آیا زیست کره‌های زمین‌مانند نادر هستند؟
مطالعه جدید محققان دانشگاه ناپل در ایتالیا نشان می‌دهد که زیست‌کره‌های بسیار تکامل یافته و زمین‌مانند ممکن است در سیاره‌های فراخورشیدی نادر باشد. بسیاری از ستارگان یا انرژی کافی برای زندگی برای عبور از مرحله اساسی فتوسنتز ساطع نمی‌کنند یا به اندازه کافی زنده نیستند تا زندگی در هر سیاره‌ای که مناسب هست، تکامل یابد.
ایده هنری از Kepler-442b (سمت چپ) در مقابل زمین. این سیاره خارجی سنگی قابل سکونت تقریباً دو برابر جرم زمین است. این تنها دنیایی است که تاکنون پیدا شده است و ممکن است بتواند یک سطح، اتمسفر و هیدروسفر حیاتی مانند زمین را حفظ کند. تصویر از Ph03nix1986 / Wikimedia Commons.
زمین با تنوع شگفت‌انگیز زندگی در منظومه شمسی بی‌نظیر است. اما زیست‌کره زمین – لایه نازکی از جهان ما که زندگی را پشتیبانی می‌کند، در اتمسفر و در اعماق اقیانوس‌ها گسترش می‌یابد- در کهکشان راه شیری چقدر نادر است؟ ستاره‌شناسان اکنون هزاران سیاره فراخورشیدی یا جهانهایی را پیدا می‌کنند که به دور ستاره‌های دور می‌چرخند. آنها تخمین می‌زنند که تنها در کهکشان ما بیلیون‌ها موجود عجیب وجود دارد. مطمئناً کهکشان ما باید سرشار از زندگی باشد. یا آنها؟ محققان دانشگاه ناپل ایتالیا خلاف این را مطرح می‌کنند. مطالعه جدید آنها نشان می‌دهد که زیست‌کره‌های زمین‌مانند سیارات فراخورشیدی که احتمالاً قابل سکونت هستند، نادر است.
زیست‌کره‌های زمین‌مانند بر پایه اکسیژن
این مطالعه بر روی شرایط زمین‌مانند است که در آن می‌تواند فتوسنتز مبتنی بر اکسیژن ایجاد شود. همانطور که از دنیای خودمان می‌دانیم، این شرایط همچنین می‌تواند زندگی پیچیده‌تری را ایجاد کند. به این فرآیند فتوسنتز اکسیژن گفته می‌شود، جایی که گیاهان روی زمین نور و دی‌اکسیدکربن را به اکسیژن و مواد مغذی تبدیل می‌کنند. همانطور که در مقاله ذکر شده است:
فتوسنتز اکسیژن مهمترین فرآیند بیوشیمیایی در زیست‌کره زمین است و با توجه به در دسترس بودن عمومی مواد شیمیایی ورودی آن و نور به عنوان منبع انرژی، در سایر سیارات قابل سکونت روی زمین بسیار شایع است. بنابراین ارزیابی امکان موثر فتوسنتز اکسیژنیک در سیارات اطراف ستاره‌ها به عنوان تابعی از نوع طیفی آنها و جدایی سیاره-ستاره مهم است.
این تصویر فهرست فعلی سیاره‌های فراخورشیدی است که به احتمال زیاد قابل سکونت است، از کاتالوگ سیارات فراخورشیدی قابل سکونت (مجموع همه سیارات فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت 60 عدد است). در حال حاضر تصور می‌شود که فقط کپلر -442b احتمالاً انرژی کافی از ستاره خود را برای یک زیست‌کره زمین‌مانند دریافت می‌کند. تصویر توسط آزمایشگاه زیست‌پذیری سیاره‌ای / دانشگاه پورتوریکو آرسیبو.
تابش ستاره‌ای کافی نیست
اما فتوسنتز چقدر راحت می‌تواند در دیگر جهان‌های قابل سکونت رخ دهد؟ همه اینها به میزان تابش ستاره‌ای – به نام تابش فعال فتوسنتزی (PAR) – مربوط می‌شود که این سیاره از ستاره خود دریافت می‌کند. اگر تابش بسیار کم باشد، شروع فتوسنتز بسیار دشوارتر می‌شود. از مقاله:
ما در تخمین شار فوتون، اکسرژی و کارایی گزاف تابش در محدوده طول موج مفید برای فتوسنتز اکسیژن به عنوان تابعی از دمای موثر ستاره میزبان و جدایی سیاره-ستاره هدف داریم. ما این مقادیر را به صورت تحلیلی محاسبه می‌کنیم و نتایج خود را با برآورد برای نمونه کوچکی از سیارات شناخته شده مانند زمین مقایسه می‌کنیم و متوجه می‌شویم که اکسرژی عملکرد فزاینده‌ای از درجه حرارت موثر ستاره است (در محدوده 2600-7200 K [2300-7000 سانتیگراد یا 3700-12،500 فارنهایت]). هم به جدایی ستاره و سیاره و هم به دمای موثر ستاره بستگی دارد. کره‌های زیستی در سیاره‌های فراخورشیدی در اطراف ستاره‌های خنک ممکن است به طور کلی از نظر نور محدود باشند. تاکنون، ما سیارات زمین‌مانند قابل مقایسه با زمین را از نظر شار فوتون مفید، اکسرژی و کارایی گمشده مشاهده نکرده‌ایم.
