في نوفمبر من عام 2021 ، أ تلسكوب جيمس ويب الفضائي ستقوم (JWST) برحلتها التي طال انتظارها إلى الفضاء. سيراقب هذا المرصد من الجيل التالي الكون باستخدام مجموعة الأشعة تحت الحمراء المتطورة ويكشف عن العديد من الأشياء التي لم يسبق رؤيتها من قبل. بحلول عام 2024 ، سينضم إلى تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي (RST) ، خليفة مهمة هابل التي سيكون لها مجال رؤية هابل 100 مرة ووقت أسرع للرصد.
ستقدم هذه الأدوات مساهمات ضخمة في العديد من مجالات البحث ، ليس أقلها اكتشاف وتوصيف الكواكب خارج المجموعة الشمسية . ولكن حتى مع بصرياتها وقدراتها المتقدمة ، لن تتمكن هذه البعثات من فحص أسطح الكواكب الخارجية بأي تفاصيل. ومع ذلك ، فإن فريقًا من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز (UCSC) و معهد علوم الفضاء طورت (SSI) أفضل شيء تالي: أداة لاكتشاف سطح كوكب خارج المجموعة الشمسية دون رؤيته مباشرة.
الورقة التي تصف بحثهم بعنوان ' كيفية تحديد أسطح الكواكب الخارجية باستخدام أنواع التتبع الجوي في الغلاف الجوي الذي يهيمن عليه الهيدروجين ، 'ظهر مؤخرًا فيمجلة الفيزياء الفلكية. كما أوضحوا ، سعى الفريق لتطوير طرق لدراسة أسطح الكواكب الخارجية بناءً على تكوين الغلاف الجوي. يعد هذا ضروريًا نظرًا لعدم امتلاك أي من التلسكوبات الفضائية القادمة القدرة على دراسة السمات السطحية لكوكب خارج المجموعة الشمسية بشكل غير مباشر.
ومع ذلك ، ستكون هذه التلسكوبات نفسها أدوات ممتازة لتحديد تكوين الغلاف الجوي للكواكب الخارجية. ما وراءجيمس ويبوتلسكوبات الفضاء الرومانية، سيتم تشغيل عدد من المراصد الأرضية من الجيل التالي في السنوات القادمة والتي سيكون لها قدرات مماثلة. وتشمل هذه تلسكوب كبير للغاية (ELT) ، و تلسكوب ماجلان العملاق (GMT) و تلسكوب ثلاثين مترا (TMT).
مع مزيجها من الحساسية العالية ، وأجهزة التصوير التاجي ، والبصريات التكيفية ، ستكون هذه المراصد قادرة على إجراء التصوير المباشر دراسات الكواكب الخارجية ، حيث ستتم دراسة الضوء المنعكس مباشرة من الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية لتحديد تكوين الغلاف الجوي. سيساعد هذا علماء الفلك وعلماء الأحياء الفلكية على وضع قيود أكثر صرامة على الكواكب الخارجية 'التي يُحتمل أن تكون صالحة للسكن' وأيها ليست كذلك.
ومع ذلك ، فإن الشروط التي نعتبرها المتطلبات الأساسية للحياة تشمل أيضًا العمليات الجيولوجية مثل النشاط البركاني وتكتونية الصفائح ، والتي يمكن تمييزها من ميزات السطح المرتبطة بها. بينما قد لا نتمكن من تمييزها في المستقبل القريب ، Xinting يو اقترحت (زميلة ما بعد الدكتوراه في علوم الأرض والكواكب في جامعة كاليفورنيا) وزملاؤها طريقة جديدة لتحديد ميزات السطح بناءً على وفرة غازات الغلاف الجوي.
