مدل‌سازی سه‌بُعدی اقلیمی به جستجو حیات در سیارات فراخورشیدی کمک می‌کند!

“آیا ما تنها هستیم؟”

سیاره در حال گردش به دور ستاره کتوله سرخ:مفهوم‌سازی یک هنرمند، سیار‌ه‌ای فرضی با دو قمر را نشان می‌دهد که در منطقه قابل سکونت یک ستاره کتوله سرخ در گردش است.

امتیاز تصویر: ناسا / مرکز اختر-فیزیک هاروارد-اسمیتسونیان / د. آگیلار

اولین مطالعه به منظور ترکیب شیمی و مدل‌سازی سه‌بُعدی اقلیمی سیاره‌های کتوله M را مورد بررسی قرار می‌دهد. این اولین مطالعه‌ای است که شیمی سه‌بُعدی را برای درک چگونگی گرم‌کردن یا خنک کردن جَو یک سیاره سنگی، توسط تابش یک ستاره بکار می‌بندد. اطلاعات بدست آمده به اختر‌شناسان کمک خواهد کرد تا بدانند کجا را برای یافتن حیات جستجو کنند. محققان دریافتند که تنها سیاره‌هایی که به دور ستاره‌های فعال در گردش هستند آب زیادی در اثر تبخیر از دست می‌دهند. برخی سیاره‌های فراخورشیدی، که قبلا تصور میشد قابل سکونت باشند، بیش از آنکه بتوانند حیات را حفظ کنند تابش فرابنفش دریافت می‌کنند.

به منظور جستجو برای حیات در فضا، اختر‌شناسان اول باید بدانند کجا را جستجو کنند. یک مطالعه جدید دانشگاه نورث‌وسترن به اخترشناسان کمک خواهد کرد جستجوی خود را محدودتر کنند. این تیم تحقیقاتی اولین گروهی است که مدل‌سازی سه بعدی اقلیمی را با شیمی جَو برای کشف قابلیت سکونت سیارات اطراف ستاره‌های کوتوله M ، که حدود ۷۰ درصد از کل جمعیت کهکشانی را تشکیل می‌دهند، ترکیب می‌کند. با استفاده از این ابزار، محققان با در نظر گرفتن تابش ستاره و سرعت چرخش سیاره، شرایطی را که یک سیاره را قابل سکونت می کند، بازتعریف کرده‌اند.

در میان یافته‌های خود، تیم نورث‌وسترن با همکاری محققان دانشگاه کلرادو بولدر، آزمایشگاه سیاره مجازی ناسا و موسسه فناوری ماساچوست، کشف کردند که فقط سیارات فراخورشیدی‌ای که به دور ستارگان فعال می‌چرخند – آنهایی که پرتوهای فرابنفش (UV) زیادی ساطع می‌کنند – آب زیادی در اثر تبخیر از دست می‌دهند. سیارات اطراف ستارگان غیرفعال یا ساکت، بیشتر احتمال دارد که آبِ مایعِ حافظ حیات را در خود نگه دارند. محققان همچنین دریافتند که سیارات با لایه‌های نازک ازن، که دمای سطح قابل سکونت دارند، سطوح خطرناکی از مقادیر UV دریافت می‌کنند که آنها را برای زندگی  پیچیده بر روی سیاره خطرناک می‌کند.

هاوارد چِن از نورث‌وسترن، نویسنده اول این مطالعه، گفت: «در بیشتر تاریخ بشر، این سؤال که آیا زندگی در جای دیگری وجود دارد یا خیر، فقط به قلمرو فلسفی تعلق داشته است. تنها در سال‌های اخیر است که ما ابزارهای مدل‌سازی و فناوری رصدی برای پرداختن به این سوال را در اختیار داشته‌ایم”. دانیل هورتون، نویسنده ارشد این مطالعه افزود: «با این حال، ستاره‌ها و سیارات زیادی در فضا وجود دارند! بدین معنا که اهداف مطالعاتی ما فراوان هستند. مطالعه ما می‌تواند به محدود کردن تعداد موقعیت‌هایی که باید تلسکوپ‌هایمان را برای جستجو بکار ببندیم، کمک خواهد کرد”.

“منطقه طلایی”

برای حفظ حیات پیچیده، سیارات باید بتوانند آب مایع را حفظ کنند. اگر سیاره ای بیش از حد به ستاره خود نزدیک باشد، آب به طور کامل تبخیر می‌شود. اگر سیاره‌ای از ستاره‌اش خیلی دور باشد، آب یخ می‌زند و اثر گلخانه‌ای نمی‌تواند سطح را به اندازه کافی برای حیات گرم نگه دارد. این منطقه طلایی، «منطقه قابل سکونت دور ستاره‌ای» نامیده می‌شود، اصطلاحی که توسط پروفسور جیمز کاستینگ از دانشگاه ایالتی پِن ابداع شده است.

