قد لا تحصل الكواكب الصالحة للسكن حول النجوم القزمة الحمراء على عدد كافٍ من الفوتونات لدعم الحياة النباتية
في السنوات الأخيرة ، نما عدد الكواكب خارج المجموعة الشمسية المكتشفة حول النوع M القريب (النجوم القزمة الحمراء) بشكل كبير. في كثير من الحالات ، كانت هذه الكواكب المؤكدة ' الأرض مثل '، وهذا يعني أنها أرضية (وتعرف أيضًا باسم صخرية) ويمكن مقارنتها في حجمها بالأرض. كانت هذه الاكتشافات مثيرة بشكل خاص لأن النجوم القزمة الحمراء هي الأكثر شيوعًا في الكون - حيث تمثل 85٪ من النجوم في مجرة درب التبانة وحدها.
لسوء الحظ ، تم إجراء العديد من الدراسات مؤخرًا والتي تشير إلى أن هذه الكواكب قد لا تتمتع بالشروط اللازمة لدعم الحياة. يأتي الأحدث من جامعة هارفارد ، حيث أثبت باحث ما بعد الدكتوراه ماناسفي لينجام والبروفيسور أبراهام لوب أن الكواكب حول النجوم من النوع M قد لا تحصل على ما يكفي من الإشعاع من نجومهم من أجل حدوث عملية التمثيل الضوئي.
ببساطة ، يُعتقد أن الحياة على الأرض نشأت منذ 3.7 إلى 4.1 مليار سنة (خلال أواخر العصر الحديدي أو أوائل العصر الأركيولوجي) ، في وقت كان الغلاف الجوي للكوكب سيصبح سامًا للحياة اليوم. منذ ما بين 2.9 إلى 3 مليارات سنة ، بدأت بكتيريا التمثيل الضوئي في الظهور وبدأت في إثراء الغلاف الجوي بغاز الأكسجين.
انطباع الفنان عن غروب الشمس من سطح كوكب خارجي يشبه الأرض. الائتمان: ESO / L. كالسادا
ونتيجة لذلك ، شهدت الأرض ما يُعرف بـ ' حدث الأكسدة العظيم منذ حوالي 2.3 مليار سنة. خلال هذا الوقت ، حولت كائنات التمثيل الضوئي الغلاف الجوي للأرض تدريجيًا من الغلاف الجوي المكون في الغالب من ثاني أكسيد الكربون والميثان إلى الغلاف الجوي المكون من غاز النيتروجين والأكسجين (~ 78٪ و 21٪ على التوالي).
ومن المثير للاهتمام ، أنه يعتقد أن أشكالًا أخرى من التمثيل الضوئي قد ظهرت في وقت أقرب من التمثيل الضوئي للكلوروفيل. وتشمل هذه التمثيل الضوئي في شبكية العين ، والتي ظهرت في كاليفورنيا. منذ 2.5 إلى 3.7 مليار سنة وما زالت موجودة في بيئات متخصصة محدودة اليوم. كما يوحي الاسم ، تعتمد هذه العملية على شبكية العين (نوع من الصباغ الأرجواني) لامتصاص الطاقة الشمسية في الجزء الأصفر والأخضر من الطيف المرئي (400 إلى 500 نانومتر).
هناك أيضًا عملية التمثيل الضوئي غير المؤكسدة (حيث تتم معالجة ثاني أكسيد الكربون واثنين من جزيئات الماء لتكوين الفورمالديهايد والماء وغاز الأكسجين) ، والذي يُعتقد أنه يسبق عملية التمثيل الضوئي الأكسجين تمامًا. كيف ومتى ظهرت أنواع مختلفة من التمثيل الضوئي هو مفتاح لفهم متى بدأت الحياة على الأرض. كما أوضح الأستاذ لوب لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:
'التمثيل الضوئي' يعني 'التجميع' (التوليف) بالضوء (الصورة). إنها عملية تستخدمها النباتات أو الطحالب أو البكتيريا لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية تغذي أنشطتها. يتم تخزين الطاقة الكيميائية في جزيئات أساسها الكربون ، والتي يتم تصنيعها من ثاني أكسيد الكربون والماء. غالبًا ما تطلق هذه العملية الأكسجين كمنتج ثانوي ، وهو أمر ضروري لوجودنا. بشكل عام ، يوفر التمثيل الضوئي جميع المركبات العضوية ومعظم الطاقة اللازمة للحياة كما نعرفها على كوكب الأرض. نشأ التمثيل الضوئي في وقت مبكر نسبيًا في التاريخ التطوري للأرض '.
