رویکردهای جدید برای کشف زمین۲

عمادالدین قاسمی پناه_خبرنگار

اخترشناسان به‌دنبال کشف انواع سیارات فراخورشیدی هستند که بیرون از منظومه شمسی ما احتمالا می‌توانند قابل سکونت باشند و شاید روزی جایگزینی برای زمین ما شوند. آنها همچنین تلاش می‌کنند تا شرایط محیطی و اتمسفر آنها را بررسی کنند. اما از آنجا که نمی‌توانیم سیارات فراخورشیدی را از نزدیک ببینیم، داده‌های تلسکوپ‌ها و مدل‌سازی‌ جو، اقلیم و محیط آنها، آن تصویری را که قادر به دیدن آن نیستیم، برای ما فراهم می‌کنند. سی ان ان در گزارشی نوشته است: مدل‌ها، فرضیه‌ها و آزمایش‌های آزمایشگاهی پژوهشگران سیارات فراخورشیدی در واقع بستری ایجاد می‌کنند تا پرسش‌هایی درباره آنچه در این سیارات امکان‌پذیر است، مطرح شود. بسیاری از پژوهشگران هنگامی که در جست‌وجوی این سیارات عجیب هستند، بر یک عبارت کلیدی متمرکز می‌شوند: «احتمال قابل سکونت بودن». در سیارات فراخورشیدی که عنوان قابلیت احتمالی سکونت به آنها داده می‌شود، نشانه‌هایی از حیات دیده نمی‌شود. این عنوان بدان معنی است که این سیاره در فاصله مناسبی از ستاره خود و در منطقه به‌اصطلاح گلدی‌لاکس (Goldilocks) یا منطقه قابل سکونت قرار گرفته است که نه خیلی گرم و نه خیلی سرد است. یعنی دمای سطح سیارات فراخورشیدی در محدوده‌ای است که آب مایع می‌تواند در آنها یافت شود. ما آب مایع را معادل حیات روی زمین می‌دانیم و به همین ترتیب، این موضوع را برای وجود حیات در سیارات دیگر درنظر می‌گیریم. اما تحقیقات بیشتر در سال‌های اخیر نشان داده است که ما گستره درک خود را از حیات و شرایطی که می‌تواند براساس آن شکل بگیرد، وسعت داده‌ایم. 2مطالعه جدید طیف وسیعی از شرایط و موقعیت‌های مکانی سیارات فراخورشیدی را که به‌طور بالقوه قابل سکونت هستند، بررسی کرده‌اند. با استفاده از این پژوهش‌های جدید، تلسکوپ‌های پیشرفته طی چند سال آینده و دهه پیش رو شروع به‌کار می‌کنند تا بتوانند به پژوهش‌های مربوط به سیارات فراخورشیدی که پیش از این مورد توجه نبودند، کمک کنند و برای مطالعات آینده هدفگذاری کنند. این تلسکوپ‌ها در شرایط فعلی فقط باید این سیارات فراخورشیدی را پیدا کنند.

بررسی اتمسفر سیارات فراخورشیدی
تلسکوپ فضایی هابل نخستین تلسکوپی بود که مستقیما اتمسفر سیارات فراخورشیدی را کشف و ترکیب بندی آنها را بررسی کرد. تلسکوپ‌های بعدی، مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا که قرار است سال آینده میلادی پرتاب شود، قادر خواهند بود جزئیات بیشتری از اتمسفر سیارات فراخورشیدی را توصیف کنند.اگر بخواهیم جو زمین را با این روش بررسی کنیم، متوجه می‌شویم که 78درصد نیتروژن، 21درصد اکسیژن، 9/0درصد آرگون و 03/0درصد دی اکسید کربن به همراه مقادیر ناچیزی از گازهای دیگر در آن وجود دارد.سارا سیگر که اخترفیزیکدان است، به اتفاق همکارانش مطالعه جدیدی را در مجله Nature Astronomy منتشر کردند که بررسی می‌کند چگونه باکتری‌ها و مخمرهای E.coli که نشانگر پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌های تک سلولی هستند، نسبت به جو هیدروژنی واکنش نشان می‌دهند.این آزمایش‌های آزمایشگاهی براساس رشد E.coli و مخمر در اتمسفر دارای 100درصد هیدروژن بود. به این ترتیب، هر دو به‌طور عادی بازتولید شدند، اما سرعت بازتولید آنها در مقایسه با اتمسفر دارای اکسیژن پایین‌تر و کندتر بود. به‌عنوان مثال، E.coli دو برابر کندتر و مخمر 2.5برابر کندتر بازتولید شد. این پژوهشگران بر این باورند که این اتفاق، به‌خاطر نبود اکسیژن رخ می‌دهد.با این حال، سیگر و همکارانش می‌خواستند ببینند با کاری که انجام داده‌اند، میکروارگانیسم‌ها زنده می‌مانند و باز تولید می‌شوند یا نه؟ سیگر می‌گوید که آنها تعجب نکردند، زیرا هیدروژن غیرسمی است، اما مطالعه آنها در جهت اثبات مفاهیم دانشمندان سیارات فراخورشیدی عمل می‌کند.سیارات فراخورشیدی صخره‌ای که از زمین بزرگ‌تر هستند، می‌توانند هیدروژن زیادی را در اتمسفر خود حفظ کنند. این اتمسفرها به‌احتمال زیاد بزرگ‌تر و گسترده‌تر هستند، زیرا هیدروژن از نظر وزن، یک گاز سبک محسوب می‌شود و به همین علت، سیگر می‌گوید که یک اتمسفر گسترده، کار را برای تلسکوپ‌های آینده مانند وب، آسان‌تر خواهد کرد.