اکسرژی اصطلاحی ترمودینامیکی است و به بیشینه کار مفیدی گفته می‌شود که در یک فرایندِ رسیدن به تبادل ترمودینامیکی می‌توان از سامانه دریافت کرد.
مطالعه جدید توسط جیووانی کوونه در دانشگاه ناپل ایتالیا انجام شد. تصویر از INFN.
این سیاره باید تابش ستاره‌ای کافی برای موجودات زنده دریافت کند تا بتواند به طور موثر مواد مغذی و اکسیژن مولکولی تولید کند. ستاره‌هایی که تقریباً نیمی از دمای خورشید را دارند، تابش کافی ایجاد نمی‌کنند. هنوز می‌توان فتوسنتز روی سیاره‌هایی را که به دور چنین ستاره‌هایی می‌چرخند، مشاهده کرد، اما رشد زیست‌کره محدود خواهد شد.
ستاره‌های خنک و گرم نیز مشکلاتی دارند
چشم‌انداز زیست‌کره‌های پر جنب و جوش برای ستاره‌های کوتوله قرمز که فقط حدود یک سوم خورشید ما گرم هستند، بیشتر تاریک می‌شود. در این سناریو، تابش ستاره‌ای کافی برای حتی فتوسنتز برای شروع وجود ندارد. به گفته جیووانی کوونه از دانشگاه ناپل، نویسنده اصلی این تحقیق:
از آنجا که کوتوله‌های قرمز تا حد زیادی رایج‌ترین نوع ستاره در کهکشان ما هستند، این نتیجه نشان می‌دهد که شرایط زمین‌مانند برای سایر سیارات ممکن است بسیار کمتر از آنچه که انتظار داریم باشد.
ستاره‌هایی که از خورشید گرمتر هستند، تابش موردنیاز زیادی تولید می‌کنند، اما به اندازه خورشید زندگی نمی‌کنند. بنابراین این مدت زمان موجود برای زندگی را برای تکامل در هر سیاره محدود می‌کند.
دنیای مناسب برای زیست‌کره‌های زمین‌مانند ممکن است بسیار کم باشد
در حال حاضر، دانشمندان فقط یک سیاره فراخورشیدی قابل سکونت را می‌شناسند که نزدیک به دریافت تابش ستاره‌ای کافی می‌باشد: Kepler-442b. جرم این سیاره تقریباً دو برابر زمین است و از ما 1200 سال نوری فاصله دارد. این سیاره از سیارات فراخورشیدی سنگی و بالقوه قابل‌سکونت است که تاکنون (60 عدد فعلا) پیدا شده است. با این حال، باید توجه داشت که با پیشرفت فناوری در یافتن آنها، انتظار می‌رود دنیای سنگی بیشتری مانند اینها کشف شود. در بیشتر موارد، کشف سیارات بزرگتر از نوع غول‌پیکر هنوز آسانتر است.
زمین به دلیل تأمین انرژی کافی از خورشید برای پشتیبانی از فتوسنتز و فرآیندهای پیشرفته زندگی، از یک زیست‌کره غنی و متنوع برخوردار است. تصویر از طریق دائره‌المعارف بریتانیکا.
کوونه اضافه کرد:
این مطالعه محدودیت‌های شدیدی در فضای پارامترها برای زندگی پیچیده ایجاد می‌کند، بنابراین متأسفانه به نظر می‌رسد که “نقطه شیرین” برای میزبانی یک زیست‌کره غنی مانند زمین چندان گسترده نیست.
انواع دیگر زیست‌کره
نتایج کلی حاکی از آن است که سیاره‌هایی که قادر به حفظ زیست‌کره‌های شبیه زمین هستند ممکن است بسیار کم باشند. البته این براساس زندگی و آنچه است که در مورد چگونگی تکامل حیات بر روی زمین و نقش فتوسنتز می‌دانیم. با این حال، ممکن است زیست‌کره‌های بیگانه‌ای وجود داشته باشند که به ما شباهت ندارند. ممکن است مواردی وجود داشته باشد که از روشهای فتوسنتز به روشهایی که در سیاره ما یافت نمی‌شود استفاده کنند و یا اینکه به هیچ وجه از فتوسنتز استفاده نکنند.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Are Earth-Like Biospheres Rare?
Posted by Paul Scott Anderson July 8, 2021
https://earthsky.org/space/earth-like-biospheres-exoplanets/