كما أوضح الدكتور يو لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني ، جاء الإلهام لهذه الطريقة من جسمين في نظامنا الشمسي - كوكب المشتري وتيتان (أكبر أقمار زحل). كلا الجسمين لهما أجواء غازية كثيفة مع نوعين كيميائيين - الأمونيا (NH3) والميثان (CH4) - التي تلعب دورًا رئيسيًا في عمليات الغلاف الجوي. قال يو:
'تيتان له سطح بارد وضحل مع عدم وجود (أو من المفترض ألا يكون) أي أمونيا وميثان تقريبًا ، بينما يحتوي الغلاف الجوي لكوكب المشتري على الكثير من الأمونيا والميثان. لماذا يحدث هذا؟ في الغلاف الجوي العلوي لكلا المشتري وتيتان ، يتم تدمير الأمونيا والميثان بواسطة فوتونات الأشعة فوق البنفسجية باستمرار ، مكونة النيتروجين (للأمونيا) وهيدروكربونات أكثر تعقيدًا (للميثان). على تيتان ، يستمر تكوين النيتروجين والهيدروكربونات المعقدة المكونة من الكيمياء الضوئية وتتراكم '.
صورة كاسيني لأكبر أقمار زحل تيتان. الائتمان: NASA / JPL-Caltech / معهد علوم الفضاء
باختصار ، يتم تدمير الميثان والأمونيا في الغلاف الجوي لتيتان ثم يتم استهلاكهما لتكوين النيتروجين والهيدروكربونات. وهذا ما أدى إلى أن يصبح النيتروجين الغاز المسيطر في الغلاف الجوي لتيتان (98٪ من حيث الحجم) والترسب الكبير للهيدروكربونات على سطحه ، مما أدى إلى تكوين بيئة غنية بالمواد العضوية. بسبب البرودة الشديدة لسطح تيتان ، فإن عملية التحويل هذه لا رجعة فيها.
من ناحية أخرى ، يحتوي كوكب المشتري أيضًا على الأمونيا والميثان في غلافه الجوي الكثيف ولكن ليس له سطح يمكن الحديث عنه. كما أوضح يو ، ينتج عن هذا عملية مختلفة نوعًا ما حيث تشارك الأنواع الكيميائية:
'نظرًا لعدم وجود سطح على كوكب المشتري ، فإن الغلاف الجوي يمتد فقط على طول الطريق إلى الآلاف من ضغوط سطح الأرض وآلاف الكلفن. يمكن للنيتروجين المكون من الكيمياء الضوئية والهيدروكربونات المعقدة الموجودة في الغلاف الجوي العلوي أن تنتقل إلى هذا الجزء العميق الساخن من الغلاف الجوي. هناك ، يمكنهم الجمع بين الهيدروجين لإصلاح الميثان والأمونيا. ثم يتم 'إعادة تدوير' الميثان والأمونيا المحسنين مرة أخرى في الغلاف الجوي العلوي. تستمر هذه الدورة في تجديد الميثان والأمونيا المدمرين '.
نقطة رئيسية أخرى تناولتها يو وفريقها تتعلق بالتعداد الحالي للكواكب الخارجية. حتى الآن ، كانت غالبية الكواكب الخارجية المكتشفة عبارة عن نبتون صغيرة - أي كواكب أقل كتلة من نبتون ولكن لها غلاف جوي سميك يهيمن عليه الهيدروجين والهيليوم. في الواقع ، من 4،401 كوكب خارجي مؤكد حتى الآن ، تم تحديد 1488 على أنها 'تشبه نبتون' ، وتتراوح كتلها من 9 أضعاف كتلة الأرض إلى أقل بقليل من كوكب المشتري.
الغلاف الجوي لكوكب المشتري ، كما صورته مهمة جونو (التي رسمها كيفن إم جيل). حقوق الصورة: NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Kevin M. Gill
بسبب غلافها الغازي والمسافات التي ينطوي عليها الأمر ، من المستحيل تحديد ما إذا كانت هذه الكواكب قد ظهرت ومكانها. بسبب أهميتها الإحصائية ، قررت يو وفريقها استخدام واحدة على وجه الخصوص لاختبار نهجهم الجديد. كان هذا K2-18b ، وهو نبتون صغير كتلته حوالي 8 أضعاف كتلة الأرض ويدور داخل المنطقة الصالحة للسكن (HZ) لنجم قزم أحمر (K2-18) يقع على بعد 124 سنة ضوئية من الأرض.