ایجاد تغییر در دیدگاه دانشمندان
سیگر می‌گوید: ما امیدواریم که دیدگاه اخترشناسان را مبنی بر اینکه وجود حیات به‌طور کلی در اتمسفرهای دارای درصد بالای هیدروژن امکان‌پذیر است، تغییر دهیم. یافتن علائم حیات در سیارات صخره‌ای با اتمسفرهای دارای درصد بالای نیتروژن یا دی‌اکسیدکربن دشوار خواهد بود. بنابراین من می‌خواهم اخترشناسان و گروه‌هایی که مکان تلسکوپ‌ها را تعیین می‌کنند، بدانند که گزینه‌های دیگری را هم باید درنظر بگیرند.به‌گفته سیگر، درحالی‌که هنوز هیچ سیاره فراخورشیدی سنگی که دارای درصد هیدروژن بالا باشد شناسایی نشده، او پیشنهاد داده است که تلسکوپ وب برای کشف سیارات سنگی دارای اتمسفر هیدروژن اختصاص یابد.سیگر هنگام بررسی پژوهش‌های دیگر در مورد E.coli و مخمر، به یک موضوع امیدوارکننده رسید.
او می‌گوید: ما آموخته‌ایم که E.coli طیف وسیعی از گازها را مانند بسیاری از گازها که قبلا در شبیه‌سازی‌‌های رایانه‌ای به‌عنوان گازهای زیستی بالقوه مورد مطالعه قرار گرفته بودند، تولید می‌کند. اینکه یک شکل ساده از حیات دارای دستگاه متابولیکی متنوعی برای تولید مجموعه متنوعی از گازها باشد، دلگرم‌کننده است. با این حال همین شکل ساده از حیات ممکن است همین کار را در هرجایی انجام دهد.

در انتظار عبور سیاره از جلوی کوتوله سفید
اگر سیاره‌ای به اندازه زمین از جلوی کوتوله سفید عبور کند، باعث کاهش 50درصدی میزان روشنایی می‌شود. درحالی‌که اگر زمین از جلوی خورشید عبور کند فقط 0.01درصد روشنایی کاهش می‌یابد. کوزاکیس می‌گوید: این اتفاق بسیار شبیه اندازه فاصله ستاره تا سیاره است که به شکل قابل‌توجهی کیفیت داده‌هایی را که می‌توانیم از یک منظومه سیاره‌ای کوتوله سفید به‌دست آوریم، بهبود می‌بخشد و زمان مورد نیاز برای مشاهده به‌منظور تشخیص ترکیب اتمسفر را بسیار کاهش می‌دهد. هنگامی که یک سیاره از جلوی یک ستاره عبور می‌کند، نور ستاره اتمسفر آن را روشن می‌کند.کوزاکیس می‌گوید: ما امیدوارانه در جست و جوی این عبور هستیم. اگر عبور این نوع سیاره مشاهده شود، دانشمندان می‌توانند با رجوع به مطالعه ما و تطبیق آن با خطوط طیف نوری دریابند که چه چیزی در اتمسفر آن وجود دارد. به این ترتیب آنها می‌توانند به‌دنبال نشانه‌هایی از حیات باشند. انتشار این نوع دستورالعمل به دانشمندان این امکان را می‌دهد که بدانند در جست‌وجوی چه چیزی هستند.

جست وجو برای مشاهده خطوط طیف نوری
کوزاکیس و کالتنگر براساس مدل‌های خود، بر این باورند که خطوط طیف نوری مانند ازن، متان و آب را می‌توان در اتمسفر سیاراتی که در مدار کوتوله‌های سفید می‌چرخند، به وسیله تلسکوپ‌هایی چون وب یا تلسکوپ فوق العاده بزرگی که در آینده در صحرای آتاکامای شیلی ساخته می‌شود، مشاهده کرد.کوزاکیس می‌گوید: این خطوط می‌تواند نشانگر حیات در یک سیاره باشد. بنابراین مهم است که دریابیم آنها چگونه تحت‌تأثیر میزبان کوتوله سفید قرار گرفته‌اند.این یکی از روش‌های یافتن این خطوط برای شناسایی سیارات احتمالی قابل سکونت است که گروه کالتنگر در حال کار روی آن است.کالتنگر می‌گوید: این کار را شبیه یک پایگاه بزرگ از اطلاعات اثر انگشت‌ها تصور کنید که می‌تواند یک اثر انگشت را در صحنه جرم شناسایی کند. از این اثر انگشت می‌توان با استفاده از تلسکوپ وب و سایر تلسکوپ‌های آتی، برای شناسایی آنچه مشاهده می‌شود استفاده کرد.کالتنگر می‌گوید: هنگامی که طیف چنین دنیاهای سنگی را در ناحیه قابل سکونت ستارگانشان مشاهده کردیم، می‌خواهیم دریابیم که آیا آنچه می‌بینیم، نشانه‌هایی از حیات است؟ این کار برای پاسخ به این پرسش جالب و هیجان‌انگیز انجام می‌شود: «آیا ما در جهان تنها هستیم یا نه؟»

