كيفية البحث في التركيب الكيميائي للأجواء خارج المجموعة الشمسية بحثًا عن تلميحات حول تاريخهم

ملاحظة المؤلف - تمت كتابة هذه المقالة مع الدكتور فينسينت كوفمان ، العالم في وكالة ناسا مركز جودارد لرحلات الفضاء (GSFC) ، التي تعمل في جمعية البائعين لتعاون بيئات الكواكب الخارجية (SEEC) ، والمؤلف الرئيسي في البحث الذي تناقشه.

تم اكتشاف الآلاف من الكواكب الخارجية في العقود الأخيرة. يحب صيادو الكواكب تيس و كبلر بالإضافة إلى العديد من الجهود الأرضية ، دفعت المجال وبدأنا في الحصول على إجمالي عدد الكواكب التي ستسمح لنا بإجراء تحليل إحصائي فعال على بعضها.

لا يوضح لنا عدد الكواكب المكتشفة مدى شيوعها فحسب ؛ إنه يكشف عدم فهمنا لكيفية تشكل الكواكب ، وما هي الظروف الموجودة ، ومتى يمكن أن تكون الكواكب صالحة للسكن. ال كشف العبور ينتج عن كوكب خارج المجموعة الشمسية في المقام الأول الفترة المدارية ، أو طول عام على الكوكب ، والحجم النسبي للكوكب بالنسبة للنجم. الخطوات التالية هي وصف الكوكب. يتطلب هذا عادةً دراسات متابعة ، باستخدام استراتيجيات رصد مختلفة وتلسكوبات أكثر قوة.

فيديو يوتا حول كيفية البحث عن الكواكب الخارجية.

بجانب دراسة الحدوث ، والأحجام ، والفترات المدارية ، وكمية الضوء التي تتلقاها ، يمكن أن يوفر تكوين الغلاف الجوي نظرة ثاقبة لفهمنا لهذه العوالم الجديدة. يمكن الكشف عن تكوين الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية من خلال رصدها باستخدام التلسكوبات الفضائية ، مثل تلسكوب هابل الفضائي ، أو من الأرض باستخدام مراصد مثل تلسكوب كبير جدا أو كيك .

تعتمد هذه الملاحظات عن بُعد على تفاعل الجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي مع الضوء ، وهي شديدة التحديد لظروف الغلاف الجوي ، حيث تعمل بمثابة تشخيص قوي لكل من تكوين الكوكب ودرجة حرارته. ومع ذلك ، ليست كل الجزيئات مرئية بشكل متساوٍ والضوء الصادر من الكواكب الخارجية خافت جدًا. لذلك ، لا يمكننا حاليًا رؤية سوى الجزيئات الأكثر سطوعًا ، مثل الماء ، والميثان ، وأول أكسيد الكربون ، والصوديوم ، بالإضافة إلى عدد من أكاسيد المعادن. بالنسبة لبقية الغلاف الجوي ، توفر الكواكب في نظامنا الشمسي البداية الأولى لما قد يكون موجودًا ، لكن العلماء يعتمدون بشدة على النماذج الكيميائية والفيزيائية لتقييم ما قد يكون مخفيًا من دراساتهم الطيفية.

لحسن الحظ ، يمكن للجزيئات التي يمكن اكتشافها أن تعلمنا أشياء كثيرة عن الظروف في الغلاف الجوي. على سبيل المثال ، تشير نسبة الكربون إلى الأكسجين (C / O) ، المستمدة من وفرة (من بين أمور أخرى) أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والميثان والماء ، بشكل أساسي إلى ما إذا كانت الكيمياء في الغلاف الجوي هي الأكسجين أم الكربون. هذه عناصر كيميائية مختلفة ، وتؤدي إلى بيئات مختلفة جدًا. الغلاف الجوي لتيتان على سبيل المثال يهيمن عليه الكربون ، مما يؤدي إلى عالم ضبابي به بحيرات هيدروكربونية. الغلاف الجوي للمريخ هو مثال على نسبة C / O أقل من 1. نظرًا لأنه يمكن أيضًا تحديد نسبة C / O في أقراص الكواكب الأولية ، فهذه نسبة قيمة قد تربط مكان ولادة الكواكب بحالتها الحالية.

