بالنظر إلى المستقبل ، فإن وكالة ناسا ووكالات الفضاء الأخرى لديها آمال كبيرة في مجال أبحاث الكواكب خارج الطاقة الشمسية. في العقد الماضي ، وصل عدد الكواكب الخارجية المعروفة إلى 4000 فقط ، ومن المتوقع أن يتم العثور على المزيد من الكواكب بمجرد أن يتم تشغيل التلسكوبات من الأجيال القادمة. ومع وجود الكثير من الكواكب الخارجية للدراسة ، تحولت أهداف البحث ببطء بعيدًا عن عملية الاكتشاف ونحو التوصيف.
لسوء الحظ ، لا يزال العلماء مبتلون بحقيقة أن ما نعتبره "منطقة صالحة للسكن" يخضع للكثير من الافتراضات. ولمعالجة ذلك ، نشر فريق دولي من الباحثين مؤخرًا ورقة أشاروا فيها إلى كيف يمكن لمسوحات الكواكب الخارجية المستقبلية أن تبدو أبعد من الأمثلة التناظرية للأرض كمؤشرات على قابلية السكن وتبني نهجًا أكثر شمولاً.
وقد ظهرت الورقة التي تحمل عنوان "تنبؤات المنطقة الصالحة وكيفية اختبارها" على الإنترنت مؤخرًا وتم تقديمها على هيئة ورقة بيضاء إلى استرو Astro 2020 Decadal Survey on Astronomy and Astrophysics. قاد الفريق الذي يقوده رمسيس راميرز ، الباحث بمعهد علوم الأرض والحياة (ELSI) ومعهد علوم الفضاء (SSI) ، الذي انضم إليه المؤلفون المشاركون والموقعون من 23 جامعة ومعهد.
الغرض من المسح العقدي هو النظر في التقدم المحرز مسبقًا في مختلف مجالات البحث وتحديد الأولويات للعقد القادم. على هذا النحو ، يقدم المسح إرشادات حاسمة لوكالة ناسا ، ومؤسسة الفضاء الوطنية (NSF) ، ووزارة الطاقة بينما يخططون أهدافهم البحثية في علم الفلك والفيزياء الفلكية للمستقبل.
في الوقت الحاضر ، تركز العديد من هذه الأهداف على دراسة الكواكب الخارجية ، والتي ستستفيد في السنوات القادمة من نشر التلسكوبات من الجيل التالي مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) و تلسكوب الفضاء تحت الحمراء واسع النطاق (WFIRST) ، بالإضافة إلى المراصد الأرضية مثل التلسكوب الكبير للغاية (ELT) ، التلسكوب الثلاثين ، وتلسكوب ماجلان العملاق (GMT).
تتمثل إحدى الأولويات الأساسية لأبحاث الكواكب الخارجية في البحث عن الكواكب حيث يمكن أن توجد حياة خارج الأرض. في هذا الصدد ، يعين العلماء الكواكب على أنها "يمكن أن تكون صالحة للسكن" (وبالتالي تستحق متابعة الملاحظات) بناءً على ما إذا كانت تدور حول مناطق النجوم الصالحة للسكن (HZ) أم لا. لهذا السبب ، من الحكمة إلقاء نظرة على ما يدخل في تحديد HZ.
كما أوضح راميريز وزملاؤه في ورقتهم ، فإن إحدى القضايا الرئيسية المتعلقة بقابلية حياة الكواكب الخارجية هي مستوى الافتراضات التي يتم إجراؤها. لتحليلها ، تفترض معظم تعريفات HZs وجود الماء على السطح لأن هذا هو المذيب الوحيد المعروف حاليًا لاستضافة الحياة. تفترض هذه التعريفات نفسها أن الحياة تتطلب كوكبًا صخريًا مع نشاط تكتوني يدور حول نجم مشرق ودافئ بشكل مناسب.
ومع ذلك ، ألقت البحوث الأخيرة بظلال من الشك على العديد من هذه الافتراضات. يتضمن هذا دراسات تشير إلى كيف أن الأكسجين في الغلاف الجوي لا يعني تلقائيًا وجود الحياة - خاصة إذا كان ذلك الأكسجين نتيجة التفكك الكيميائي وليس التمثيل الضوئي. أظهرت أبحاث أخرى كيف أن وجود غاز الأكسجين خلال الفترات المبكرة من تطور الكوكب يمكن أن يمنع ظهور أشكال الحياة الأساسية.
أيضا ، كانت هناك دراسات حديثة أظهرت كيف أن تكتونية الصفائح قد لا تكون ضرورية لظهور الحياة ، وأن ما يسمى ب "عوالم المياه" قد لا تكون قادرة على دعم الحياة (ولكن لا يزال بإمكانها). علاوة على ذلك ، لديك عمل نظري يشير إلى أن الحياة يمكن أن تتطور في البحار من الميثان أو الأمونيا على الأجرام السماوية الأخرى.