چرخش سیارات به‌دور ستاره‌های مرده 
آن دسته از سیارات فراخورشیدی که تاکنون کشف شده‌اند، به‌دور ستاره‌هایی شبیه به خورشید ما یا ستاره‌هایی کم‌جرم‌تر، مانند ستاره‌های کوتوله قرمز کوچک می‌چرخند. آنها هنوز در اطراف کوتوله‌های سفید یا بقایای انفجار هسته اصلی ستاره یافت نشده‌اند.
اما در مطالعه‌ای که به تازگی منتشر شده است، تئا کوزاکیس، دانشجوی دکتری انستیتو کارل ساگان در دانشگاه کرنل و لیزا کالتنگر، مدیر این انستیتو یک دستورالعمل برای تشخیص ردپای زیستی در اتمسفرهای سیارات فراخورشیدی که ممکن است در مدار دور کوتوله‌های سفید قرار داشته باشند، تدوین و منتشر کردند. این مطالعه در مجله Astrophysical Journal Letters منتشر شد.
کالتنگر که استاد نجوم دانشگاه کرنل هم هست، می‌گوید: پرسش اساسی این است که اگر در چنین سیاره‌ای حیات وجود داشته باشد، آیا اصلا ما می‌توانیم این سیاره را، از آنجاکه به دور یک ستاره مرده می‌چرخد، کشف کنیم؟ پاسخ این است: بله، اگر آنجا باشد، می‌توانیم آن را کشف کنیم.
چگونه ممکن است یک سیاره در اطراف یک ستاره کوتوله سفید وجود داشته باشد؟ کوزاکیس می‌گوید که سیارات قبل از مرگ ستاره می‌توانند در منظومه ستاره وجود داشته باشند.
او ادامه می‌دهد: این سیارات باید جزئی از منظومه ستاره اصلی باشند، هرچند خیلی دورتر از ستاره خود قرار داشته باشند. زیرا هر چیزی که نزدیک یک ستاره باشد، در مرحله تکامل ستاره‌ای غول قرمز نابود می‌شود. با این حال، برخی از مطالعات نشان داده‌اند که سیارات یا قمرهایی که در ابتدا، دور از ستارگان میزبان خود هستند می‌توانند به‌دلیل تعامل گرانشی با سایر سیارات موجود در این منظومه، پس از شکل‌گیری کوتوله سفید، به درون منظومه برگردند. این بدان معنی است که این سیارات قبل از اینکه میزبان آنها تبدیل به یک کوتوله سفید بشود بسیار سرد بوده‌اند.
هنگامی که خورشید ما طی 5میلیارد سال به یک غول سرخ تبدیل می‌شود، انبساط آن در مرحله آخر و قبل از مرگ، باعث نابودی عطارد، زهره و زمین خواهد شد. کوزاکیس می‌گوید: احتمال دیگر این است که این سیارات می‌توانند پس از کوتوله سفید شکل بگیرند. کوتوله‌های سفید بعد از اینکه یک ستاره لایه‌های بیرونی خود را تحت عنوان «سحابی سیاره‌ای» رها می‌کند، شکل می‌گیرند. برخی از کوتوله‌های سفید مشاهده شده‌اند که احتمالا به‌خاطر این اتفاقات، حلقه‌هایی در اطرافشان ایجاد شده است. مشابه شکل‌گیری سیارات در اطراف ستاره‌های جدید، شاید سیارات بتوانند خارج از این حلقه‌های جدید شکل بگیرند.
کالتنگر می‌گوید که به این ترتیب آنها می‌توانند سیارات نسل اول در قسمت بیرونی منظومه شمسی یا سیارات نسل دومی باشند که از حلقه باقیمانده ستاره و پس از مرگ آن تشکیل می‌شوند. او می‌گوید: در هر 2سناریو، پرسش واقعا جالب می‌تواند این باشد که آب از کجا می‌آید. اگر این سیاره‌ای است که در ابتدا در قسمت‌های بیرونی منظومه شمسی قرار داشته، باید یخ زیادی داشته باشد که درصورت نزدیک‌تر شدن به کوتوله سفید گرم، ذوب می‌شود. کوتوله‌های سفید که کمی بزرگ‌تر از زمین هستند، در آغاز بسیار داغ هستند و با گذشت زمان سرد می‌شوند. این بدان معنی است که این منطقه قابل سکونت همانطور که خنک می‌شود در اطراف ستاره می‌چرخد.