چقدر باید از نشانه‌های حیات یافت‌شده در دنیاهای بیگانه هیجان‌زده شویم؟

سارا سیگر می‌گوید: «هیجان‌زده نشوید.» او در مورد نشانه‌های احتمالی حیات از مشاهدات جو سیارات دیگر صحبت می‌کند و سخنانش یک موازنه سنجیده در برابر заголовки تبلیغاتی است.

البته، یک مشاهده واقعی از نشانه حیات فراتر از زمین، چیزی جز اتفاقی پیش پا افتاده نخواهد بود. برعکس، این اتفاق مهمی خواهد بود. با توجه به اینکه ما فقط بخش بسیار کوچکی از میلیاردها سیاره‌ای را که گمان می‌رود در کهکشان خودمان وجود داشته باشد بررسی کرده‌ایم، این نشان می‌دهد که حیات در جهان فراوان است.

این توضیح می‌دهد که چرا به طور پیوسته داستان‌هایی در مورد «نشانه‌های زیستی» مولکولی که در دنیاهای دیگر مشاهده شده‌اند، منتشر می‌شود که عمدتاً به لطف تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) است. فقط در سپتامبر گذشته، این تلسکوپ دی‌اکسید کربن را در قمر یخی مشتری، اروپا، شناسایی کرد که به نظر می‌رسد از اقیانوس پنهان بالقوه دوست‌دار حیات آن می‌آید و احتمالاً دی‌متیل سولفید را در سیاره فراخورشیدی K2-18b، یک ماده شیمیایی که در زمین فقط توسط موجودات زنده تولید می‌شود. بی‌بی‌سی این را «نشانه‌ای وسوسه‌انگیز از حیات احتمالی در دنیای دوردست» عنوان کرد.

اما سیگر، اخترفیزیکدان در مؤسسه فناوری ماساچوست، به دلیل خوبی احتیاط را توصیه می‌کند: وقتی صحبت از شواهد مربوط به حیات فرازمینی می‌شود، تشخیص مولکول‌ها از راه دور معمولاً بی‌نتیجه است. حتی اگر تشخیص اثبات شود که قابل اعتماد است - و این اغلب یک "اگر" بزرگ است - ممکن است یک توضیح غیرزیستی قانع‌کننده برای وجود یک ماده شیمیایی وجود داشته باشد.

بنابراین، برای درک این یافته‌ها و تنظیم میزان هیجان خود در مورد احتمال وجود موجودات فضایی، ارزش دارد که با وعده‌ها و خطرات نشانه‌های زیستی که به دنبال آن هستیم، آشنا شویم. آیا آن‌ها می‌توانند مدرک قطعی از حیات ارائه دهند؟

وقتی اخترفیزیکدانان در مورد جستجوی نشانه‌های زیستی جوی صحبت می‌کنند، منظورشان مولکول‌هایی است که با حیات روی زمین مرتبط هستند و ما می‌توانیم از راه دور آن‌ها را تشخیص دهیم. ما این کار را با بررسی چگونگی تغییر شدت نور یک ستاره میزبان در طول موج‌های مختلف، زمانی که یک سیاره از مقابل آن عبور می‌کند، انجام می‌دهیم، در این هنگام بخشی از آن نور ممکن است توسط جو سیاره جذب شود. انواع مختلف مولکول نور را در طول موج‌های مشخصی جذب می‌کنند، بنابراین اگر ببینیم که شدت نور ستاره در طول موج‌های معینی در طول عبور کاهش می‌یابد، این نشان‌دهنده وجود یک ماده شیمیایی خاص است.

ما هرگز به این اندازه برای این جستجو مجهز نبوده‌ایم. نه تنها قدرت JWST برای تفکیک طیف‌ها به طور چشمگیری توانایی ما را در بررسی شیمی دنیاهای فراتر از منظومه شمسی افزایش داده است، بلکه مکان‌های بیشتری برای جستجوی این سیارات فراخورشیدی نیز داریم. در حال حاضر بیش از 5500 جهان تایید شده وجود دارد، با طیف وسیعی از انواع سیاره‌ای که بسیار متنوع‌تر از منظومه شمسی ما هستند. بهتر از آن، برخی از امیدوارکننده‌ترین نامزدهای قابل سکونت - سیاراتی که اندازه آن‌ها بین زمین و نپتون است، با یک هسته سنگی و اقیانوس‌های جهانی زیر یک جو غنی از هیدروژن، که به عنوان دنیاهای Hycean شناخته می‌شوند - نیز از جمله آسان‌ترین سیارات برای مطالعه هستند.

