عند البحث عن احتمالية للسكن الكواكب الخارجية ، أحد أهم الأشياء التي يبحث عنها علماء الفلك هو ما إذا كانت الكواكب المرشحة خارج المجموعة الشمسية تدور داخل مدار نجومهم أم لا منطقة صالحة للسكنى . هذا ضروري لوجود الماء السائل على سطح الكوكب ، وهذا بدوره شرط أساسي للحياة كما نعرفها. ومع ذلك ، أثناء اكتشاف كواكب خارجية جديدة ، أصبح العلماء على دراية بحالة قصوى تُعرف باسم ' عوالم المياه '.
عوالم المياه هي في الأساس كواكب تصل كتلتها إلى 50٪ من الماء ، مما ينتج عنه محيطات سطحية يمكن أن يصل عمقها إلى مئات الكيلومترات. وفقا ل دراسة جديدة من قبل فريق من علماء الفيزياء الفلكية من برينستون وجامعة ميتشجان وهارفارد ، قد لا تتمكن عوالم المياه من التمسك بمياهها لفترة طويلة جدًا. يمكن أن تكون هذه النتائج ذات أهمية كبيرة عندما يتعلق الأمر بالبحث عن كواكب صالحة للسكن في عنقنا في الكون.
هذه أحدث دراسة بعنوان ' جفاف عوالم المياه عن طريق الخسائر الجوية '، ظهر مؤخرًا في مجلة The Astrophysical Journal Letters. بقيادة تشوانفي دونغ من قسم علوم الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون ، أجرى الفريق عمليات محاكاة حاسوبية أخذت في الاعتبار نوع الظروف التي ستخضع لها عوالم المياه.
انطباع الفنان عن الكوكب الذي يدور حول نجم قزم أحمر. الائتمان: ESO / M. كورنميسر
كانت هذه الدراسة مدفوعة إلى حد كبير بعدد اكتشافات الكواكب الخارجية التي تم إجراؤها حول أنظمة النجوم منخفضة الكتلة من النوع M (القزم الأحمر) في السنوات الأخيرة. تم العثور على هذه الكواكب لتكون قابلة للمقارنة في الحجم مع الأرض - مما يشير إلى أنها كانت على الأرجح أرضية (أي صخرية). بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من هذه الكواكب - مثل التالي ب وثلاثة كواكب داخل ترابيست -1 النظام - وجد أنه يدور داخل مناطق النجوم الصالحة للسكن.
ومع ذلك ، أشارت الدراسات اللاحقة ذلك التالي ب وغيرها الكواكب الصخرية يمكن أن تكون النجوم القزمة الحمراء التي تدور حول العالم في الواقع عوالم مائية. استند هذا إلى تقديرات الكتلة التي تم الحصول عليها من خلال المسوحات الفلكية ، والافتراضات الداخلية بأن هذه الكواكب كانت صخرية بطبيعتها وليس لها أغلفة جوية ضخمة. في الوقت نفسه ، تم إنتاج العديد من الدراسات التي ألقت بظلال من الشك على ما إذا كانت هذه الكواكب ستكون قادرة على الاحتفاظ بمياهها أم لا.
في الأساس ، كل ذلك يعود إلى نوع النجم والمعلمات المدارية للكواكب. بينما تُعرف النجوم القزمة الحمراء طويلة العمر بأنها متغيرة وغير مستقرة مقارنة بشمسنا ، مما ينتج عنه اشتعال دورية من شأنه أن يجرد الغلاف الجوي للكوكب بمرور الوقت. علاوة على ذلك ، من المحتمل أن تكون الكواكب التي تدور حول المنطقة الصالحة للسكن للقزم الأحمر مقفلة بالمدّ ، مما يعني أن جانبًا واحدًا من الكوكب سيتعرض باستمرار لإشعاع النجم.
