نقشه راه زندگی بیگانه از «خط ساحلی کیهانی» می‌گذرد

در اواخر دهه 1970، تیتان (Titan)، قمر عجیب زحل، دنیایی نارنجی و غبارآلود، منتظر بازدیدکنندگانی بود - ابتدا، کاوشگر پایونیر 11 ناسا، سپس فضاپیمای دوقلوی وویجر.

اکثر قمرها بدون هوا هستند یا چیزی بیش از پرده های گازی و نازک ندارند. اما تیتان در پتویی از نیتروژن و متان پوشیده شده است، به طوری که فضانوردان با داشتن یک جفت بال و یک شروع دویدن در این قمر یخی، می توانند تنها با تکان دادن بازوهای خود پرواز کنند.

چند سال پس از عبور کاوشگرها از کنار تیتان، کوین زانل (Kevin Zahnle)، دانشمند سیاره‌شناسی در مرکز تحقیقات ایمز ناسا، در حال فکر کردن به جو این قمر بود که ناگهان از خود پرسید سوالی به ظاهر ساده درباره نحوه کار سیارات: "چرا هوا وجود دارد؟"

اکثر دانشمندان فکر می‌کردند که جو اطراف سیارات - و قمرهای عجیبی مانند تیتان - مسئله مواد اولیه است. اگر یک سیاره در حال رشد به اندازه کافی مواد به راحتی تبخیر شونده را می‌بلعید، جو خواهد داشت. در غیر این صورت، نه. دانشمندان همچنین می دانستند که جو به دلیل گرانش به جهان ها می چسبد و کوچکترین جهان ها توانایی نگهداری هوا را ندارند. اما سپس مشاهدات مریخ نشان داد که به طور شگفت انگیزی، آن نیز مقادیر قابل توجهی هوا را از دست داده است.

همانطور که زانل داده ها را از سراسر منظومه شمسی در نظر می گرفت، شروع به این فکر کرد که آیا از دست دادن جو، به جای مواد اولیه، ممکن است تعیین کند که آیا جهان ها هوای خود را حفظ می کنند یا خیر. بنابراین او ده ها جرم منظومه شمسی را روی نمودار ساده‌ای ترسیم کرد که سرعت فرار یک جهان - معیاری برای گرانش آن - را با میزان نور خورشیدی که دریافت می کند، مقایسه می کرد، زیرا جوها در خورشید از بین می روند. این نمودار خطی مرتب را نشان داد که صخره‌ها و گلوله‌های برفی برهنه منظومه شمسی ما را از جهان‌هایی که در گاز پیچیده شده‌اند، جدا می‌کند، مرزی که او آن را خط ساحلی کیهانی نامید. او گفت: "من آگاهانه سعی می کردم تصویری را تداعی کنم که کارل ساگان می توانست ترسیم کند."

در ابتدا، خط ساحلی کیهانی زانل عمدتاً نادیده گرفته شد. او گفت، فرار چندان محبوب نبود - دانشمندان بیشتر بر چگونگی به دست آوردن جو توسط سیارات تمرکز داشتند، نه بر چگونگی از دست دادن آنها. اما دهه‌ها بعد، کشف هزاران جهان فراتر از منظومه شمسی، جان تازه‌ای - و سهام میلیارد دلاری - را به این ایده نادیده گرفته شده دمید. جستجو برای جهان های بیگانه قابل سکونت در جریان است و در نهایت برای نشانه های حیات در جو آنها. برای موفقیت، شکارچیان بیگانه باید سیاراتی با هوا پیدا کنند. و خط ساحلی کیهانی، اگر واقعاً کیهانی باشد و به سایر منظومه های ستاره ای گسترش یابد، می تواند به آنها نشان دهد که از کجا شروع کنند.

دانشمندان اکنون از تلسکوپ فضایی جیمز وب (James Webb Space Telescope) ناسا (JWST) برای آزمایش این مفهوم استفاده می کنند. این فضاپیما قبلاً هوای اطراف سیارات سنگی در حال گردش به دور تعدادی از ستارگان کوچک و خنک را بو کشیده است. این بهار، یک بررسی گسترده از ده ها جهان سنگی دیگر را آغاز خواهد کرد.