مثل هذه الدراسات ، التي تفحص الدور الذي تلعبه عملية التمثيل الضوئي ، ليست مهمة فقط لأنها تساعدنا على فهم كيفية نشأة الحياة على الأرض. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنهم أيضًا المساعدة في فهمنا لما إذا كانت الحياة يمكن أن تظهر على كواكب خارج الطاقة الشمسية أم لا ، وتحت أي ظروف يمكن أن يحدث هذا.
دراستهم بعنوان ' التمثيل الضوئي على الكواكب الصالحة للسكن حول النجوم منخفضة الكتلة '، ظهر مؤخرًا على الإنترنت وتم إرساله إلىالإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.من أجل دراستهم ، سعى Lingam و Loeb لتقييد تدفق الفوتون للنجوم من النوع M لتحديد ما إذا كان التمثيل الضوئي ممكنًا على الكواكب الأرضية التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء. كما قال لوب:
'في ورقتنا البحثية ، درسنا ما إذا كان التمثيل الضوئي يمكن أن يحدث على الكواكب في المنطقة الصالحة للسكن حول النجوم ذات الكتلة المنخفضة. تُعرَّف هذه المنطقة بأنها نطاق المسافات من النجم حيث تسمح درجة حرارة سطح الكوكب بوجود الماء السائل وكيمياء الحياة كما نعرفها. بالنسبة للكواكب في تلك المنطقة ، قمنا بحساب تدفق الأشعة فوق البنفسجية (UV) الذي يضيء سطحها كدالة لكتلة نجمها المضيف. النجوم ذات الكتلة المنخفضة تكون أكثر برودة وتنتج عددًا أقل من فوتونات الأشعة فوق البنفسجية لكل كمية من الإشعاع '.
تمشيا مع الاكتشافات الحديثة المتعلقة بنجوم الأقزام الحمراء ، ركزت دراستهم على 'نظائر الأرض' ، الكواكب التي لها نفس المعلمات الفيزيائية الأساسية مثل الأرض - مثل نصف القطر ، والكتلة ، والتركيب ، ودرجة الحرارة الفعالة ، والبياض ، وما إلى ذلك. منذ الحدود النظرية لعملية التمثيل الضوئي حول النجوم الأخرى ليست مفهومة جيدًا ، فقد عملت أيضًا بنفس الحدود الموجودة على الأرض - بين 400 إلى 750 نانومتر.
رسم توضيحي لفنان لكوكب خارجي افتراضي يدور حول قزم أحمر. حقوق الصورة: NASA / ESA / G. بيكون (STScI)
من هذا ، حسب Lingam و Loeb أن النجوم ذات الكتلة المنخفضة من النوع M لن تكون قادرة على تجاوز الحد الأدنى لتدفق الأشعة فوق البنفسجية المطلوب لضمان وجود محيط حيوي مشابه للغلاف الأرضي. كما أوضح لوب:
'هذا يعني أن الكواكب الصالحة للسكن اكتشفت خلال السنوات القليلة الماضية حول النجوم القزمة القريبة ، Proxima Centauri (أقرب نجم إلى الشمس ، على بعد 4 سنوات ضوئية ، 0.12 كتلة شمسية ، مع كوكب واحد صالح للسكن ، Proxima b) و TRAPPIST-1 ( على بعد 40 سنة ضوئية ، 0.09 كتلة شمسية ، مع ثلاثة كواكب صالحة للسكن TRAPPIST-1e، f، g) ، ربما لا تحتوي على غلاف حيوي شبيه بالأرض. بشكل عام ، من غير المرجح أن تجد الدراسات الطيفية لتكوين الأغلفة الجوية للكواكب التي تعبر نجومها (مثل TRAPPIST-1) مؤشرات حيوية ، مثل الأكسجين أو الأوزون ، عند مستويات يمكن اكتشافها. إذا تم العثور على الأكسجين ، فمن المحتمل أن يكون أصله غير بيولوجي '.
