روش جدید برای تشخیص اکسیژن در اتسمفر  سیارات فراخورشیدی

در سالهای اخیر، اخترشناسان به جستجوی حیات یا نشانه‌های زندگی در اتمسفر سیارات فراخورشیدی دور اندیشیده‌اند. آیا تلسکوپ فضایی جیمز وب – پرتاب به فضا در سال 2021 – قادر به کشف آنها خواهد بود؟ روش جدید، این موضوع را تایید می‌کند.

تکنیک جدید محققان مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا می‌تواند به تلسکوپ فضایی آینده جیمز وب کمک کند تا اکسیژن موجود در اتمسفر سیاره فراخورشیدی را سریعتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، پیدا کند. این امر به جستجوی حیات بیگانه سرعت می‌بخشد.

حدود 21٪ اتمسفر زمین از اکسیژن تشکیل شده است. در سیاره ما، اکسیژن توسط موجودات زنده از جمله گیاهان، جلبکها و سیانوباکتریها تولید میشود. اگر ما می‌توانیم اکسیژن موجود در اتمسفر سیارات فراخورشیدی را تشخیص دهیم، ممکن است سرنخ این باشد که چیزی در آنجا زندگی می‌کرده است. تصویر از  Shutterstock / The Conversation.

تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا در اوایل سال 2021 پرتابش برنامه‌ریزی شده است. این تلسکوپ جانشین هابل خواهد بود و یک ابزار جدید قدرتمند در جستجو و مطالعه سیارات فراخورشیدی – جهان‌هایی که در حال چرخش به دور ستاره‌های دیگر هستند – می‌باشد، به ویژه سیاراتی که ممکن است بتوانند از زندگی پشتیبانی کنند. محققان اکنون می‌گویند که آنها تکنیک جدیدی را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند به دانشمندان کمک کند از تلسکوپ وب استفاده کنند تا بتواند ردپای احتمالی زندگی بیگانه – اکسیژن، در اتمسفر جهان دورافتاده – را با کارآیی بیشتر از آنچه قبلا پیش بینی شده بود، کشف کند.

محققان، از مرکز پرواز فضایی گادارد ناسا، اعلام كردند كه در هنگام برخورد با مولكولهای اکسیژن،  تلسكوپ جیمزوب قادر به شناسایی سیگنال منحصر به فرد است. اگر این سیگنال در اتسمفر سیارات فراخورشیدی یافت شود، نشانه قوی از وجود اکسیژن و احتمالاً زندگی در سطح سیاره است.

یافته‌های امیدوارکننده بررسی شده در ژورنال Nature Astronomy در 6 ژانویه سال 2020 منتشر شد.

ما در اینجا در جستجوی نشانگرهای زیستی – نشانگرهای فیزیکی حاکی از وجود زندگی – در اتمسفر سیارات فراخورشیدی هستیم. پیش از این تصور می‌شد که اگر  اکسیژن موجود در اتمسفرسیارات فراخورشیدی شبیه به زمین باشد، این اکسیژن توسط تلسکوپ جیزوب قابل کشف نمی‌باشد. همانطور که توماس فوچز در مرکز پرواز فضایی گادارد، نویسنده اصلی این تحقیق جدید توضیح داد:

قبل از کار ما، اکسیژن در سطوح مشابه با کره زمین تصور میشد که با وب غیر قابل کشف است، اما ما یک روش امیدوارکننده برای شناسایی آن در سیستمهای سیاره‌ای نزدیک را شناسایی کردیم. این سیگنال اکسیژن از اوایل دهه 80 از مطالعات جوی زمین شناخته شده است، اما هرگز برای تحقیقات سیارات فراخورشیدی استفاده نشده است.

مفهوم هنری از 3 مورد از 7 سیاره فراخورشیدی زمین‌مانند که در حال چرخش به دور ستاره کوتوله قرمز TRAPPIST-1 هستند. کوتوله‌های قرمز رایج‌ترین ستاره‌های کهکشان ما هستند و تلسکوپ فضایی جیمز وب قادر خواهد بود اکسیژن موجود در اتمسفر این جهانها حداقل آنهایی که نسبتاً نزدیک هستند را کشف کند. کوتوله‌های قرمز و سیارات فراخورشیدی TRAPPIST-1 حدود 40 سال نوری فاصله دارند. تصویر از  ESO /M. Kornmesser/ Slate.

