إذا رأى الفلكيون الأيزوبرين في الغلاف الجوي لعالم غريب ، فهناك فرصة جيدة لوجود حياة هناك

ليس من المبالغة القول إن دراسة الكواكب خارج المجموعة الشمسية قد انفجرت في العقود الأخيرة. حتى الآن، 4375 كوكب خارجي تم تأكيدها في 3247 نظامًا ، مع انتظار 5856 مرشحًا آخر للتأكيد. في السنوات الأخيرة ، بدأت دراسات الكواكب الخارجية في الانتقال من عملية الاكتشاف إلى عملية التوصيف. من المتوقع أن تتسارع هذه العملية بمجرد تشغيل تلسكوبات الجيل التالي.

نتيجة لذلك ، يعمل علماء الأحياء الفلكية على إنشاء قوائم شاملة من 'البصمات الحيوية' المحتملة ، والتي تشير إلى المركبات والعمليات الكيميائية المرتبطة بالحياة (الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والماء ، وما إلى ذلك) ولكن وفقًا لبحث جديد أجراه فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) ، التوقيع الحيوي المحتمل الآخر الذي يجب أن نكون على اطلاع عليه هو الهيدروكربون المسمى الأيزوبرين (ج₅ح₈).

الدراسة التي تصف النتائج التي توصلوا إليها ، ' تقييم الأيزوبرين كغاز ذو توقيع حيوي محتمل في الكواكب الخارجية ذات الغلاف الجوي الناقص الأكسجين ، 'ظهرت مؤخرًا على الإنترنت وقبلتها المجلة للنشرعلم الأحياء الفلكي. من أجل دراستهم ، نظر فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في القائمة المتزايدة من البصمات الحيوية المحتملة التي سيبحث عنها علماء الفلك في السنوات القادمة.

ترتيب لثلاثة كواكب خارجية لاستكشاف كيف يمكن أن تبدو الأغلفة الجوية مختلفة بناءً على الكيمياء الحالية والتدفق الوارد. الائتمان: جاك هـ مادن

حتى الآن ، تم اكتشاف الغالبية العظمى من الكواكب الخارجية وتأكيدها باستخدام طرق غير مباشرة. بالنسبة للجزء الأكبر ، اعتمد علماء الفلك على طريقة العبور (قياس الضوء العابر) و طريقة السرعة الشعاعية (مطيافية دوبلر) ، بمفردها أو مجتمعة. تم اكتشاف عدد قليل فقط باستخدام التصوير المباشر ، مما يجعل من الصعب للغاية تحديد أجواء وأسطح الكواكب الخارجية.

لم يتمكن علماء الفلك من الحصول على أطياف سمحت لهم بتحديد التركيب الكيميائي للغلاف الجوي للكوكب إلا في حالات نادرة. كان هذا إما نتيجة مرور الضوء عبر الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية أثناء مروره أمام نجمه أو في الحالات القليلة التي حدث فيها التصوير المباشر ويمكن دراسة الضوء المنعكس من الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية.

الكثير من هذا يتعلق بحدود تلسكوباتنا الحالية ، التي لا تتمتع بالدقة اللازمة لرصد الكواكب الصخرية الأصغر التي تدور بالقرب من نجمها. يعتقد علماء الفلك وعلماء الأحياء الفلكية أن هذه الكواكب هي التي من المرجح أن تكون صالحة للسكن ، لكن أي ضوء ينعكس من أسطحها وأجواءها يتغلب عليه الضوء القادم من نجومها.

ومع ذلك ، سيتغير ذلك قريبًا بمجرد أن تصبح أدوات الجيل التالي مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) يأخذ إلى الفضاء. سارة سيجر ، أستاذ الفيزياء وعلوم الكواكب من دفعة عام 1941 في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، يقود مجموعة البحث المسؤولة (المعروفة أيضًا باسم Seager Group) وكان مؤلفًا مشاركًا في الورقة. كما قالت لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:

'مع إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي في أكتوبر 2021 ، ستكون لدينا أول قدرة لنا على البحث عن غازات ذات بصمة حيوية - لكنها ستكون صعبة لأن إشارات الغلاف الجوي لكوكب صخري صغير ضعيفة للغاية في البداية. مع اقتراب JWST في الأفق ، نما عدد الأشخاص العاملين في هذا المجال بشكل كبير. دراسات مثل هذه توصلت إلى غازات حيوية جديدة محتملة ، وأعمال أخرى تُظهر إيجابيات كاذبة محتملة حتى بالنسبة للغازات مثل الأكسجين '.