در مورد اینکه کدام مولکول‌ها را می‌خواهیم ببینیم، مدت‌ها بود که همه چیز در مورد آب بود. برنامه اخترفیزیک ناسا شعار غیررسمی را اتخاذ کرد: «آب را دنبال کنید.» ما می‌دانیم که آب مایع برای تمام حیات روی زمین ضروری است، بنابراین ایده این بود که باید به دنبال دنیاهایی باشیم که آب مایع روی سطح خود دارند. این ایده «منطقه قابل سکونت» در اطراف یک ستاره را به وجود آورد که در آن سیارات در فاصله مناسبی مدار می‌زنند تا به طور بالقوه آب به این شکل داشته باشند.

اما این فقط شما را تا اینجا می‌رساند. سارا هورست، دانشمند سیاره‌شناسی در دانشگاه جانز هاپکینز در مریلند، می‌گوید: «ما فرض می‌کنیم که حیات به مایع نیاز دارد و دلایل زیادی وجود دارد که چرا آب ممکن است بهترین گزینه باشد.» «اما آب یکی از فراوان‌ترین مولکول‌ها در جهان است.» بنابراین، به طور کلی، وجود آن در خارج از زمین نه تعجب‌آور است و نه به طور خودکار نشان‌دهنده حیات است.

سیگر می‌گوید، دیدن آن در جو سیارات کوچک و سنگی متفاوت است. از آنجا که مولکول‌های آب جوی توسط نور فرابنفش ستاره مادر شکسته می‌شوند، تنها در صورتی در جو سیارات سنگی باقی می‌مانند که به طور مداوم توسط یک منبع سطحی، مانند اقیانوس‌ها، دوباره پر شوند. بنابراین جستجوی آب در سیارات فراخورشیدی می‌تواند گزینه‌های مکان‌هایی که باید با دقت بیشتری به آن‌ها نگاه کرد را محدود کند - اما این به خودی خود به یک نشانه زیستی قابل اعتماد تبدیل نمی‌شود.

نشانه‌های حیات فرازمینی

اکسیژن نیز مدت‌هاست که به عنوان یک نشانه احتمالی از حیات در نظر گرفته می‌شود. به عنوان یک عنصر بسیار واکنش‌پذیر، تنها در صورتی به مقدار زیاد در یک جو باقی می‌ماند که به طور مداوم تازه تامین شود. روی زمین، این اتفاق بیشتر از طریق فتوسنتز در گیاهان و باکتری‌ها رخ می‌دهد - به عبارت دیگر، به دلیل حیات - که توضیح می‌دهد چرا اکسیژن برای دهه‌ها گاز مورد علاقه برای جستجوهای اخترفیزیکی بوده است، سیگر می‌گوید. اما او اضافه می‌کند که این همچنین باعث ایجاد «صنعت کوچک» از افرادی شد که توضیح می‌دهند چگونه ممکن است توسط فرآیندهای زمین‌شناسی، فوتوشیمیایی یا سایر فرآیندهای غیر زنده تولید شود.

و بعد دی‌اکسید کربن وجود دارد. توضیح این ماده به روش‌های غیرزیستی دشوار نیست. آتشفشان‌ها روی زمین به وفور آن را بیرون می‌دهند. اما علاقه به تشخیص این مولکول بیشتر به این دلیل است که ثابت کنیم کربن در اطراف وجود دارد که از آن مولکول‌های آلی پیچیده - و شاید در نهایت موجودات زنده مانند موجودات مبتنی بر کربن روی زمین - ساخته شوند. به همین دلیل است که دیدن CO₂ که از اقیانوس زیر یخ اروپا بیرون می‌آید، جالب است. تصور نمی‌شود که این ماده شیمیایی روی سطح قمر مشتری پایدار باشد، بنابراین منبع آن باید نسبتاً جدید باشد.