کوین استیونسون (Kevin Stevenson)، اخترفیزیکدان در آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جانز هاپکینز، گفت: "این سوال چنان قانع کننده است که به نظر من، همه به نوعی به آن چسبیده اند."

و او گفت، ما در نهایت فناوری لازم برای پاسخ دادن به آن را داریم.

چگونه یک جو را از دست بدهیم

خط ساحلی کیهانی، اگر نام فانتزی خود را از دست بدهد، ممکن است مرزی چندان جالب به نظر نرسد. اما سیارات اجرام بسیار پیچیده و طولانی‌مدتی هستند. سوالات ساده درباره تکامل آنها به طرز شگفت انگیزی عمیق است و پاسخ ها پیامدهای مهمی برای سکونت پذیری و به طور بالقوه برای حیات دارد. از نظر زانل، خط ساحلی یک مرزگاه استعاری است. او گفت: "سیارات دارای جوهای نازک نوعی ساحل یا صخره بین یک اقیانوس عمیق بی جان از جهان های گازی و یک فلات مرده از جهان های بیابانی بدون هوا را تشکیل می دهند."

جوها، طبق تعریف، در قسمت بیرونی سیارات قرار دارند. اما هوایی که در اطراف جهان‌های سنگی پیدا می‌کنیم، احتمالاً به عنوان مواد به راحتی تبخیر شونده در داخل آن‌ها شروع به کار کرده است، قبل از اینکه سیارات جوان و داغ به طور موثری این مواد فرار را از سنگ‌ها بپزند. اگر قرار است سیاره ای از این طریق جو ایجاد کند، این اتفاق به سرعت رخ می دهد، از نظر کیهانی: بیشتر کارها پس از چند صد میلیون سال به پایان می رسد. خط ساحلی زانل به آنچه پس از این پنجره حیاتی باقی مانده است نگاه می کند و بر چگونگی فرار جو، نه مواد اولیه، تمرکز می کند که تعیین می کند آیا گازها موفق به چسبیدن به یک جهان در حال بلوغ می شوند یا خیر.

برای فرار از یک سیاره، یک ذره جوی باید از سرعت بحرانی معروف به سرعت فرار فراتر رود. هر چه کشش گرانشی سیاره بیشتر باشد، اگر ذره ای بخواهد رها شود، باید سریعتر پرواز کند.

یکی از راه‌های افزایش سرعت ذرات بالاتر از سرعت فرار، از طریق نور خورشید است که جوها را گرم می‌کند و احتمال اینکه چند تندرو رها شوند را افزایش می‌دهد. خط ساحلی کیهانی اصلی زانل تعادل بین نور ستاره ورودی و سرعت فرار را به تصویر کشید و از آن رابطه برای تقسیم سیارات بدون هوا و پوشیده از گاز در منظومه شمسی ما استفاده کرد. اما در منظومه شمسی ما، بیش از یک راه برای پوست کندن یک سیاره وجود دارد.

دیوید کاتلینگ (David Catling)، دانشمند سیاره شناسی در دانشگاه واشنگتن، گفت، یک نور خورشید وجود دارد و سپس ضربه های سیاره ای وجود دارد.

اگر به اندازه کافی سخت با یک سیارک یا دنباله دار به سیاره ای ضربه بزنید، این ضربه می تواند به معنای واقعی کلمه تکه هایی از جو آن را منفجر کند. و هر چه سیاره به ستاره خود نزدیکتر باشد، این پرتابه ها به طور متوسط ​​سخت تر ضربه می زنند. وقتی زانل آن عامل ضربه را ترسیم کرد، به همان راحتی می توانست خطی را ترسیم کند که جهان های هوایی و بدون هوا منظومه شمسی را از هم جدا کند.

تا حدی متناقض، او یک مشکل داشت: هر دو خط ساحلی به یک اندازه خوب عمل می کردند. او نمی توانست بگوید کدام فرآیند مهمتر است.

زانل تقریباً یک دهه این مشکل را کنار گذاشت. اما در اواسط دهه 2010، سیارات فراخورشیدی شروع به "باریدن مانند برف" کردند. و با آن مشاهدات جدید، یک فرصت جدید - و یک خط ساحلی جدید - به وجود آمد.