تم اكتشاف K2-18b في الأصل بواسطة تلسكوب كبلر الفضائي في عام 2015 ، وهو أول كوكب خارج المجموعة الشمسية HZ تم العثور عليه يحتوي على كميات كبيرة من بخار الماء في غلافه الجوي. باستخدام نموذج كيميائي ضوئي ، قامت يو وفريقها بمحاكاة كيفية تأثير وجود سطح على هذا الكوكب الخارجي على تطور الغلاف الجوي لـ K2-18b. كما أنها أخذت في الحسبان اختلاف مستويات الضغط الجوي ودرجات الحرارة ، وهي عوامل مرتبطة بارتفاع السطح.
قال يو: 'نتساءل عما إذا كان بإمكاننا استخدام وفرة الأنواع مثل الأمونيا والميثان لمعرفة ما إذا كان كوكب خارج المجموعة الشمسية له سطح أم لا'. 'من شأن السطح البارد والضحل أن يقطع جميع تفاعلات' إعادة التدوير 'التي تتطلب درجات حرارة عالية وضغوطًا في أجواء الكواكب العميقة لإصلاح غاز الميثان والأمونيا. وبالتالي ، نتوقع رؤية القليل من الميثان والأمونيا على كوكب خارج المجموعة الشمسية بسطح بارد وضحل ، والكثير من الميثان والأمونيا على كوكب خارج المجموعة الشمسية بدون سطح أو سطح عميق وساخن. '
ما وجدوه هو أن الأمونيا والميثان ، كما كان متوقعًا ، كانا حساسين لكل من وجود السطح وارتفاعه. يتوافق هذا مع ما لوحظ مع الكواكب الخارجية ذات الأسطح الباردة والضحلة ، حيث يتم تكسير الأنواع الكيميائية مثل الماء وسيانيد الهيدروجين والهيدروكربونات الثقيلة عن طريق التعرض للأشعة فوق البنفسجية. وفي الوقت نفسه ، يتم الاحتفاظ بأنواع مثل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون (وهي أقل عرضة لتدمير الأشعة فوق البنفسجية).
انطباع الفنان عن كوكب سوبر إيرث يدور حول نجم شبيه بالشمس. الائتمان: ESO / M. كورنميسر
لكن ما كان غير متوقع هو الطريقة التي تكون بها المواد الكيميائية المختلفة حساسة بطرق مختلفة لمستويات الارتفاع المختلفة. وفقًا لـ Yu ، هذا يرجع إلى حقيقة أن أنواع الكربون والنيتروجين لها 'بقعة حلوة' حيث يمكن إعادة تدويرها بالكامل. في حين أن الأمونيا وسيانيد الهيدروجين (HCN) حساسان للأجواء بكثافة 100 بار على السطح (100 مرة كثافة الأرض ، على غرار كوكب الزهرة) ، فإن الميثان وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون حساسة للضغوط التي تقل عن 10 بار على السطح (عشرة أضعاف الأرض).
تقدم هذه النتائج آثارًا متعددة لدراسة الكواكب الخارجية ، وفي مقدمتها حقيقة أن أسطح الكواكب مهمة. قال يو:
في السابق ، كان العلماء يتنبأون بتركيبات الغلاف الجوي للكواكب الخارجية باستخدام نماذج التوازن الكيميائي الحراري. يتم تحديد تركيبات الغلاف الجوي فقط من خلال ضغط ودرجة حرارة الغلاف الجوي. لكن دراستنا تظهر أنه حتى لو كان الضغط ودرجة الحرارة متماثلين ، فإن إضافة سطح يمكن أن يغير بشكل كبير تكوين الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية! '
من الآثار الأخرى لهذه الدراسة أنه من الممكن لعلماء الفلك التعرف على أسطح الكواكب الخارجية بناءً على تكوين الغلاف الجوي. وأضاف يو: 'على سبيل المثال ، عندما يرى المراقبون كميات مستنفدة من الأمونيا و HCN ، يمكننا أن نقول إن سطح هذا الكوكب خارج المجموعة الشمسية أقل من 100 بار'. ثم إذا رأينا أيضًا كميات مستنفدة من الميثان والهيدروكربونات وكمية متزايدة من أول أكسيد الكربون ، فهذا يشير إلى سطح أقل من 10 بار. هذا واعد جدًا لتحديد الكواكب الخارجية الصالحة للحياة! '
بالإضافة إلى توصيف نبتون المصغرة ، فإن هذا البحث له أيضًا آثار على جميع الأنواع الأخرى من الكواكب الخارجية - بما في ذلك الكواكب الصخرية 'الشبيهة بالأرض'. في الواقع ، طالما أن الكوكب المعني له غلاف جوي ويخضع للأشعة فوق البنفسجية في غلافه الجوي العلوي ، فإن حجم الكوكب الخارجي لا علاقة له بالموضوع. في جميع الحالات ، سيرى علماء الفلك نفس الاختلافات في الوفرة الكيميائية اعتمادًا على وجود سطح أم لا.
انطباع الفنان عن كوكب خارجي صخري بحجم الأرض GJ 1132 b ، يقع على بعد 41 سنة ضوئية حول نجم قزم أحمر. الائتمان: NASA و ESA و R. Hurt (IPAC / Caltech)
وفقًا لـ Yu ، فإن الكواكب الخارجية الأصغر حجمًا هي التي تعد أهدافًا واعدة لاختبار هذه الطريقة نظرًا لأنه من المرجح أن يكون لها أسطح ضحلة وباردة. ومع ذلك ، من المرجح أيضًا أن يكون للكواكب الصغيرة عمليات داخلية أو سطحية ستؤثر على وفرة بعض المواد الكيميائية في غلافها الجوي - مثل النشاط البركاني والصفائح التكتونية. كلما كانت أصغر ، يمكن أن تكون هذه العمليات أكثر أهمية.
هذه المخاوف وغيرها من الأمور التي تتطلع يو وفريقها إلى دراستها بمزيد من التفصيل في المستقبل لتحديد مدى قوة نتائجهم وكيف يمكن أن تتأثر بالاضطرابات المختلفة من سطح / باطن الكواكب الخارجية. ستستفيد جهودهم وجهود علماء الأحياء الفلكية بشكل عام من إطلاق JWST ، والذي من المقرر حاليًا أن يتم في وقت ما في نوفمبر من عام 2021. سعيد يو:
'تشير دراستنا إلى زاوية علمية مثيرة لـ JWST. من الجيد أن يكون لديك بيانات خصائص الغلاف الجوي فقط. بدون ملاحظات سطحية مباشرة ، لا يزال بإمكاننا معرفة ما إذا كان كوكب خارج المجموعة الشمسية له سطح ، وحتى موقع السطح تقريبًا. إن معرفة ما إذا كان كوكب خارج المجموعة الشمسية له سطح أمر مهم بلا شك أيضًا في علم الأحياء الفلكي. من المحتمل أن يكون السطح السائل أو الصلب ضروريًا للحفاظ على أشكال الحياة المعقدة. وبالتالي ، فإن وجود سطح سيكون أمرًا أساسيًا يجب البحث عنه عند تقييم قابلية كوكب خارج المجموعة الشمسية للسكن '.
إن القدرة على دراسة الكواكب الخارجية مباشرة ، جنبًا إلى جنب مع القدرة على تقييد ظروف سطحها ، ستدفع دراسة علم الأحياء الفلكي إلى حد كبير. المجال سوف يستفيد أيضا من طرق مبتكرة يمكن أن يسمح للعلماء بالبحث عن الحياة (المعروفة أيضًا باسم البصمات الحيوية) بناءً على مستويات مختلفة من الانتروبيا في بيئة أو مستويات مختلفة من التعقيد مع الجسيمات العضوية. شيئًا فشيئًا ، نقوم بتضييق نطاق التركيز وتشديد القيود!
إذا كانت هناك حياة يمكن العثور عليها ، فسنجدها عاجلاً أم آجلاً!
قراءة متعمقة: مجلة الفيزياء الفلكية