نسبة متكافئة أخرى ثبت أنها ثاقبة للغاية في النظام الشمسي ، وهي نسبة الهيدروجين (H) ، وهو العنصر الأكثر شيوعًا في الكون ، إلى نظيره الأثقل قليلاً ، الديوتيريوم (د). معروف ب نسبة D / H ، يمكن أن يقدم لمحة عن التاريخ والكوكب والغلاف الجوي ، وهو محور بحث جديد من العلماء في مركز جودارد لرحلات الفضاء (GSFC) التابع لناسا ، بقيادة الدكتور فينسينت كوفمان.

فيديو يوتا عن عوالم المياه.

تم تحديد نسبة D / H في الأصل كجزء من الانفجار العظيم عند حوالي 1/8700 - أو 8700 ذرة هيدروجين لكل ذرة من الديوتيريوم. لا توجد العديد من العمليات الطبيعية التي غيرت هذه النسبة بمرور الوقت ، باستثناء بعض العمليات النشطة في النجوم. يتم بعد ذلك تمرير نسبة 1/8700 إلى الكواكب عندما تبدأ في التكون ، ومع ذلك يمكن أن تختلف قيمة الهبة الأولية عبر منطقة التكوين في السديم ، حيث تتشكل النجوم والكواكب. هذا بسبب درجات الحرارة المختلفة التي تتجمد فيها جزيئات الهيدروجين والديوتيريوم. تكون كمية الديوتيريوم أعلى بكثير خاصة في المناطق شديدة البرودة. لذلك يمكن أن يكون للكواكب قيم D / H بدائية مختلفة جدًا اعتمادًا على وقت وكيفية تشكلها. نظامنا الشمسي هو مثال جيد حيث كانت تلك النسبة الأصلية في مكانها أثناء عملية تكوين الكواكب.

إن المحتوى العالي من الديوتيريوم للجليد البدائي هو السبب في أن عملاق الجليد أورانوس ونبتون لهما نسبة D / H أعلى من كوكب المشتري وزحل. بعد تشكل الكواكب ، تغيرت النسبة على بعض الكواكب. بالنسبة للكواكب الصخرية ، يُعتقد أنها استقبلت مياهها من الكويكبات والمذنبات ، والتي تشكلت في مواقع مختلفة جدًا في السديم مثل تلك الكواكب ، مما أدى إلى ارتفاع محتوى الديوتيريوم في الغلاف الجوي للأرض والزهرة والمريخ.

الكواكب في المجموعة الشمسية بمستويات الديوتيريوم / الهيدروجين الخاصة بها مقارنة بقيم السديم الأصلية.
الائتمان: ناسا / كوفمان

بعد ذلك ، تمت زيادة هذه النسبة أكثر من خلال فقد الماء بشكل كبير. يمكن فهم هذا التأثير ، الذي يمكن رؤيته بشكل صارخ على المريخ والزهرة ، على النحو التالي. نظرًا لأن الكثير من الهيدروجين والديوتيريوم في أجواء الكواكب مرتبط بالمياه ، والذي يتلف بسهولة بواسطة أشعة الشمس ، مما ينتج عنه عنصر الأكسجين والهيدروجين.

هذا الهيدروجين ، الذي يطفو عالياً في الغلاف الجوي ، يكون عرضة للتسارع في الفضاء بواسطة الرياح الشمسية ، ثم يطير بسرعة كافية للهروب من جاذبية الكواكب الأرضية. مع فقدان الهيدروجين ، لا يمكن إصلاح جزيء الماء ، ويبقى الكوكب بكمية إجمالية أقل من الماء. على مدار مليارات السنين ، يمكن أن تتسبب هذه العملية ، إذا استمرت ، في حدوث انخفاض كبير في المحتوى المائي للغلاف الجوي للكوكب.