المثال الرئيسي هنا هو قمر زحل تيتان ، الذي يفتخر ببيئة غنية بظروف ما قبل الحياة والكيمياء العضوية - والتي يعتقد بعض العلماء أنها يمكن أن تدعم أشكال الحياة الغريبة. في النهاية ، يبحث العلماء عن المؤشرات الحيوية المعروفة مثل الماء وثاني أكسيد الكربون لأنها مرتبطة بالحياة على الأرض ، وهو المثال الوحيد المعروف لكوكب يتحمل الحياة.
ولكن كما أوضح راميريز لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني ، فإن هذه العقلية (حيث تعتبر نظائر الأرض مناسبة للحياة) لا تزال محفوفة بالمشكلات:
"إن تعريف المنطقة الصالحة للسكن الكلاسيكي معيب لأن بنائه يعتمد بشكل أساسي على الحجج المناخية التي تتمحور حول الأرض والتي قد تكون أو لا تنطبق على الكواكب الأخرى التي يمكن أن تكون صالحة للسكن. على سبيل المثال ، يفترض أنه يمكن دعم أجواء CO2 متعددة الأشرطة على الكواكب التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن بالقرب من الحافة الخارجية للمنطقة الصالحة للسكن. ومع ذلك ، فإن مستويات CO2 العالية هذه سامة لنباتات وحيوانات الأرض ، وبالتالي بدون فهم أفضل لحدود الحياة ، لا نعرف مدى معقولية هذا الافتراض.
"تفترض HZ الكلاسيكية أيضًا أن CO2 و H2O هما غازات الدفيئة الرئيسية التي تحافظ على الكواكب التي يمكن أن تكون صالحة للسكن ، لكن العديد من الدراسات في السنوات الأخيرة طورت تعريفات بديلة لـ HZ باستخدام مجموعات مختلفة من غازات الدفيئة ، بما في ذلك تلك ، على الرغم من أنها صغيرة نسبيًا على الأرض ، يمكن أن تكون مهم للكواكب الأخرى التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن. "
في دراسة سابقة قام بها د. راميريز أظهر كيف يمكن أن يسبب وجود غاز الميثان وغاز الهيدروجين
لحسن الحظ ، ستتاح الفرصة لهذه التعريفات للاختبار ، وذلك بفضل نشر الجيل التالي من المقاريب. لن يتمكن العلماء فقط من اختبار بعض الافتراضات القديمة التي يقوم عليها HZs ،
يمكن للجيل القادم من المقاريب اختبار المنطقة الصالحة للسكن من خلال البحث عن زيادة متوقعة في ضغط ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بعيدًا عن الكواكب التي يمكن أن تكون صالحة للسكن من نجومها. سيختبر هذا أيضًا ما إذا كانت دورة سيليكات الكربونات ، والتي يعتقد الكثيرون أنها أبقت كوكبنا صالحًا للسكن في معظم تاريخه ، هي عملية عالمية أم لا. "
في هذه العملية ، يتم تحويل صخور السيليكات إلى صخور كربون من خلال التجوية والتعرية ، بينما يتم تحويل صخور الكربون إلى صخور سيليكات من خلال النشاط البركاني والجيولوجي. تضمن هذه الدورة استقرار الغلاف الجوي للأرض على المدى الطويل من خلال الحفاظ على ثبات مستويات ثاني أكسيد الكربون مع مرور الوقت. كما يوضح كيف أن تكتونيات المياه والألواح ضرورية للحياة كما نعرفها.
ومع ذلك ، لا يمكن أن يوجد هذا النوع من الدورات إلا على الكواكب التي تحتوي على أرض ، والتي تستبعد بشكل فعال "عوالم المياه". يعتقد أن هذه الكواكب الخارجية - التي قد تكون شائعة حول النجوم من نوع M (قزم أحمر) - تصل إلى 50 ٪ من الماء بالكتلة. مع وجود هذه الكمية من الماء على أسطحها ، من المحتمل أن يكون لدى "عوالم المياه" طبقات كثيفة من الجليد عند حدود الوشاح الأساسي ، وبالتالي تمنع النشاط الحراري المائي.
ولكن كما لوحظ بالفعل ، هناك بعض الأبحاث التي تشير إلى أن هذه الكواكب يمكن أن تكون صالحة للسكن. في حين أن وفرة المياه ستمنع امتصاص ثاني أكسيد الكربون بواسطة الصخور وتقمع النشاط البركاني ، فقد أظهرت عمليات المحاكاة أن هذه الكواكب لا يزال بإمكانها تدوير الكربون بين الغلاف الجوي والمحيطات ، وبالتالي الحفاظ على استقرار المناخ.