این روش جدید چیست و محققان چگونه آنرا ابداع كردند؟

آنها بر ایجاد مدلهای رایانه‌ای از اتمسفر سیارات فراخورشیدی در مدار ستاره‌های کوتوله قرمز – متداول‌ترین ستارگان کهکشان راه شیری – و شبیه‌سازی اکسیژن آن جهان متمرکز شدند. از آنجا که کوتوله‌های قرمز تمایل به تبدیل به ستاره‌های فعال با تابش شدید دارند، آنها مطالعه کردند که چگونه پرتوی کوتوله قرمز می‌تواند اتمسفر این سیارات را تحت تأثیر قرار دهد.

سپس آنها شبیه‌سازی کردند که چگونه تغییر رنگ نور ستاره‌ها هنگام عبور سیارات از  جلوی ستارگانشان، از دید ناظر زمینی، تغییر می‌کند.

اکسیژن نیز مانند سایر گازها، رنگهای خاص یا طول موج نور را جذب می‌کند، به ویژه در این مورد در 6.4 میکرومتری، در قسمت مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی. هنگامی که – تحت تأثیر فعالیت کوتوله قرمز آنها – مولکول‌های اکسیژن موجود در هوا در اطراف سیارات فراخورشیدی دور قرار می‌گیرند (یا با یکدیگر یا سایر مولکولهای گازی موجود در اتمسفر سیاره)، مولکول‌های اکسیژن توانایی موقتی در جذب این نور مادون قرمز را دارند.

این سیگنال جذبی است که می‌تواند با ابزارهای موجود در تلسکوپ وب شناسایی شود.

به گفته Geronimo Villanueva، یکی از نویسندگان مقاله: سیگنال‌های اکسیژن دیگری نیز وجود دارد، اما کشف آنها دشوارتر است.

سیگنالهای اکسیژن مشابه در 1.06 و 1.27 میکرومتر وجود دارند و در مطالعات قبلی مورد بحث قرار گرفته است اما اینها با وجود ابرها نسبت به سیگنال 6.4 میکرومتر ضیعفتر می‌شوند.

مقایسه مفهومی دو سیاره فراخورشیدی غنی از اکسیژن، یکی با آب (سمت چپ) و دیگری خشک (راست). تصویر ازNASA/ GSFC/ Friedlander-Griswold

اگر تلسکوپ جیمز وب در نهایت شواهدی برای وجود اکسیژن پیدا کند، یک کشف جالب خواهد بود. با این حال باید به خاطر داشت که کشف اکسیژن به خودی خود لزوماً نشانه اثبات زندگی نیست. روشهای دیگری نیز وجود دارد که اکسیژن می‌تواند در اتمسفر سیاره جمع شود. به عنوان مثال، اگر جو بسیار گرم شود، می‌تواند با بخار آب اشباع شود. اشعه ماوراءبنفش ستاره می‌تواند بخار آب را به هیدروژن اتمی و اکسیژن تجزیه کند. چنین تشخیص‌های مثبت کاذبی هیچ ارتباطی با زندگی نخواهد داشت، اما JWST می‌تواند به از بین بردن این نوع تشخیصها کمک کند.

حتی این سناریو هنوز هم جالب خواهد بود، زیرا می‌تواند نشان دهد که این سیاره دارای تاریخ غنی از آب است. و آب، البته، برای زندگی لازم است، حداقل زندگی‌ای که ما آن را می‌شناسیم. با این حال‌، چنین تشخیصی همچنین نشان می‌دهد كه این سیاره در حال حاضر بخش اعظمی از آب خود را از دست داده است. و اکسیژن بیش از حد نیز می‌تواند بد باشد، راوی کوپاراپو ، نویسنده دیگر این مطلب، گفت:

بسته به این که وب چگونه این سیگنال 6.4 میکرومتر را به راحتی تشخیص دهد، می‌توانیم درباره  احتمال وجود سیاره قابل سکونت، فکر کنیم. اگر وب به سیاره‌ای اشاره کند و این سیگنال 6.4 میکرومتری را با سهولت نسبی تشخیص دهد، این بدان معنی است که اتمسفر این سیاره اکسیژن بسیار متراکمی دارد و ممکن است غیرقابل سکونت باشد.