محققان در تلاش بوده اند تا دریابند که سیاره برای نگهداری آب مایع چقدر باید نزدیک ستاره خود باشد. به عبارت دیگر، آنها به دنبال “لبه داخلی” منطقه قابل سکونت هستند. چِن توضیح داد: “لبه داخلی منظومه شمسی ما بین زهره و زمین است! زهره، برخلاف زمین قابل سکونت نیست”. هورتون و چِن به دنبال ورای منظومه شمسی خودمان هستند، تا مناطق قابل سکونت در منظومه‌های ستاره‌ای کوتوله M را مشخص کنند. از آنجایی که سیارات کوتوله M بسیار زیاد هستند و یافتن و بررسی آنها آسان تر است، به عنوان پیشرو جستجوی سیارات قابل سکونت پدیدار شده‌اند. آنها نام خود را از ستاره‌های کوچک، خنک و کم نوری که به دور آنها می‌چرخند، به نام کوتوله های M یا “کوتوله های قرمز” گرفته‌اند.

“شیمی حیاتی”

محققان دیگر جَو سیارات کوتوله M را با استفاده از مدل‌های اقلیمی جهانی یک بعدی و سه بعدی مشخص کرده‌اند. این مدل‌ها همچنین در زمین برای درک بهتر آب و هوا و تغییرات اقلیمی استفاده می‌شوند. با این حال، مطالعات سه بعدی قبلی درباره سیارات فراخورشیدی سنگی، چیز مهمی را از قلم انداخته است: شیمی.

هورتون و چِن با ترکیب مدل‌سازی سه بعدی اقلیمی با فتوشیمی و شیمی جَوی، تصویر کامل‌تری از نحوه تعامل پرتوهای فرابنفش ستاره با گازها، از جمله بخار آب و ازن، در جَو سیاره ایجاد کردند. آنها در شبیه‌سازی‌های خود دریافتند که تشعشعات یک ستاره در “قابل سکونت بودن یا نبودن” یک سیاره نقش تعیین کننده‌ای دارد. به طور خاص، آنها کشف کردند که سیاراتی که به دور ستارگان فعال می‌چرخند، در معرض از دست دادن مقادیر قابل توجهی آب به علت تبخیر هستند. این در تضاد کامل با تحقیقات قبلی با استفاده از مدل‌های اقلیمی بدون فوتوشیمی فعال است.

این تیم همچنین دریافت که بسیاری از سیارات در منطقه قابل سکونت دور ستاره‌ای به علت لایه‌های نازک اُزن نمی‌توانند حیات را حفظ کنند. علیرغم وجود دمای سطحی قابل سکونت، لایه های اُزن این سیارات اجازه می‌دهد تا اشعه ماوراء بنفش بیش از حد از آن عبور کرده و به سطح سیاره نفوذ کند. سطح تابش برای زندگی بر روی سیاره خطرناک است.

چِن گفت: “فتوشیمی سه بعدی نقش اساسی دارد، زیرا گرمایش یا سرمایش را فراهم می‌کند که می تواند بر ترمودینامیک و احتمالا ترکیب جَوی یک منظومه سیاره‌ای تاثیر بگذارد. این نوع مدل‌ها حقیقتا در ادبیات سیارات فراخورشیدی برای مطالعه سیارات سنگی استفاده نشده‌اند، زیرا از نظر اقتصادی بسیار گران هستند. سایر مدل‌های فتوشیمیایی که سیارات بسیار بزرگ‌تری را مورد مطالعه قرار می‌دهند، مانند غول‌های گازی و مشتری داغ، نشان می‌دهند که نمی‌توان در بررسی اقلیم از شیمی غافل شد”.

هورتون گفت: “انطباق این مدل‌ها نیز دشوار بوده است، زیرا آنها در ابتدا برای شرایط زمینی طراحی شده بودند. تغییر شرایط مرزی و همچنان، اجرای موفقیت آمیز مدل‌ها چالش برانگیز بوده است”.

“آیا ما تنها هستیم؟”

هورتون و چِن بر این باورند که این اطلاعات به اخترشناسان رصدی در جستجوی حیات در خارج از سیاره زمین کمک خواهد کرد. ابزارهایی مانند تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ فضایی جیمز وب، توانایی تشخیص بخار آب و اُزن در سیارات فراخورشیدی را دارند. آنها فقط نیاز دارند که بدانند کجا را جستجو کنند.

چِن گفت: “آیا ما تنها هستیم؟” یکی از بزرگترین سوالات بی‌پاسخ است. “اگر بتوانیم پیش‌بینی کنیم که کدام سیارات بیشتر میزبان حیات هستند، سپس ممکن است به پاسخ این پرسش در طول عمرمان دست یابیم”.

{ هورتون و چن هر دو عضو CIERA (مرکز تحقیقات میان رشته‌ای و اکتشافی در اختر-فیزیک) هستند}

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *