يتم اكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية بمعدل سريع ، مع 4531 كوكبًا في 3363 نظامًا (مع 7798 مرشحًا آخر في انتظار التأكيد). من بين هؤلاء ، تم تحديد 166 كوكبًا صخريًا (يُعرف أيضًا باسم 'شبيهة بالأرض') ، في حين تم تحديد 1389 كوكبًا آخر على أنها كواكب صخرية يبلغ حجمها عدة أضعاف حجم الأرض ('الأرض الفائقة)'. مع إجراء المزيد والمزيد من الاكتشافات ، يتحول التركيز من عملية الاكتشاف إلى التوصيف.
من أجل وضع قيود أكثر صرامة على ما إذا كانت أي من هذه الكواكب الخارجية صالحة للسكن ، يبحث علماء الفلك وعلماء الأحياء الفلكية عن طرق لاكتشاف المؤشرات الحيوية والعلامات الأخرى للعمليات البيولوجية. وفقا ل دراسة جديدة ، يجب أن يبحث علماء الفلك وعلماء الأحياء الفلكية عن مؤشرات دورة الكربون سيليكات. على الأرض ، تضمن هذه الدورة أن يظل مناخنا مستقرًا لدهور ويمكن أن يكون مفتاحًا لإيجاد الحياة على الكواكب الأخرى.
الدراسة بعنوان ' دورة الكربون وصلاحية الكواكب الخارجية الضخمة الشبيهة بالأرض للسكنى ، 'أماندا كرويفر ، ودينيس هوينج ، و ويم فان وسترينين - ثلاثة من علماء الأرض من جامعة فريجي بأمستردام. Höning هو أيضًا زميل في مركز الأصول ، معهد علوم وطني مقره هولندا ملتزم بالبحث في أصول وتطور الحياة في عالمنا. تم نشر دراستهم مؤخرًا فيمجلة علوم الكواكب.
يوضح هذا الرسم البياني لدورة الكربون السريعة حركة الكربون بين الأرض والغلاف الجوي والمحيطات. الائتمان: وزارة الطاقة الأمريكية / بيريس
على الأرض ، تضمن هذه الدورة المكونة من خطوتين أن ثاني أكسيد الكربون (CO2) تظل المستويات في غلافنا الجوي ثابتة نسبيًا بمرور الوقت. تتكون هذه الخطوة الأولى من إزالة ثاني أكسيد الكربون من غلافنا الجوي عن طريق التفاعل مع بخار الماء لتكوين حمض الكربونيك ، الذي يذوب صخور السيليكات ويذوبها. يتم غسل منتجات هذه التجوية في المحيطات (مكونة صخور كربونية) ، والتي تغرق في قاع البحر وتصبح جزءًا من وشاح الأرض.
هذا هو المكان الذي تأتي فيه الخطوة الثانية. بمجرد وصولها إلى الوشاح ، يتم إذابة صخور الكربونات لتكوين صهارة السيليكات وثاني أكسيد الكربون2الغاز ، والذي يتم إطلاقه مرة أخرى في الغلاف الجوي من خلال الانفجارات البركانية. كما أوضح الدكتور هوينج لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني ، فإن العملية تتأثر أيضًا بالتغيرات في ظروف السطح:
'الأهم من ذلك ، أن سرعة هذه العملية تعتمد على درجة حرارة السطح: إذا ازدادت درجة حرارة السطح ، فإن تفاعلات العوامل الجوية تتسارع ، والمزيد من ثاني أكسيد الكربون2يمكن إزالتها من الغلاف الجوي. منذ CO2هو غاز دفيئة ، هذه الآليةيبردأسفل السطح ، لذلك لدينا ردود فعل استقرار. علينا أن نشير إلى أن ردود الفعل هذه لتحقيق الاستقرار تحتاج إلى وقت طويل حتى تكون فعالة ، في حدود مئات الآلاف من السنين أو حتى ملايين السنين '.
وأضاف الدكتور هونينج أن أحد الاعتبارات الرئيسية هنا هو كيف أصبحت الشمس أكثر سخونة بمرور الوقت. مقارنةً بتاريخ الأرض المبكر ، يتلقى كوكبنا الآن ما يقرب من 30٪ طاقة أكثر من الشمس ، وهذا هو سبب ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي2كانت المستويات أعلى في الماضي البعيد. لذلك ، من الآمن أن نقول إن التجوية تصبح أكثر وضوحًا مع تقدم الكوكب في السن وانبعاث ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي2سوف تنخفض المستويات بمعدل متزايد في هذه المرحلة من تطورها.
الكواكب الأرضية في نظامنا الشمسي بأحجام نسبية تقريبًا (من اليسار إلى اليمين): عطارد والزهرة والأرض والمريخ. الائتمان: LPI
نظرًا لأن هذه عملية كيميائية بسيطة ، فلا يوجد سبب للاعتقاد بأن دورة الكربون سيليكات لا يمكن أن تعمل على الكواكب الأخرى - بشرط وجود ماء سائل على أسطحها. بالنسبة لباحثي الكواكب الخارجية وعلماء الأحياء الفلكية ، كان وجود الماء السائل أمرًا بالغ الأهمية للبحث المستمر عن حياة خارج كوكب الأرض. لقد أثيرت قضية الصفائح التكتونية أيضًا لأن هذا يلعب دورًا مهمًا في الحفاظ على قابلية الأرض للسكن بمرور الوقت. قال الدكتور هونينغ:
'في نظامنا الشمسي ، كوكب الأرض هو الوحيد الذي يمتلك الصفائح التكتونية وبالتالي الاندساس. السبب في ذلك ليس واضحًا تمامًا ويخضع للدراسات الحديثة - ربما يتعلق الأمر بتكوين الصخور أو حجم الكوكب أو درجة حرارة السطح أو بوجود الماء السائل على السطح نفسه.
'إذا كان لدينا التجوية على كوكب خارج المجموعة الشمسية ولكن بدون اندساس ، فإن الكربونات الناتجة سوف تتراكم على السطح وقد تصبح غير مستقرة مرة أخرى بعد ملايين السنين. لقد اكتشفنا هذا السيناريو في عمل سابق ووجدنا أن المناخ سيظل منظمًا إلى حد ما ، على الرغم من أنه أقل كفاءة إلى حد ما من الصفائح التكتونية كما هو مفترض في هذه الورقة '.
ليس الدكتور هوينج وزملاؤه بمفردهم عندما يتعلق الأمر بفحص ما إذا كانت الصفائح التكتونية والنشاط الجيولوجي ضروريان للحياة. في السنوات الأخيرة ، تم إجراء بحث مماثل أخذ في الاعتبار ما إذا كانت الكواكب ذات الغطاء الراكد (حيث يتكون السطح والعباءة من صفيحة واحدة غير نشطة) مغطاة بالمحيطات لا يزال من الممكن أن تحتوي على دورة كربون - مع نتائج مشجعة .
انطباع الفنان عن الشكل الذي يمكن أن تبدو عليه الكواكب الخارجية الشبيهة بالأرض. الائتمان: NASA / JPL-Caltech
من أجل دراستهم ، سعى الدكتور هوينج وزملاؤه إلى تحديد ما إذا كانت دورة سيليكات الكربون ممكنة على الكواكب الصخرية الأخرى التي تتراوح من 'شبيهة بالأرض' إلى 'كواكب أرضية فائقة'. ولهذه الغاية ، ابتكروا نموذجًا أعاد إنتاج دورة كربونات سيليكات الأرض وأخذ جميع العمليات ذات الصلة في الاعتبار. وشمل ذلك جميع العمليات ذات الصلة ، مثل التطور الداخلي ، وإطلاق الغازات البركانية ، والعوامل الجوية ، والاندساس ، ونظر في كيف يمكن أن تكون حساسة للتغيرات في الحجم والكتلة.
'على سبيل المثال ، الضغط داخل الكواكب الضخمة يزداد بقوة أكبر مع العمق لأن الجاذبية أعلى ،' قال الدكتور هوينج. 'للضغط تأثير على عمق الانصهار وأيضًا على قوة الحمل الحراري في الوشاح ، والذي يحدد معدل التبريد الداخلي. لذلك قمنا بتحديث جميع أجزاء النموذج الحساسة لحجم أو كتلة الكوكب ، وبالتالي يمكننا استكشاف تأثير هذه المعلمات على قابلية السكن على الكواكب الخارجية '.
ما وجدوه هو أن الزيادة في الكتلة (إلى حد ما) من شأنها أن تؤدي إلى ارتفاع متوسط درجات حرارة السطح ، وبالتالي تغيير ما يمكن اعتباره المنطقة الصالحة للسكن حول الكوكب (المعروفة أيضًا باسم 'منطقة Goldilocks'). قال الدكتور هونينغ:
'لقد وجدنا أن الكواكب الخارجية التي تنتمي إلى عمر الأرض ، ولكن كتلتها أكبر بثلاث مرات تقريبًا ، يجب أن يكون لها معدلات إطلاق غازات بركانية أعلى ، نظرًا لأن باطنها أكثر سخونة ، وبالتالي فإن الحمل الحراري في الوشاح أكثر قوة. لا يزال بإمكان دورة الكربونات والسيليكات تنظيم المناخ على هذه الكواكب ، ومع ذلك نتوقع سطحًا أكثر حرارة. لذلك ، فإن المسافة المثلى بين الكوكب والنجم من أجل الحفاظ على الماء السائل على سطح الكوكب هي أبعد قليلاً من مسافة الأرض عن الشمس '.
ومع ذلك ، كانت النتائج معاكسة عندما زادت كتلة كوكب صخري بما يصل إلى 10 أضعاف كتلة الأرض (وهو ما يعادل حوالي 2 من نصف قطر الأرض). 'هنا ، الضغط داخل هذه الكواكب كبير جدًا لدرجة أن النشاط البركاني وإطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون2يصبح أصغر ، 'قال. 'ومع ذلك ، نظرًا لأن الحرارة من الداخل لا تضيع بكفاءة ، فإن إطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون2تصبح فعالة بشكل خاص في التطور اللاحق. لسوء الحظ ، يزداد لمعان النجوم أيضًا بمرور الوقت ، لذلك قد يصبح الكوكب حينئذٍ ساخنًا جدًا بحيث يتعذر وجود أي ماء سائل '.
تصور الفنان لكوكب خارج المجموعة الشمسية بحجم الأرض LHS 3844b ، والذي قد يكون مغطى بالصخور البركانية الداكنة ، وفقًا لملاحظات تلسكوب سبيتزر الفضائي التابع لناسا. الائتمان: NASA / JPL-Caltech / R. هيرت (IPAC)
هناك العديد من الوجبات السريعة من هذه النتائج. أولاً ، توضح الدراسة أن الحجم والكتلة من العوامل المهمة لإمكانية السكن على كوكب الأرض. في الوقت نفسه ، يعد الحجم والكتلة من بين العوامل القليلة جدًا التي يمكن للعلماء الوصول إليها في الوقت الحالي. كما هو الحال مع وسائل الكشف المتاحة - طريقة العبور ، على سبيل المثال ، جيدة جدًا في تقييد هاتين الخاصيتين - العلماء مقيدون إلى حد ما بالوسائل غير المباشرة ويجب أن يعتمدوا على الاستقراء والنمذجة.
ومع ذلك ، لا تزال هاتان المعلمتان مفيدتان للغاية لتقييد أنواع الكواكب الصخرية التي يمكن أن تكون صالحة للسكن وأيها لا يحتمل أن تدعم الحياة. علاوة على ذلك ، فهي توضح كيف يلعب عمر الكوكب وكتلته دورًا مهمًا في الحفاظ على دورة الكربون ، وبالتالي قابلية الكوكب للسكن. من خلال النظر في هذه العوامل معًا ، سيتمكن العلماء من تحديد ما إذا كان الكوكب 'يحتمل أن يكون صالحًا للسكنى بشكل أكثر ثقة'. كما لخص الدكتور هونينغ:
'إحدى النتائج الرئيسية التي توصلنا إليها في ورقتنا البحثية هي أننا يجب أن ننظر حقًا إلى الجمع بين حجم الكوكب والعمر للحصول على فكرة حول قابلية السكن. يجب أن تكون الكواكب بحجم الأرض صالحة للسكن لفترة طويلة جدًا من الزمن ، ولكن من الصعب تحديد خصائص غلافها الجوي بالطبع أكثر من الكواكب الكبيرة. يجب أن يكون سطح الكواكب التي تبلغ كتلتها 3 أضعاف كتلة الأرض (تستقبل نفس التدفق النجمي) سطحًا أكثر سخونة من سطح الأرض (الفرق ~ 10 كيلو). حتى الكواكب الأكثر ضخامة والتي تتلقى نفس التدفق النجمي تكون أكثر برودة قليلاً ، لكنها ستسخن بشكل كبير في وقت لاحق من تطورها '.
علاوة على ذلك ، ستكون هذه الدراسة مفيدة عندما يتوفر الجيل التالي من تلسكوبات bHöningecome ويمكنها إجراء عمليات رصد مباشرة للكواكب الخارجية. هذا شيء يتوقعه علماء الفلك من المستقبل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ، و تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي والمراصد الأرضية مثل تلسكوب كبير للغاية (ELT) ، و تلسكوب ماجلان العملاق (GMT) و تلسكوب ثلاثين مترا (TMT).
من خلال المراقبة المباشرة للضوء المنعكس عن الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية ، سيحصل علماء الفلك على أطياف تكشف عن التركيب الكيميائي للغلاف الجوي. يمكن استخدام هذا البحث للدراسات المستقبلية لتحديد مكان الكشف عن ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي2في سياقها الصحيح. باختصار ، سيحدد علماء الأحياء الفلكية ما إذا كان مؤشرًا على نشاط جيولوجي ، وبالتالي يمكن تفسيره على أنه مؤشر محتمل على قابلية السكن.
جانب آخر مشجع للدراسة هو أنه حتى في حالة الكواكب الصخرية ذات الكتل والأحجام المتفاوتة ، تظل دورة الكربونات والسيليكات منظمًا فعالًا للمناخ. إذا اكتشف العلماء دليلًا على هذه الدورة على الكواكب الخارجية ، فيمكنهم أن يطمئنوا إلى أنها تشير إلى إمكانية السكن ، بغض النظر عن حجم الكوكب. 'لذلك ، يمكننا أن نظل متفائلين بشأن إيجاد حياة خارج كوكب الأرض في المستقبل!' قال الدكتور هونينغ.
قراءة متعمقة: arXiv
