النجوم القزمة الحمراء هي أكثر أنواع النجوم شيوعًا في منطقتنا ، وربما في مجرة درب التبانة. وبسبب ذلك ، فإن العديد من الكواكب الخارجية الشبيهة بالأرض والتي من المحتمل أن تكون داعمة للحياة والتي اكتشفناها موجودة في مدار حول الأقزام الحمراء. تكمن المشكلة في أن الأقزام الحمراء يمكن أن تُظهر سلوكًا شديد الاشتعال ، أكثر نشاطًا من شمسنا الهادئة نسبيًا.
إذن ماذا يعني ذلك بالنسبة لإمكانية تلك الكواكب الخارجية لدعم الحياة بالفعل؟
تعتمد معظم الحياة على الأرض ، وربما في عوالم أخرى ، على الطاقة النجمية للبقاء على قيد الحياة. كانت الشمس محرك الحياة على الأرض منذ تكاثر الخلايا الأولى. لكن في بعض الأحيان ، مثل كل النجوم ، تعمل الشمس وتطلق مشاعل.
في بعض الأحيان تنبعث منه مشاعل نشطة للغاية. تصبح الطاقة المغناطيسية القوية في الغلاف الجوي للشمس غير مستقرة ، ويتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة. إذا تم إطلاقه باتجاه الأرض ، فيمكنه ذلك يسبب مشاكل . يمكن أن يؤدي إلى اضطرابات في الاتصالات اللاسلكية وحتى انقطاع التيار الكهربائي.
ولكن من حيث نشاط الاشتعال ، فإن الشمس ضعيفة نسبيًا مقارنة ببعض النجوم الأخرى. يمكن لبعض النجوم ، وخاصة الأقزام الحمراء ، أن تشتعل بشكل متكرر وعنيف. درس فريق من الباحثين كيف يؤثر نشاط الاحتراق على الغلاف الجوي وإمكانية الحياة على كواكب شبيهة بالأرض تدور حول نجوم منخفضة الكتلة ، بما في ذلك النجوم من النوع M والنجوم من النوع K والنجوم من النوع G.
في هذه الصورة ، التقط مرصد ديناميكيات الطاقة الشمسية (SDO) توهجًا شمسيًا من فئة X1.2 ، وبلغ ذروته في 15 مايو 2013. Credit: NASA / SDO
الدراسة الجديدة تسمى ' استمرار كيمياء الغلاف الجوي المشتعلة في عوالم المناطق الصخرية الصالحة للسكن . ' المؤلف الرئيسي هو هوارد تشين ، دكتوراه. طالب في جامعة نورث وسترن. تم نشر الورقة في مجلة Nature Astronomy.
قالت أليسون يونغبلود ، عالمة الفلك بجامعة كولورادو في بولدر والمؤلفة المشاركة في الدراسة: 'إن شمسنا عملاق لطيف'. 'إنها أقدم وليست نشطة مثل النجوم الأصغر والأصغر. تمتلك الأرض أيضًا مجالًا مغناطيسيًا قويًا ، مما يؤدي إلى انحراف الرياح المدمرة للشمس '.
يساعد ذلك في تفسير سبب 'تموج الحياة' بشكل إيجابي على الأرض كما وصف كارل ساجان كوكبنا. لكن بالنسبة للكواكب التي تدور حول نجوم منخفضة الكتلة مثل الأقزام الحمراء (M-dwarfs) ، فإن الوضع مختلف كثيرًا.
'في بعض الحالات ، لا يؤدي الاشتعال إلى تآكل كل طبقة الأوزون في الغلاف الجوي. قد لا تزال هناك فرصة للقتال في الحياة السطحية '.
دانيال هورتون ، مؤلف أول ، جامعة نورث وسترن
نحن نعلم أن التوهجات الشمسية وما يرتبط بها من انبعاثات جماعية إكليلية يمكن أن تكون ضارة جدًا بآفاق الحياة على الكواكب الخارجية غير المحمية. كتب المؤلفون في مقدمتهم أن 'النشاط النجمي - الذي يتضمن التوهجات النجمية ، والانبعاثات الكتلية الإكليلية (CMEs) وأحداث البروتونات النجمية (SPEs) - لها تأثير عميق على قابلية الكوكب للسكن ، بشكل أساسي من خلال تأثيره على الأوزون الجوي.'
شعلة واحدة هنا وهناك بمرور الوقت ليس لها تأثير كبير. لكن العديد من الأقزام الحمراء تظهر اشتعالًا متكررًا وطويل الأمد.
انطباع الفنان عن نجم قزم أحمر متوهج ، يدور حول كوكب خارج المجموعة الشمسية. الائتمان: NASA و ESA و G. Bacon (STScI)
قارنا كيمياء الغلاف الجوي للكواكب التي تعاني من توهجات متكررة مع الكواكب التي لا تعاني من التوهجات. قال هوارد تشين من جامعة نورث وسترن ، المؤلف الأول للدراسة ، إن كيمياء الغلاف الجوي طويلة المدى مختلفة تمامًا. خبر صحفى . 'التوهجات المستمرة تدفع في الواقع تركيبة الغلاف الجوي للكوكب إلى توازن كيميائي جديد.'