ادوارد شویترمن، اخترشناس UC Riverside گفت:

اکسیژن یکی از مهیج‌ترین مولکول‌ها است که به دلیل پیوند آن با زندگی می‌توانیم تشخیص دهیم، اما ما نمی‌دانیم که آیا زندگی تنها دلیل اکسیژن در اتمسفر است. این روش به ما امکان می‌دهد اکسیژن را در سیارات زنده و مرده پیدا کنیم.

شویتمن افزود:

این مهم است که بدانیم آیا سیارات مرده به چه میزان اکسیژن در اتمسفر ایجاد می‌کنند، تا بتوانیم بهتر تشخیص دهیم که یک سیاره زنده است یا نه؟!

توماس فوچز در مرکز پرواز فضایی گودارد، نویسنده اصلی این تحقیق جدید. تصویر از ناسا / مرکز پرواز فضایی گودارد.

اگر تلسکوپ فضایی جیمز وب بتواند اکسیژن موجود در اتمسفر سیاره‌ای را پیدا کند که خیلی گرم نبود، یا شواهدی مبنی بر اینکه اکسیژن به صورت غیرقانونی تولید می‌شود (بدون زندگی) – مانند سیاره‌ای شبیه به زمین – این امر بسیار جالب خواهد بود و شواهد آزمایشی قوی مبنی بر وجود سیاره‌ای با برخی اشکال زیست شناسی است.

و این هیجان انگیز خواهد بود.

از تشخیص اکسیژن زیاد می‌توان برای تعیین اینکه آیا سیاره‌ای حتی اصلاً دارای جو است یا نه استفاده کرد. این امر به این دلیل است که سیاراتی که در نزدیکی کوتوله‌های قرمز می‌چرخند می‌توانند با تابش ناشی از فعالیت شدید ستاره ای، اتمسفر خود را کمتر کنند. به گفته فاچز:

این امر مهم است زیرا ستارگان کوتوله M بسیار فعال هستند و فرض بر این است که فعالیت ستاره‌ای ممکن است کل اتمسفر سیاره را “از بین ببرد”. دانستن اینکه آیا سیاره‌ای که در اطراف کوتوله M قرار دارد می‌تواند اصلاً اتمسفری داشته باشد، برای درک تعامل سیاره ـ ستاره در اطراف این ستاره‌های فراوان اما فعال مهم است.

یکی از مهمترین جنبه‌های این تکنیک جدید کشف این مورد است که می‌تواند به تلسکوپ جیمز وب اکسیژن را در یک اتمسفر سیاره‌ای بطور قابل توجهی سریعتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد پیدا کند. البته، هر چه سیاره به ما نزدیکتر باشد، تشخیص آسان‌تر خواهد بود، اما – مانند همه تلسکوپها – وب محدودیت های خود را خواهد داشت.

مفهوم هنری از تلسکوپ فضایی جیمز وب. تصویر از Northrop Grumman / NASA / Flickr.

اگر سیاره ای در حال چرخش به دور یک ستاره کوتوله قرمز دارای اتمسفری شبیه به کره زمین باشد، برای تلسکوپ وب لازم است تا 16 سال نوری فاصله داشته باشد تا اکسیژن را کشف کند. با این وجود این تلسکوپ می‌تواند اکسیژن موجود در اتمسفر متراکم یک سیاره – در اتمسفر و بدون رطوبت باقی مانده – را با فشار 22 برابر زمین، تا 82 سال نوری تشخیص دهد.

پس از پرتاب تلسکوپ فضایی جیمز وب در سال 2021، انتظار می‌رود هر فاز از تاریخ جهان ما، از جمله سیارات فراخورشیدی دوردست، کهکشانها، اولین درخششهای بعد از بیگ بنگ و تکامل منظومه شمسی خود را بررسی کند. جستجوی زندگی در سیارات فراخورشیدی در نزدیکی خورشید ما از جالب‌ترین مطالعات آن خواهد بود. این بسیار جالب خواهد بود که ببینیم وب چکار خواهد کرد؟

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

A new way to detect oxygen in exoplanet atmospheres

Posted by Paul Scott Anderson in SPACE | January 17, 2020

https://earthsky.org/space/new-technique-oxygen-exoplanet-atmospheres-jwst