ستاره شناسان اکنون نزدیک به 6000 سیاره را شناسایی کرده اند که به دور انبوهی از خورشیدهای بیگانه می چرخند. برخی حتی امیدوارند از JWST برای توصیف تعدادی از جهان های بیگانه بالقوه قابل سکونت استفاده کنند. اما JWST در ابتدا برای نگاه کردن به سیارات فراخورشیدی طراحی نشده بود، که حتی در زمان تصور آن کشف نشده بودند. و در حل سیارات سنگی و کم نور که به دور ستارگان بزرگتر و درخشان تر می چرخند، مشکل خاصی دارد. جهان هایی مانند زمین.

JWST می تواند سیارات سنگی را در مدارهای معتدل به دور ستارگان کوچک و کم نور به نام کوتوله های M مطالعه کند، که اتفاقاً فراوان ترین ستارگان در کهکشان ما هستند. یعقوب لوستیگ-یاگر (Jacob Lustig-Yaeger)، که با استیونسون در آزمایشگاه فیزیک کاربردی جانز هاپکینز کار می کند، آن را "فرصت کوتوله M" می نامد.

لوستیگ-یاگر گفت: "این فرصتی است که ما برای جستجوی جو در اطراف سیارات کوچک و به اندازه زمین داریم - اما فقط، در حال حاضر، در اطراف ستارگان کوچک." "ما باید آن را در مقابل چیزی که شاید من شروع به نامیدن آن به عنوان "خطر کوتوله M" می کنم، متعادل کنیم."

کوتوله‌های M هم کوچک هستند و هم دمدمی مزاج، سگ‌های بغلی پارس‌کننده نجوم. در حدود صد میلیون سال اول زندگی خود، این ستارگان کوچک و سرسخت نور زیادی را در طول موج های پرانرژی فرابنفش و اشعه ایکس (XUV) تولید می کنند. حتی پس از آرام شدن، باز هم نسبت بیشتری از نور XUV را نسبت به ستارگان خورشید مانند می ریزند. این تابش می تواند برای جوها مشکل ساز باشد. برخی از دانشمندان بر این باورند که وقتی صحبت از کوچک کردن پوشش ها به میان می آید، اشعه XUV پرانرژی، نه کل نور خورشید، واقعاً مهم است. این اشعه لایه های بالایی جو سیاره را می سوزاند، جایی که فرار ذرات گاز آسان تر است.

لوستیگ-یاگر گفت: "آن سیارات فقط در حال برشته شدن هستند."

در حالی که محققان بررسی می کردند که آیا چنین جهان های ستاره برشته شده ای می توانند به طور منطقی جو خود را حفظ کنند، زانل با کاتلینگ همکاری کرد تا مفهوم خط ساحلی کیهانی را گسترش دهد. در سال 2017، آنها نمودارهای جدیدی از خطوط ساحلی نور خورشید و ضربه منتشر کردند، این بار شامل صدها سیاره فراخورشیدی شناخته شده. و آنها خط ساحلی سومی را ترسیم کردند که از کل تابش XUV که یک سیاره در طول عمر خود دریافت می کند، به دست آمده است.

این سه مرز، سیارات منظومه شمسی را به طور یکسان تقسیم کردند. اما خطوط ساحلی XUV و نور خورشید، بخش‌های بسیار متفاوتی را در میان جمعیت سیارات سنگی در حال چرخش به دور کوتوله‌های M ایجاد کردند، به طوری که جهان‌های بیشتری در سمت بدون هوای خط تقسیم XUV قرار می‌گرفتند.

الیزا کمپتون (Eliza Kempton)، ستاره شناس دانشگاه مریلند، گفت: "ما دقیقاً نمی دانیم خط ساحلی کیهانی برای کوتوله های M کجا قرار دارد." او گفت، تعیین این موضوع مهم است، زیرا قبل از اینکه سعی کنید نشانه های حیات را در جهان های قابل سکونت پیدا کنید، باید این سوال را بپرسید: "آیا سیاراتی که می توانیم با JWST مشاهده کنیم، اصلاً جو دارند؟"

این سوال در سال 2017، زمانی که ستاره شناسان دسته ای از هفت سیاره تقریباً به اندازه زمین را مشاهده کردند که به دور ستاره کوتوله قرمز TRAPPIST-1 می چرخیدند، заголовки (سرخط خبرها) و تخیلات عمومی را به خود جلب کرد. این منظومه سیاره ای غیرعادی مانند یک شکارگاه بیگانه عالی به نظر می رسید. نه تنها سه سیاره در منطقه قابل سکونت این ستاره قرار داشتند، بلکه هر هفت سیاره در نهایت در دسترس JWST قرار می گرفتند. و ستاره شناسان امیدوار بودند که با جستجوی جو این سیارات، اثر انگشت طیفی حیات را جستجو کنند.