یک نشانه زیستی معقول‌تر ممکن است در ترکیبی از گازهای آشنا در دنیاهای دیگر یافت شود. به عنوان مثال، اکسیژن و متان در یک جو که در تعادل شیمیایی است، وجود نخواهند داشت - زیرا آن‌ها برای تولید مواد دیگر واکنش نشان می‌دهند - اما فقط زمانی که فرآیندی مانند حیات وجود داشته باشد تا سطح آن‌ها را به طور مداوم پر کند تا آنچه را که محققان آن را حالت غیر تعادلی می‌نامند، حفظ کنند. نیکو مادهوسودهان، ستاره‌شناس در دانشگاه کمبریج، می‌گوید: «اگر اکسیژن و متان را با هم ببینید، این نشانه بسیار خوبی در نظر گرفته می‌شد.» مشکل این است که هر جوی تا حدودی از تعادل خارج است، هورست می‌گوید، زیرا ستاره مادر دائماً انرژی را به آن می‌ریزد. شما باید جوی را ببینید که به شدت از تعادل خارج شده است، مانند زمین، تا هیجان‌زده شوید.

با این حال، اگر مولکول‌های بیشتری را به این ترکیب اضافه کنید، این ادعا که آن‌ها توسط حیات ساخته شده‌اند قوی‌تر می‌شود. برای مثال، مادهوسودهان می‌گوید: «اگر اکسیژن، متان و اکسید نیتروژن را در یک سیاره سنگی تشخیص دهیم، استدلال کردن اینکه این به دلیل حیات نیست، دشوار خواهد بود.» «ساختن هر سه به نسبت‌های مشابه با زمین به [روش دیگری] بسیار دشوار است.»

هنوز هیچ‌کس چنین ترکیبی را پیدا نکرده است. اما نوع دیگری از نشانه‌های زیستی به همان اندازه گویا ممکن است از گازهایی غیر از گازهای رایج به دست آید: مولکول‌هایی که تا آنجا که ما در زمین می‌دانیم، نمی‌توانند توسط چیزی غیر از حیات ایجاد شوند.

یکی از آن‌ها دی‌متیل سولفید (DMS) است که در سیاره ما به عنوان محصول جانبی واکنش‌های متابولیکی برخی از پلانکتون‌ها وارد هوا می‌شود. از این رو هیجان پیرامون اعلامیه اخیر مادهوسودهان و همکارانش مبنی بر تشخیص آن در جو سیاره فراخورشیدی K2-18b، حدود 124 سال نوری دورتر در صورت فلکی لئو.

سیگر می‌گوید که اگر تشخیص تأیید شود، این یک نشانه هیجان‌انگیز از حیات خواهد بود: «در حال حاضر، توضیح DMS به روش دیگری دشوار خواهد بود.» با این حال، او اضافه می‌کند که هر گونه هیجانی در این مرحله زودرس خواهد بود، زیرا این کشف همچنان بسیار آزمایشی است. او تأکید می‌کند که اولین سوالی که باید در مورد چنین تشخیص‌های نشانه‌های زیستی پرسید این نیست که «آیا این حیات است؟»، بلکه «آیا واقعی است؟».

تلاش برای تشخیص چنین مواد شیمیایی پیچیده است، به ویژه برای سیاراتی که به دور ستاره‌های کوتوله سرخ مانند K2-18 می‌چرخند. از آنجا که آن‌ها کم‌نورتر از خورشید خودمان هستند، کاهش روشنایی ناشی از عبور سیارات از مقابل آن‌ها راحت‌تر دیده می‌شود - به همین دلیل است که این ستاره‌ها به عنوان مکان‌هایی برای جستجوی سیارات فراخورشیدی مورد علاقه هستند. اما سیگر می‌گوید که کوتوله‌های سرخ نیز تمایل دارند لکه‌های سطحی متغیری مانند لکه‌های خورشیدی داشته باشند که طیف نور ستاره را حتی قبل از در نظر گرفتن جو دنیاهای در حال عبور پیچیده می‌کنند. علاوه بر این، این ستاره‌ها مستعد شراره‌های خورشیدی هستند که تهدید می‌کنند سیارات خود را بپزند و چشم‌انداز حیات را کاهش دهند.