لهذا السبب ، يركز العلماء على تحديد مدى قدرة الكواكب الخارجية في الأنواع المختلفة من الأنظمة النجمية على التمسك بغلافها الجوي. كما قال الدكتور دونغ لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:
'من العدل أن نقول إن وجود الغلاف الجوي يُنظر إليه على أنه أحد متطلبات قابلية الكوكب للسكن. بعد قولي هذا ، فإن مفهوم القابلية للسكن هو مفهوم معقد يحتوي على عدد لا يحصى من العوامل. وبالتالي ، فإن الغلاف الجوي في حد ذاته لن يكون كافيًا لضمان قابلية السكن ، ولكن يمكن اعتباره مكونًا مهمًا لكوكب ما ليكون صالحًا للسكن '.
رسم توضيحي يوضح السطح المحتمل لـ TRAPPIST-1f ، أحد الكواكب المكتشفة حديثًا في نظام TRAPPIST-1. المصدر: NASA / JPL-Caltech
لاختبار ما إذا كان العالم المائي قادرًا على التمسك بغلافه الجوي أم لا ، أجرى الفريق عمليات محاكاة حاسوبية أخذت في الاعتبار مجموعة متنوعة من السيناريوهات المحتملة. وشملت هذه تأثيرات المجالات المغناطيسية النجمية ، والانبعاثات الكتلية الإكليلية ، وتأين الغلاف الجوي وطرده لأنواع مختلفة من النجوم - بما في ذلك النجوم من النوع G (مثل شمسنا) والنجوم من النوع M (مثل Proxima Centauri و TRAPPIST-1).
مع أخذ هذه التأثيرات في الحسبان ، استنبط الدكتور دونغ وزملاؤه نموذجًا شاملاً يحاكي المدة التي ستستمر فيها الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية. كما أوضحها:
'قمنا بتطوير نموذج جديد متعدد السوائل مغناطيسي هيدروديناميكي. قام النموذج بمحاكاة كل من الغلاف المتأين والغلاف المغناطيسي ككل. نظرًا لوجود مجال مغناطيسي ثنائي القطب ، لا تستطيع الرياح النجمية أن تكتسح الغلاف الجوي مباشرةً (مثل المريخ بسبب عدم وجود مجال مغناطيسي ثنائي القطب عالمي) ، وبدلاً من ذلك ، كان فقدان الأيونات في الغلاف الجوي ناتجًا عن الرياح القطبية.
'الإلكترونات أقل كتلة من الأيونات الأم ، ونتيجة لذلك ، يتم تسريعها بسهولة أكبر لتصل إلى سرعة الهروب من الكوكب وتتجاوزها. يُنشئ فصل الشحنة هذا بين الإلكترونات الهاربة والإلكترونات منخفضة الكتلة والأيونات الأثقل بشكل ملحوظ ذات الشحنة الموجبة مجالًا كهربائيًا للاستقطاب. هذا المجال الكهربائي ، بدوره ، يعمل على سحب الأيونات الموجبة الشحنة على طول خلف الإلكترونات الهاربة ، خارج الغلاف الجوي في الأغطية القطبية '.
انطباع الفنان عن المنظر من أبعد كوكب خارجي تم اكتشافه حول النجم القزم الأحمر TRAPPIST-1. الائتمان: ESO / M. كورنميسر.
ما وجدوه هو أن عمليات المحاكاة الحاسوبية كانت متوافقة مع نظام الأرض والشمس الحالي. ومع ذلك ، في بعض الاحتمالات المتطرفة - مثل الكواكب الخارجية حول النجوم من النوع M - يكون الوضع مختلفًا تمامًا وقد تكون معدلات الهروب أكبر بألف مرة أو أكثر. النتيجة تعني أنه حتى العالم المائي ، إذا كان يدور حول نجم قزم أحمر ، يمكن أن يفقد غلافه الجوي بعد حوالي gigayear (Gyr) ، مليار سنة.