يظهر انطباع الفنان أن كوكب Proxima b يدور حول النجم القزم الأحمر Proxima Centauri ، أقرب نجم إلى المجموعة الشمسية. الائتمان: ESO / M. كورنميسر

بمجرد نشره وتشغيله ، سيكون JWST قادرًا على مراقبة كوننا بأطوال موجية أطول (في الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة النطاق) وحساسية محسنة بشكل كبير. سيعتمد التلسكوب أيضًا على سلسلة من أجهزة الطيف للحصول على بيانات التكوين ، بالإضافة إلى فقرات التاج لحجب الضوء الغامض للنجوم الأم. ستمكّن هذه التقنية علماء الفلك من توصيف الغلاف الجوي للكواكب الصخرية الصغيرة.

في المقابل ، ستسمح هذه البيانات للعلماء بوضع قيود أكثر صرامة على قابلية كوكب خارج المجموعة الشمسية للسكن وقد تؤدي إلى اكتشاف البصمات الحيوية المعروفة (و / أو المحتملة). كما لوحظ ، فإن هذه 'البصمات الحيوية' تشمل المؤشرات الكيميائية المرتبطة بالحياة والعملية البيولوجية ، ناهيك عن أنواع الظروف الملائمة لها.

وتشمل هذه غاز الأكسجين (O₂) ، وهو أمر ضروري لمعظم أشكال الحياة على الأرض وينتج عن طريق كائنات التمثيل الضوئي (النباتات والأشجار والبكتيريا الزرقاء وما إلى ذلك). هذه الكائنات الحية نفسها تستقلب ثاني أكسيد الكربون (CO₂) ، والتي تنبعث من الحياة التي تؤدي إلى استقلاب الأكسجين كمنتج نفايات. هناك أيضًا ماء (H₂O) ، وهو أمر ضروري لكل أشكال الحياة كما نعرفها ، والميثان (CH₄) ، التي تنبعث من المواد العضوية المتحللة.

نظرًا لأنه يُعتقد أن النشاط البركاني يلعب دورًا مهمًا في قابلية الكواكب للسكن ، فإن المنتجات الثانوية الكيميائية المرتبطة بالبراكين - كبريتيد الهيدروجين (H₂S) وثاني أكسيد الكبريت (SO₂) وأول أكسيد الكربون (CO) ، غاز الهيدروجين (ح₂) ، وما إلى ذلك - تعتبر أيضًا بصمات حيوية. إلى هذه القائمة ، أراد Zhan و Seager وزملاؤهم إضافة توقيع حيوي آخر محتمل - isoprene. كما أوضح Zhan لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:

تركز مجموعتنا البحثية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على استخدام نهج شامل لاستكشاف جميع الغازات الممكنة باعتبارها غازات حيوية محتملة. أدى عملنا السابق إلى إنشاء قاعدة بيانات لجميع الجزيئات الصغيرة. نشرع في تصفية قاعدة بيانات ASM لتحديد الغازات المرشحة الأكثر قبولًا ، أحدها هو الأيزوبرين ، باستخدام التعلم الآلي والأساليب القائمة على البيانات - الدكتور Zhuchang Zhan. '

صورة التقطها أحد أفراد طاقم البعثة 13 من محطة الفضاء الدولية ، تظهر ثوران بركان كليفلاند ، جزر ألوتيان ، ألاسكا. الائتمان: ناسا

مثل ابن عمه الميثان ، فإن الأيزوبرين عبارة عن جزيء هيدروكربوني عضوي يتم إنتاجه كمستقلب ثانوي بواسطة أنواع مختلفة هنا على الأرض. بالإضافة إلى الأشجار المتساقطة الأوراق ، ينتج الإيزوبرين أيضًا عن طريق مجموعة متنوعة من الكائنات الحية التطورية البعيدة - مثل البكتيريا والنباتات والحيوانات. كما أوضح Seager ، فإن هذا يجعله واعدًا باعتباره توقيعًا حيويًا محتملاً:

'الآيزوبرين واعد لأنه يتم إنتاجه بصفات هائلة من الحياة على الأرض - بقدر إنتاج الميثان! علاوة على ذلك ، هناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من أشكال الحياة (من البكتيريا إلى النباتات والحيوانات) ، تلك التي تكون بعيدة التطوري عن بعضها البعض ، تنتج الأيزوبرين ، مما يشير إلى أنه قد يكون نوعًا من اللبنات الأساسية التي قد تصنعها الحياة في مكان آخر أيضًا '.

في حين أن الأيزوبرين وفير مثل الميثان هنا على الأرض ، يتم تدمير الإيزوبرين بالتفاعل مع الأكسجين والجذور المحتوية على الأكسجين. لهذا السبب ، اختار Zhang و Seager وفريقهم التركيز على الأجواء منخفضة الأكسجين. هذه هي البيئات التي تتكون في الغالب من H_{2 ،}ماذا او ما₂، وغاز النيتروجين (N₂) ، وهو مشابه لما كان يتألف منه الغلاف الجوي البدائي للأرض.

