा हाइड्रोजन मिलाकर और प्रभावी बनाना, यहाँ तक कि एक करीबी चंद्रमा से मज़बूत ज्वार थोड़ी अतिरिक्त ऊष्मा जोड़ते। इनमें से कोई भी किनारों पर मदद किया हो सकता है। कोई भी अकेले खाई को स्पष्ट रूप से नहीं पाटता।

और यही कारण है कि यह पहेली फीकी नहीं पड़ती। यह विज्ञान के किसी सुदूर कोने की कोई विचित्र जिज्ञासा नहीं है। यह हमारे ब्रह्मांड को पढ़ने के दो सबसे भरोसेमंद तरीकों के बीच गतिरोध है — तारों की भौतिकी और क्षेत्र का भूविज्ञान — और दोनों में से कोई झुकने को तैयार नहीं। जो भी इनके बीच की खाई को पाटता है उसकी तलाश उस दुनिया की तस्वीर को तेज़ करती रहती है जहाँ जीवन ने पहली बार कदम जमाए — और आपको यह सोचने पर मजबूर करती है कि उन सबसे पुरानी चट्टानों में अभी भी क्या कुछ बताने के लिए इंतज़ार कर रहा है।

स्रोत और अतिरिक्त पठन

• Feulner, G. (2012). "फीके जवान सूरज की समस्या।" Reviews of Geophysics. Wiley | arXiv प्रीप्रिंट
• "फीके जवान सूरज की समस्या पर पुनर्विचार।" GSA Today, Geological Society of America. geosociety.org
• Wilde, S. A., et al. (2001). "4.4 अरब साल पहले पृथ्वी पर महाद्वीपीय भू-पर्पटी और महासागरों के अस्तित्व के लिए डेट्राइटल ज़िर्कन से साक्ष्य।" Nature. nature.com
• Rosing, M. T., et al. (2010). "फीके शुरुआती सूरज के तहत कोई जलवायु विरोधाभास नहीं।" Nature. nature.com
• Goldblatt, C., & Zahnle, K. J. (2011). "फीके जवान सूरज का विरोधाभास बना रहता है।" Nature. nature.com
• University of Colorado Boulder (2013). "CU अध्ययन दिखाता है शुरुआती पृथ्वी जीवन के लिए कैसे पर्याप्त गर्म रही।" colorado.edu

Sources & further reading

• Feulner, G. (2012), The faint young Sun problem, Reviews of Geophysics: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2011RG000375
• Feulner, G. (2012), The faint young Sun problem (arXiv preprint): https://arxiv.org/abs/1204.4449
• The Faint Young Sun Problem Revisited, GSA Today (Geological Society of America): https://www.geosociety.org/gsatoday/science/G403A/article.htm
• Wilde et al. (2001), Oxygen-isotope evidence from ancient zircons for liquid water at the Earth's surface 4,300 Myr ago, Nature: https://www.nature.com/articles/35051557
• Rosing et al. (2010), No climate paradox under the faint early Sun, Nature: https://www.nature.com/articles/nature08955
• Goldblatt & Zahnle (2011), Faint young Sun paradox remains, Nature: https://www.nature.com/articles/nature09961
• University of Colorado Boulder (2013), CU study shows how early Earth kept warm enough to support life: https://www.colorado.edu/today/2013/07/09/cu-study-shows-how-early-earth-kept-warm-enough-support-life