البته، این تنها در صورتی امکان پذیر بود که این سیارات هوا داشته باشند.

جیکوب بین (Jacob Bean)، ستاره شناس دانشگاه شیکاگو، گفت، آسان ترین راه برای تشخیص جو، اندازه گیری دمای یک سیاره است. با مقایسه دما در سمت روز و شب یک سیاره، بین و همکارانش توانستند مرزهایی را برای اینکه چه مقدار اتمسفر ممکن است به کوچکترین سیاره های TRAPPIST-1 بچسبد، تعیین کنند. یک جو ضخیم به طور موثر گرما را از طرف روز به طرف شب منتقل می کند، در حالی که یک سیاره بدون هوا باید شب های سرد و استخوانی داشته باشد. این مشاهدات به ویژه در مورد دو سیاره داخلی TRAPPIST-1 بد بود: آنها احتمالاً عاری از هوا بودند، به این معنی که برای شکارچیان بیگانه فایده چندانی نداشتند.

یک راه سریع برای کشتن هیاهو.

تصویر بزرگتر

تا به امروز، JWST فقط هوای شش سیاره را استشمام کرده است. و هنوز، اگر ستاره شناسان نتوانند وجود جو را تأیید کنند، هیچ نقطه ای در تلاش برای مشخص کردن نشانه های حیاتی که می توانند آن را آلوده کنند وجود ندارد. کمپتون گفت: "قبل از اینکه از خود بپرسیم که در جو آن چیست، باید این سوال را بپرسیم که آیا این جو به این سوال پاسخ می دهد." "به نظر من، ما از مرحله 'آیا اینجا کسی هست؟' به مرحله 'آیا اصلا کسی می تواند اینجا باشد؟' پیشرفت می کنیم."

تاکنون، داده های کمی از سیارات فراخورشیدی وجود دارد که ممکن است به محققان کمک کند تا خطوط ساحلی کیهانی را در منظومه های ستاره ای فراتر از منظومه شمسی ما ترسیم کنند. با این حال، این تغییر در حال تغییر است، زیرا JWST با تعیین اینکه آیا سیارات جو دارند یا نه، و در صورت وجود، چه نوع جو، شروع به پر کردن آن شکاف می کند.

دانشمندان نمی دانند که آیا این سیارات به طور منطقی یک شکل از جو را در طول زمان حفظ می کنند یا اینکه این به اصطلاح خط ساحلی تنها یک تصویر لحظه ای از جوهای در حال تغییر سیارات است. کاتلینگ مشکوک است که واقعاً به منظومه های ستاره ای بسیار بزرگتر اشاره می کند. او اخیراً در مقاله ای استدلال کرد که خط ساحلی نور خورشید تقریباً ثابت است، اما هر سیاره ای از زمان تشکیل، مقادیر مختلفی از اشعه XUV را دریافت کرده است. او امیدوار است که با ترسیم یک تصویر سه بعدی از محیط اطراف سیارات کوتوله M، منشاء و به ویژه سن هر دنیای جدید را دریابد.

او گفت: "در مقیاس جهان، چیزی بی معنی تر از پیش بینی وجود ندارد."

و جهان در مقابل همه چیز در مورد بزرگ فکر کردن است. هرچه بیشتر درباره این جهان های بیگانه بدانیم، در درک ماهیت بسیار پیچیده و طولانی مدت سیارات بهتر خواهیم بود - و بهتر می توانیم جستجوی سیارات قابل سکونت را راهنمایی کنیم. او گفت: "شما باید بر اساس آنچه که سیاره به شما می گوید راهنمایی شوید."