بالنظر إلى أن الحياة كما نعرفها استغرقت حوالي 4.5 مليار سنة لتتطور ، فإن مليار سنة هي نافذة قصيرة نسبيًا. في الواقع ، كما أوضح الدكتور دونغ ، تشير هذه النتائج إلى أن الكواكب التي تدور حول نجوم من النوع M سيكون من الصعب عليها تطوير الحياة:
'تشير نتائجنا إلى أن كواكب المحيط (التي تدور حول نجم شبيه بالشمس) ستحتفظ بغلافها الجوي لفترة أطول بكثير من مقياس Gyr الزمني نظرًا لأن معدلات هروب الأيونات منخفضة جدًا ، وبالتالي ، فإنها تسمح بظهور حياة أطول على هذه الكواكب وتتطور من حيث التعقيد. على النقيض من ذلك ، بالنسبة للكواكب الخارجية التي تدور حول الأقزام M ، يمكن أن تستنفد محيطاتها على مدار مقياس Gyr الزمني بسبب بيئات الجسيمات والإشعاع الأكثر كثافة التي تتعرض لها الكواكب الخارجية في المناطق الصالحة للسكن القريبة. إذا كان الغلاف الجوي سيستنفد على مدى زمني أقل من جير ، فقد يكون هذا مشكلة بالنسبة لأصل الحياة (النشوء التلقائي) على هذا الكوكب '.
مرة أخرى ، تلقي هذه النتائج بظلال من الشك على إمكانية السكن لأنظمة النجوم القزمة الحمراء. في الماضي ، أشار الباحثون إلى أن طول عمر نجوم القزم الحمراء ، والتي يمكن أن تظل في تسلسلها الرئيسي لمدة تصل إلى 10 تريليون سنة أو أكثر ، مما يجعلها أفضل مرشح للعثور على الكواكب الخارجية الصالحة للحياة. ومع ذلك ، يبدو أن استقرار هذه النجوم والطريقة التي من المحتمل أن تجرد بها الكواكب من غلافها الجوي يشير إلى خلاف ذلك.
رسم فنان للكواكب العابرة لنجم قزم أحمر في نظام TRAPPIST-1. الائتمان: NASA / ESA / STScl
لذلك فإن مثل هذه الدراسات مهمة للغاية من حيث أنها تساعد في معالجة المدة التي يمكن أن يظل فيها كوكب يحتمل أن يكون صالحًا للسكن حول نجم قزم أحمر صالحًا للسكن. كما أشار الدكتور دونغ:
'نظرًا لأهمية فقدان الغلاف الجوي على قابلية الكواكب للسكن ، كان هناك قدر كبير من الاهتمام باستخدام التلسكوبات مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي القادم (JWST) لتحديد ما إذا كانت هذه الكواكب لها أغلفة جوية ، وإذا كان الأمر كذلك ، فما هو تكوينها . من المتوقع أن يكون JWST قادرًا على تحديد خصائص هذه الأجواء (إن وجدت) ، ولكن تحديد معدلات الهروب بدقة يتطلب درجة أعلى بكثير من الدقة وقد لا يكون ممكنًا في المستقبل القريب. '
الدراسة مهمة أيضًا فيما يتعلق بفهمنا للنظام الشمسي وتطوره. في وقت من الأوقات ، غامر العلماء بأن كلا من الأرض و كوكب الزهرة ربما كانت عوالم مائية. كيف قاموا بالانتقال من كونهم مائيًا جدًا إلى ما هم عليه اليوم - في حالة كوكب الزهرة ، جاف وجهنمية ؛ وفي حالة الأرض ، فإن وجود قارات متعددة - هو سؤال مهم للغاية.
في المستقبل ، من المتوقع إجراء دراسات استقصائية أكثر تفصيلاً يمكن أن تساعد في إلقاء الضوء على هذه النظريات المتنافسة. عندما تلسكوب جيمس ويب الفضائي تم نشر (JWST) في ربيع 2018 ، وسوف يستخدم قدراته القوية في الأشعة تحت الحمراء لدراسة الكواكب حول الأقزام الحمراء القريبة ، Proxima b هو واحد منهم. ما نتعلمه عن هذا وغيره من الكواكب الخارجية البعيدة سيقطع شوطًا طويلاً نحو إعلامنا بفهمنا لكيفية تطور نظامنا الشمسي أيضًا.
قراءة متعمقة: CfA و رسائل مجلة الفيزياء الفلكية