يقول الدكتور راميريز ، إذا كانت هذه الأنواع من عوالم المحيطات موجودة ، يمكن للعلماء اكتشافها من خلال انخفاض كثافة الكواكب وجو الضغط العالي. ثم هناك مسألة غازات الاحتباس الحراري المختلفة ، والتي لا تشير دائمًا إلى الأجواء الكوكبية الأكثر دفئًا ، اعتمادًا على نوع النجم.
"على الرغم من أن غاز الميثان يسخن كوكبنا ، وجدنا أن الميثان يبرد أسطح كواكب المنطقة الصالحة للسكن التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء!" هو قال. "إذا كان هذا هو الحال ، فإن ارتفاع كميات الميثان في الغلاف الجوي على هذه الكواكب يمكن أن يعني ظروفًا مجمدة قد تكون غير مناسبة لاستضافة الحياة. سنكون قادرين على ملاحظة ذلك في أطياف الكواكب ".
بالحديث عن الأقزام الحمراء ، يحتدم الجدل حول ما إذا كانت الكواكب التي تدور حول هذه النجوم قادرة على الحفاظ على جو أم لا. في السنوات القليلة الماضية ، تم إجراء العديد من الاكتشافات التي تشير إلى أن الكواكب الصخرية المغلقة بشكل شائع حول النجوم القزمة الحمراء ، وأنها تدور في مناطق HZ الخاصة بنجومها.
ومع ذلك ، عززت الأبحاث اللاحقة النظرية القائلة بأن عدم استقرار النجوم القزمة الحمراء من المحتمل أن يؤدي إلى توهجات شمسية من شأنها أن تجرد أي كواكب تدور حول الغلاف الجوي لها. أخيرًا ، أثار راميريز وزملاؤه إمكانية العثور على كواكب صالحة للسكن تدور حول ما اعتبر (حتى وقت قريب) مرشحًا غير مرجح.
ستكون هذه النجوم تسلسلًا رئيسيًا من النوع A - مثل Sirius A و Altair و Vega - والتي كان يُعتقد أنها مشرقة جدًا وساخنة جدًا بحيث لا تناسب السكن. قال الدكتور راميريز عن هذا الاحتمال:
"أنا مهتم أيضًا بمعرفة ما إذا كانت الحياة موجودة على كواكب المنطقة الصالحة للسكن والتي تدور حول النجوم A. لم يكن هناك الكثير من التقييمات المنشورة للسكن الكوكبي A-star ، لكن بعض معماريات الجيل التالي تخطط لمراقبتها. سنتعلم قريبًا المزيد عن مدى ملاءمة النجوم A مدى الحياة ".
في نهاية المطاف ، سوف تكون دراسات مثل هذه ، التي تتساءل عن تعريف "المنطقة الصالحة للسكن" ، مفيدة عندما تبدأ بعثات الجيل التالي عمليات العلوم. مع أدواتهم عالية الدقة والأكثر حساسية ، سيكونون قادرين على اختبار والتحقق من صحة العديد من التوقعات التي وضعها العلماء.
ستؤكد هذه الاختبارات أيضًا ما إذا كانت الحياة موجودة أم لا كما نعرفها فقط ، أو أيضًا خارج المعلمات التي نعتبرها "شبيهة بالأرض". ولكن كما أضاف راميريز ، فإن الدراسة التي أجراها هو وزملاؤه تسلط الضوء أيضًا على مدى أهمية استمرارنا في الاستثمار في تكنولوجيا التلسكوب المتقدمة:
كما تؤكد ورقتنا على أهمية استمرار الاستثمار في تكنولوجيا التلسكوب المتقدمة. نحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على إيجاد وتمييز أكبر عدد ممكن من كواكب المنطقة الصالحة للسكن إذا أردنا زيادة فرصنا في العثور على الحياة. ومع ذلك ، آمل أيضًا أن تلهم ورقتنا الناس بالحلم بعد السنوات العشر القادمة فقط. أعتقد حقًا أنه ستكون هناك في النهاية مهام ستكون أكثر قدرة من أي شيء نقوم بتصميمه حاليًا. إن جهودنا الحالية ليست سوى بداية مسعى أكثر التزامًا لأنواعنا.
يتم استضافة اجتماع المسح العقدي لعام 2020 بالاشتراك بين مجلس الفيزياء وعلم الفلك ومجلس دراسات الفضاء التابع للأكاديمية الوطنية للعلوم ، وسيتبعه تقرير سيصدر بعد عامين تقريبًا من الآن.