كان أحد الأشياء التي نظر إليها الفريق هو الأوزون ، وتأثير التوهجات عليه. هنا على الأرض ، تساعدنا طبقة الأوزون على حمايتنا من أشعة الشمس فوق البنفسجية. لكن نشاط الاحتراق الشديد على الأقزام الحمراء يمكن أن يدمر طبقة الأوزون في الغلاف الجوي للكواكب التي تدور حولها. عندما تنخفض مستويات الأوزون ، يكون الكوكب أقل حماية من الأشعة فوق البنفسجية القادمة من نجمه. يمكن للأشعة فوق البنفسجية القوية أن تقلل من إمكانية الحياة.
استخدم الفريق في دراستهم نماذج للمساعدة في فهم الاحتراق وتأثيراته على الغلاف الجوي للكواكب الخارجية. لقد استخدموا بيانات مشتعلة من TESS (قمر مسح الكواكب الخارجية العابرة) التابع لناسا وبيانات مناخية طويلة المدى للكواكب الخارجية من دراسات أخرى. وجدوا بعض الحالات التي يستمر فيها الأوزون ، على الرغم من الاشتعال.
أضاف دانييل هورتون ، كبير مؤلفي الدراسة: 'لقد وجدنا أن التوهجات النجمية قد لا تمنع وجود الحياة'. 'في بعض الحالات ، لا يؤدي الاشتعال إلى تآكل كل طبقة الأوزون في الغلاف الجوي. قد لا تزال هناك فرصة للقتال في الحياة السطحية '.
يوضح هذا الشكل من الدراسة الملامح العمودية العالمية لأنواع الغلاف الجوي على كوكب محاكى حول نجم من النوع G يشبه الشمس. من اليسار إلى اليمين نسب الخلط للأوزون وأكسيد النيتروز وحمض النيتريك وبخار الماء. حقوق الصورة: Chen et al، 2020.
الكواكب التي يمكن أن تدعم الحياة ، على الأقل من المحتمل أن تكون في موقف صعب. يجب أن يكونوا قريبين بدرجة كافية من نجومهم لمنع المياه من التجمد ، ولكن ليس قريبًا جدًا أو يكون الجو حارًا جدًا. لكن هذه الرقصة مع التقارب يمكن أن تعرضهم للانفجارات القوية.
الأقزام الحمراء أصغر حجمًا وأكثر برودة من شمسنا ، وهذا يعني أن المنطقة الصالحة للسكن لأي كواكب تدور حولها أصغر وأقرب بكثير إلى النجم من الأرض إلى الشمس. هذا لا يعرضهم فقط للتوهجات ولكنه يؤدي إلى انغلاق المد والجزر على الكواكب. قد يكون الجمع بين الاشتعال وانغلاق المد والجزر ضارًا بآفاق الحياة. يولد دوران الأرض غلافها المغناطيسي الواقي ، لكن الكواكب المنغلقة على المد والجزر لا يمكنها توليد واحد وهي غير محمية إلى حد كبير من الأشعة فوق البنفسجية النجمية.
قال هورتون: 'لقد درسنا الكواكب التي تدور في مناطق صالحة للسكن من النجوم القزمية M و K - وهي النجوم الأكثر شيوعًا في الكون'. المناطق الصالحة للسكن حول هذه النجوم أضيق لأن النجوم أصغر وأقل قوة من النجوم مثل شمسنا. على الجانب الآخر ، يُعتقد أن للنجوم القزمية M و K نشاط اشتعال متكرر أكثر من شمسنا ، ومن غير المرجح أن تحتوي كواكبها المقفلة تدريجيًا على مجالات مغناطيسية تساعد على تشتيت الرياح النجمية '.
يوضح هذا الشكل من الدراسة كيف يمكن للاشتعال النجمي المتكرر أن يغير غازات الغلاف الجوي في كوكب يشبه الأرض حول نجم شبيه بالشمس. حقوق الصورة: Chen et al، 2020.
هناك جانب أكثر إيجابية لهذه الدراسة أيضًا. وجد الفريق أن نشاط الاحتراق يمكن أن يساعد في الواقع في البحث عن الحياة. يمكن أن تسهل التوهجات اكتشاف بعض الغازات التي تعتبر مؤشرات حيوية. في هذه الحالة ، وجدوا أن الطاقة الناتجة عن الاحتراق يمكن أن تسلط الضوء على وجود غازات مثل حمض النيتريك وثاني أكسيد النيتروز وأكسيد النيتروز ، والتي يمكن أن تكون جميعها مؤشرات على العمليات الحية.
يوضح هذا الشكل من الدراسة كيف يمكن أن يؤثر التوهج النجمي المتكرر على كيمياء الغلاف الجوي على كوكب يشبه الأرض حول نجم من النوع K. لاحظ المستويات المرتفعة من NO القابل للاكتشاف ، وهو علامة بيولوجية محتملة. حقوق الصورة: Chen et al، 2020.
قال تشين: 'يُنظر عادةً إلى أحداث الطقس في الفضاء على أنها ضارة بصلاحية السكن'. 'لكن دراستنا أظهرت من الناحية الكمية أن بعض طقس الفضاء يمكن أن يساعدنا في الواقع في اكتشاف إشارات الغازات المهمة التي قد تشير إلى العمليات البيولوجية.'
لكن البعض فقط. في حالات أخرى ، أظهر عملهم أن الاشتعال يمكن أن يدمر البصمات الحيوية المحتملة من الحياة الخالية من الأكسجين. 'على الرغم من أننا نبلغ عن التأثيرات ثلاثية الأبعاد للانفجارات النجمية على الغلاف الجوي المؤكسد ، إلا أن التوهجات القوية يمكن أن يكون لها تأثيرات أخرى غير متوقعة على الغلاف الجوي مع تقليل الظروف. على سبيل المثال ، يمكن لأنواع أكسيد الهيدروجين المشتقة من التوهجات النجمية أن تدمر البصمات الحيوية الرئيسية لنقص الأكسجين مثل الميثان وثنائي ميثيل كبريتيد وكبريتيد الكربونيل ، وبالتالي قمع خصائصها الطيفية '، حسبما أفاد المؤلفون.
هناك نتيجة أخرى مثيرة للاهتمام لهذه الدراسة تتعلق بالأغلفة المغناطيسية للكواكب الخارجية. وجدوا أن hyperflares قد تساعد في الكشف عن طبيعة ومدى الأغلفة المغناطيسية. 'بشكل أكثر تخمينًا ، قد تكشف أحداث البروتون أثناء التعرق المفرط عن وجود مجالات مغناطيسية على مستوى الكواكب من خلال تسليط الضوء على مناطق معينة من الكوكب. من خلال تحديد بصمات تدفق النيتروجين أو أكسيد الهيدروجين أثناء العواصف المغناطيسية و / أو أحداث هطول الأمطار الشفقية ، قد يكون المرء قادرًا على تحديد المدى الهندسي للأغلفة المغناطيسية للكواكب الخارجية '.
قد يساعدنا Hyperflares في فهم مدى الكواكب المغناطيسية خارج المجموعة الشمسية من خلال تحديد مدى بصمات تدفق أكسيد النيتروجين. حقوق الصورة: Chen et al، 2020.
أشارت أبحاث أخرى حديثة إلى أن الكواكب الخارجية المعرضة للاشتعال ، خاصة حول النجوم القزمة الحمراء ، ليست مواقع رائعة للبحث عن الحياة. نشاط الاحتراق ضار للغاية. لكن هذه الدراسة تظهر أن الوضع أكثر تعقيدًا.
بشكل عام ، يُظهر أن الاشتعال يمكن أن يساعدنا في اكتشاف البصمات الحيوية في بعض الحالات. كما يُظهر أنه في حين أن الاشتعال يمكن أن يعطل الغلاف الجوي للكواكب الخارجية ، إلا أنها تعود في كثير من الحالات إلى وضعها الطبيعي. إنها حقيقة أيضًا أن النجوم منخفضة الكتلة تعيش أطول بكثير من النجوم مثل شمسنا ، مما يعني أن هناك المزيد من الوقت لتتطور الحياة على كواكبها.
يسلط هذا العمل الجديد الضوء على مدى تعقيد البحث عن الحياة ، وعدد المتغيرات المتضمنة. ويحتوي على مفاجأة واحدة على الأقل. في حين تم اعتبار الاحتراق ضارًا إلى حد كبير بصلاحية الكواكب الخارجية ، فإن حقيقة أنه قد يساعد في اكتشاف البصمات الحيوية تعني أن هناك المزيد مما هو متوقع.
انطباع الفنان عن الكواكب الخارجية الصخرية التي تدور حول Gliese 832 ، وهو نجم قزم أحمر على بعد 16 سنة ضوئية فقط من الأرض. اكتشفنا العديد من الكواكب الخارجية الشبيهة بالأرض التي تدور حول نجوم قزمة حمراء. الائتمان: ESO / M. كورنميسر / ن. Risinger (skysurvey.org).
تطلب هذا البحث تعاونًا من العلماء عبر العديد من التخصصات. اعتمدت على علماء المناخ وعلماء الفلك والمراقبين والمنظرين ، وبالطبع علماء الكواكب الخارجية.
'كان هذا المشروع نتيجة جهد جماعي رائع ، | قال إيريك تي وولف ، عالم الكواكب في جامعة كولورادو بولدر والمؤلف المشارك للدراسة. | يسلط عملنا الضوء على فوائد الجهود متعددة التخصصات عند التحقيق في الظروف على الكواكب خارج المجموعة الشمسية