بطبيعة الحال ، هناك حدود لهذا النوع من التحليل. كما لوحظ سابقًا ، يشير Lingam و Loeb إلى أن الحدود النظرية لعملية التمثيل الضوئي حول النجوم الأخرى ليست معروفة جيدًا. حتى نتعلم المزيد عن ظروف الكواكب والبيئة الإشعاعية حول النجوم من النوع M ، سيضطر العلماء إلى استخدام المقاييس بناءً على كوكبنا.
ثانيًا ، هناك أيضًا حقيقة أن النجوم من النوع M متغيرة وغير مستقرة مقارنة بشمسنا وتعاني من توهجات دورية. نقلاً عن أبحاث أخرى ، يشير Lingam و Loeb إلى أن هذه يمكن أن يكون لها تأثيرات إيجابية وسلبية على المحيط الحيوي للكوكب. باختصار ، يمكن أن توفر التوهجات النجمية المزيد الأشعة فوق البنفسجية من شأنه أن يساعد في تحفيز كيمياء البريبايوتك ، ولكن يمكن أن يكون ضارًا أيضًا بـ الغلاف الجوي للكوكب .
انطباع الفنان عن كيفية ظهور سطح كوكب يدور حول نجم قزم أحمر. الائتمان: M. Weiss / CfA
ومع ذلك ، باستثناء المزيد من الدراسات المكثفة للكواكب خارج المجموعة الشمسية التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء ، يضطر العلماء إلى الاعتماد على التقييمات النظرية لمدى احتمالية وجود الحياة على هذه الكواكب. بالنسبة للنتائج المعروضة في هذه الدراسة ، فهي مؤشر آخر على أن أنظمة نجم القزم الأحمر قد لا تكون المكان الأكثر احتمالا للعثور على عوالم صالحة للسكن.
إذا كانت هذه النتائج صحيحة ، فقد يكون لها أيضًا آثار جذرية في البحث عن ذكاء خارج الأرض (SETI). قال لوب: 'نظرًا لأن الأكسجين الناتج عن عملية التمثيل الضوئي هو شرط مسبق للحياة المعقدة مثل البشر على الأرض ، فسيكون مطلوبًا أيضًا لتطور الذكاء التكنولوجي'. 'بدوره ، يفتح ظهور الأخير إمكانية العثور على الحياة من خلال التوقيعات التكنولوجية مثل إشارات الراديو أو القطع الأثرية العملاقة.'
في الوقت الحالي ، يستمر البحث عن الكواكب الصالحة للسكن والحياة من خلال النماذج النظرية التي تخبرنا بما يجب أن نبحث عنه. في الوقت نفسه ، تستمر هذه النماذج في الاعتماد على 'الحياة كما نعرفها' - أي استخدام نظائر الأرض والأنواع الأرضية كأمثلة. لحسن الحظ ، يتوقع علماء الفلك تعلم الكثير في السنوات القادمة بفضل تطوير أدوات الجيل التالي.
كلما عرفنا المزيد عن أنظمة الكواكب الخارجية ، زادت احتمالية تحديد ما إذا كانت صالحة للسكن أم لا. لكن في النهاية ، لن نعرف ما الذي يجب أن نبحث عنه أيضًا حتى نجده بالفعل. هذه هي المفارقة الكبرى عندما يتعلق الأمر بالبحث عن ذكاء خارج الأرض ، ناهيك عن ذلك مفارقة كبيرة أخرى (تفحصها!).
قراءة متعمقة: arXiv