وفقًا للنتائج التي توصلوا إليها ، فإن الكوكب البدائي (حيث تبدأ الحياة في الظهور) سيكون به إيزوبرين وفير في غلافه الجوي. كان من الممكن أن يكون هذا هو الحال على الأرض منذ ما بين 4 و 2.5 مليار سنة عندما كانت الكائنات وحيدة الخلية هي الحياة الوحيدة وكانت البكتيريا الزرقاء التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي تعمل ببطء على تحويل الغلاف الجوي للأرض إلى غلاف غني بالأكسجين.

قبل 2.5 مليار سنة ، بلغ هذا ذروته في ' حدث الأوكسجين الكبير '(GOE) ، والتي ثبت أنها سامة للعديد من الكائنات الحية (ومستقلبات مثل الأيزوبرين). وخلال هذا الوقت أيضًا بدأت أشكال الحياة المعقدة (حقيقيات النوى والكائنات متعددة الخلايا) في الظهور. في هذا الصدد ، يمكن استخدام الأيزوبرين لتوصيف الكواكب التي هي في خضم تحول تطوري كبير ووضع الأساس لشعب الحيوانات في المستقبل.

ولكن كما أشار تشانغ ، فإن إثارة هذه البصمة الحيوية المحتملة سيكون تحديًا ، حتى بالنسبة لـ JWST:

'التحذيرات المتعلقة باستخدام الأيزوبرين كمؤشر حيوي هي: 1. مطلوب 10x-100x معدل إنتاج الأيزوبرين الأرضي للكشف ؛ 2. يمكن إعاقة ميزة الكشف عن الأيزوبرين الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة من خلال وجود الميثان أو الهيدروكربونات الأخرى. سيكون الاكتشاف الفريد للإيزوبرين أمرًا صعبًا مع JWST ، حيث تشترك العديد من جزيئات الهيدروكربونات في خصائص أطياف مماثلة في أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة. لكن التلسكوبات المستقبلية التي تركز على الطول الموجي منتصف الأشعة تحت الحمراء ستكون قادرة على اكتشاف السمات الطيفية للأيزوبرين بشكل فريد. '

ما وراء JWST ، فإن ملف تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي (خليفة مهمة هابل) سينتقل إلى الفضاء بحلول عام 2025. سيكون لهذا المرصد قوة ' مائة فقاعات 'ولها مرشحات الأشعة تحت الحمراء التي تمت ترقيتها مؤخرًا سيسمح لها بتمييز الكواكب الخارجية بمفردها ومن خلال التعاون مع JWST و 'المراصد العظيمة' الأخرى.

هناك أيضًا العديد من التلسكوبات الأرضية التي يتم بناؤها حاليًا على الأرض والتي ستعتمد على مقاييس الطيف المتطورة وأجهزة التخطيط التاجي والبصريات التكيفية (AOs). وتشمل هذه تلسكوب كبير للغاية (ELT) ، و تلسكوب ماجلان العملاق (GMT) ، و تلسكوب ثلاثين مترا (TMT) ستكون هذه التلسكوبات أيضًا قادرة على إجراء دراسات التصوير المباشر للكواكب الخارجية ، ومن المتوقع أن تكون النتائج رائدة.

تم اكتشاف الأحجام النسبية لكواكب منطقة كبلر الصالحة للسكن اعتبارًا من عام 2013 18 أبريل. حقوق الصورة: NASA / Ames / JPL-Caltech.

بين الأدوات المحسنة ، والتحسين السريع لتحليل البيانات والتقنيات ، والتحسينات في منهجيتنا ، من المتوقع فقط أن تتسارع دراسة الكواكب الخارجية. بالإضافة إلى وجود عشرات الآلاف من العناصر الأخرى المتاحة للدراسة (سيكون العديد منها صخريًا و 'شبيهًا بالأرض') ، فإن الآراء غير المسبوقة التي سنحصل عليها منهم ستسمح لنا برؤية عدد العوالم الصالحة للسكن الموجودة هناك.

يبقى أن نرى ما إذا كان هذا سيؤدي إلى اكتشاف حياة خارج كوكب الأرض خلال حياتنا أم لا. ولكن هناك شيء واضح. في السنوات القادمة ، عندما يبدأ علماء الفلك في تمشيط جميع البيانات الجديدة التي سيكون لديهم حول الغلاف الجوي للكواكب الخارجية ، سيكون لديهم قائمة شاملة من البصمات الحيوية لإرشادهم.

يتضمن العمل السابق لـ Seager و Zhan مفهومًا لدفيئة على كوكب المريخ يمكن أن توفر كل الطعام اللازم لطاقم مكون من أربعة رواد فضاء لمدة تصل إلى عامين. هذه الدفيئة ، والمعروفة باسم الهندسة المعمارية للمحيط الحيوي لإقامة قابلة للحياة خارج كوكب الأرض (BEAVER) ، المركز الثاني في 2019 ناسا فكرة التحدي الكبير . يمكنك قراءة المزيد عنها هنا .

قراءة متعمقة: arXiv