بنابراین، جستجوی نشانه‌های زیستی در سیستم‌های کوتوله سرخ، بسیار شبیه داستان قدیمی جستجوی کلیدهای گمشده خودرو در زیر یک چراغ خیابان است: ما به دنبال جایی نمی‌گردیم که احتمال وجود کلیدها بیشتر است، بلکه به دنبال جایی می‌گردیم که قادر به دیدن هستیم.

با این وجود، مادهوسودهان مطمئن است که با این وجود چیزی ظاهر خواهد شد. او می‌گوید: «با دانستن آنچه که می‌دانم، بسیار شگفت‌زده خواهم شد اگر در پنج سال آینده یکی از این مولکول‌ها را با اطمینان بالا در دنیاهای Hycean تشخیص ندهیم.»

ناشناخته‌های شناخته شده

آیا این بدان معناست که ما حیات را پیدا کرده‌ایم؟ او می‌گوید: «این مشخص نیست.» در دنیاهای دیگر، ما نمی‌توانیم مطمئن باشیم که حتی مولکول‌هایی مانند DMS نمی‌توانند توسط چیزی غیر از حیات تولید شوند (به «آیا این موجودات فضایی هستند؟» در زیر مراجعه کنید). هورست می‌گوید: «فقط به این دلیل که فقط به صورت بیولوژیکی روی زمین ساخته می‌شود به این معنی نیست که این تنها راه ساختن آن است.» «انجام این کار بدون مرکزیت زمین واقعاً دشوار است.» مشکل این است که ما فقط به اندازه کافی در مورد محیط سیاره‌ای K2-18 نمی‌دانیم - و شاید هرگز نخواهیم دانست - تا تمام احتمالات دیگر را رد کنیم. آیا آتشفشان وجود دارد؟ آیا اقیانوس وجود دارد؟ آیا اخیراً یک ضربه شهاب سنگی روی سطح وجود داشته است؟ هورست می‌گوید: «ما تمام اطلاعاتی را که برای مدل‌سازی شیمی در جو سیارات فراخورشیدی نیاز داریم، نداریم.»

کارولین پورکو، دانشمند سیاره‌شناسی آمریکایی که تیم تصویربرداری مأموریت کاسینی به زحل را رهبری کرد، این یادداشت احتیاط را تأیید می‌کند. «برای تمام ترکیباتی که تاکنون در جای دیگری یافت شده‌اند - از بسیار ساده مانند اکسیژن، متان و CO₂ تا پیچیده‌تر مانند اسیدهای آمینه [که در برخی از شهاب‌سنگ‌ها یافت شده‌اند] - فقط می‌توان گفت که این مولکول‌ها نیز در سیاره زنده ما وجود دارند.» در نتیجه، او می‌گوید: «محققان سیارات فراخورشیدی اگر بخواهند حیات را در سیارات غیرقابل دسترس کشف کنند، کار غیرممکنی دارند، زیرا فکر می‌کنم هرگز به اندازه کافی در مورد محیط شیمیایی نخواهند دانست تا از تشخیص شواهد حیات از طریق شناسایی ترکیبات مطمئن شوند.»

تجربه هورست با قمر زحل، تیتان، نشان می‌دهد که چگونه عدم وجود اطلاعات زمینه‌ای می‌تواند علم را از مسیر خارج کند. برای چندین دهه، دانشمندان سیاره‌شناسی سردرگم بودند که تیتان مقادیر زیادی متان، CO₂ و مونوکسید کربن در جو خود دارد که نسبت‌های آن‌ها منطقی به نظر نمی‌رسید. برخی پیشنهاد کردند که آن‌ها می‌توانند توسط فرآیندهای زیستی در آنجا قرار داده شوند. او می‌گوید: «اطلاعاتی که از دست داده بودیم این بود که انسلادوس [قمر دیگری از زحل] این ستون‌هایی را دارد که آب را به سیستم زحلی پرتاب می‌کنند و بخشی از آن به جو تیتان ختم می‌شود، جایی که به مونوکسید کربن تبدیل می‌شود.»