فيديو UT حول بخار الماء في أجواء كوكب خارج المجموعة الشمسية

ومع ذلك ، هناك عامل واحد محير في قصة المياه المفقودة - الديوتيريوم ، وهو ما يقرب من ضعف كثافة الهيدروجين الأولي ، من غير المرجح أن ينفجر في الفضاء. لذلك ، فإن أي جزيء ماء 'ثقيل' ينقسم في الغلاف الجوي يكون أقل عرضة لفقدان ذرة الديوتيريوم من جزيء الماء العادي هو أن يفقد ذرة الهيدروجين العادية. على مدى بلايين السنين ، يؤدي هذا إلى زيادة نسبة D / H في تلك الأجواء.

لتكون قادرة على التحقيق في نسبة D / H على الكواكب الخارجية ، كان على باحثي GSFC سحب المعلومات من قواعد البيانات الطيفية الضخمة. من أجل تخفيف العبء ، قاموا ببناء أداة تسمح لهم بالقيام بذلك بأعداد أكبر بسرعة أكبر من الأنظمة الحالية. تم دمج قواعد البيانات في أداة قاموا ببنائها تسمى مولد الطيف الكوكبي (باريس سان جيرمان). PSG هي أداة عبر الإنترنت تتيح محاكاة أطياف الكواكب (exo) ، مع مراعاة جميع عناصر الحسابات (الطيف الشمسي / النجمي ، سطح الكواكب والغلاف الجوي ، بالإضافة إلى امتصاص الغلاف الجوي للأرض وخصائص التلسكوب المستخدم).

رسم تخطيطي لكيفية استخدام القراءة الطيفية للامتصاص لتحديد الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية.
حقوق الصورة: A. Feild، STScl، NASA

استخدام مولد الطيف الكوكبي لمحاكاة تفاعل كوكب خارج المجموعة الشمسية ترابيست 1 ب مع ضوء نجمه أثناء مروره أمامه ، درس الباحثون إمكانية اكتشاف نسبة D / H باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي الذي سيتم إطلاقه قريبًا. لقد أثبتوا أنه بالنسبة للأجواء الغنية بالمياه ، يمكن تقييد نسبة D / H من خلال مراقبة عدد قليل من عبور الكوكب أمام نجمه المضيف.

من خلال فهم أفضل لنسبة D / H ، يجب أن يكون صيادو الكواكب الخارجية قادرين على تحديد بعض التاريخ الجوي والهيدرولوجي لهذه الكواكب الجديدة. سيؤدي ذلك إلى تحسين فهمنا للكيمياء التي تحدث على الكواكب الخارجية وتحسين نماذج الغلاف الجوي. في النهاية ، قد يُمكِّن من السيطرة بشكل أفضل على ما يتطلبه الكوكب ليكون صالحًا للسكن.

يتعلم أكثر:
مجلة التحليل الطيفي الكمي والنقل الإشعاعي - الامتصاص في أجواء الكواكب الخارجية: الجمع بين قواعد البيانات التجريبية والنظرية لتسهيل حسابات التعتيم الجزيئي للمياه
مولد الطيف الكوكبي
المعاملات الفلسفية للمجتمع الملكي- نسب D / H للنظام الشمسي الداخلي
يوتا - لون العوالم الصالحة للسكن
يوتا - تقنية جديدة للبحث عن الحياة ، سواء كانت مشابهة لـ Earth Life أم لا

صورة الرصاص
تصور الفنان لنظام Trappist.
Credit-NASA / JPL-Cal Tech

الدكتور فنسنت كوفمان ، (ناسا مركز جودارد لرحلات الفضاء ، جرينبيلت ، دكتوراه في الطب ، وقسم الفيزياء ، الجامعة الأمريكية ، واشنطن العاصمة)