این واقعیت که این قطعه اطلاعات کلیدی برای مدت طولانی از دانشمندان دور ماند، نشان می‌دهد که چگونه «ما تمایل داریم در هنگام ندانستن چیزی در پرسیدن سوالات درست بد باشیم»، هورست می‌گوید. «و ما اطلاعات بسیار کمی در مورد سیارات فراخورشیدی داریم.»

این بدان معنا نیست که جستجوی نشانه‌های زیستی بیهوده است. اما این نشان می‌دهد که شاید بهتر باشد روی نشانه‌های زیستی تمرکز کنیم که اصلاً شبیه آن‌هایی که در زمین پیدا می‌کنیم نباشند.

دنیاهای جدید عجیب و غریب

مشکل جستجوی مواد شیمیایی آشنا این است که ما فقط از حیاتی اطلاع داریم که از مواد شیمیایی موجود در سیاره ما استفاده می‌کند. اما این می‌تواند یک ویژگی محلی باشد. شاید حیات در جای دیگری بتواند از شیمی‌های کاملاً متفاوتی استفاده کند - به عنوان مثال، مبتنی بر سیلیکون به جای کربن، یا آمونیاک به جای آب.

اگر چنین است، آیا چنین موجودات فضایی نیز محصولات زاید را در جو خود آزاد می‌کنند که بتوانیم تشخیص دهیم؟ پاسخ احتمالاً بله است. اما می‌تواند تقریباً هر چیزی باشد.

با این حال، کسانی که به دنبال شناسایی نشانه‌های زیستی جدید هستند، بر این اصل کار می‌کنند که این‌ها نیز باید گازهایی باشند که توضیح آن‌ها در غیاب حیات دشوار باشد. هورست می‌گوید: «ما به دنبال گونه‌های بزرگ و کاهشی کربن هستیم.» یعنی مولکول‌هایی که حاوی مقدار زیادی کربن و هیدروژن هستند. معلوم می‌شود که راه‌های نسبتاً کمی برای ساختن مولکول‌هایی مانند این به صورت غیرزیستی وجود دارد. او می‌گوید: «و اگر چیزی در جو داشته باشید که تنها تعداد انگشت شماری راه برای ساختن آن وجود داشته باشد، این یک نشانه زیستی بسیار خوب است.»

چندین مولکول کاندید از این نوع وجود دارد، از جمله فسفین (PH₃)، که در جو زهره دیده شده است. در سال 2020، برخی از محققان استدلال کردند که ممکن است توسط موجودات زنده در آنجا ساخته شده باشد، که باعث ایجاد هیاهو شد. با این حال، سایر دانشمندان استدلال کردند که تشخیص ممکن است یک اشتباه بوده باشد، یا اینکه راه‌های غیرزیستی برای ساختن فسفین در زهره وجود دارد. این موضوع همچنان مورد بحث است.

ممکن است راه‌های دیگری نیز برای جستجوی اشکال غیرمتعارف حیات وجود داشته باشد. کالب شارف، اخترفیزیکدان در دانشگاه کلمبیا در نیویورک، و همکارانش در حال بررسی چیزی هستند که آن را «تکنوسیگنال‌ها» می‌نامند - نشانه‌هایی نه از خود حیات، بلکه از فناوری بیگانه. این ممکن است شامل روشنایی مصنوعی در سمت شب سیاره، مگاساختارهایی که به دور یک ستاره می‌چرخند و حتی آلاینده‌های صنعتی در یک جو باشد.

از طرف دیگر، پورکو می‌گوید، شاید بهتر باشد تلسکوپ‌ها را کنار بگذاریم و در عوض зонды روباتیک را به فضا بفرستیم که بتوانند بروند و نگاهی دقیق‌تر بیندازند. با این حال، او اضافه می‌کند، حتی در این صورت نیز چشم‌انداز کمی برای دریافت یک پاسخ واقعاً قطعی در مورد وجود حیات فراتر از زمین وجود خواهد داشت. «اگر зонды ما نتوانند یک موجود زنده، تنفس‌کننده و خودتکثیرکننده را برگردانند، چه چیزی مدرک حیات محسوب می‌شود؟»

در حال حاضر، هیجان‌زده نشوید.