عندما يتعلق الأمر بالبحث عن عوالم يمكن أن تدعم الحياة خارج الأرض ، يعتمد العلماء حاليًا على نهج "الفاكهة المنخفضة المعلقة". نظرًا لأننا لا نعرف سوى مجموعة واحدة من الظروف التي يمكن أن تزدهر فيها الحياة - أي ما لدينا هنا على الأرض - فمن المنطقي أن نبحث عن عوالم لها نفس الظروف. وتشمل هذه تقع داخل منطقة النجم الصالحة للسكن ، وجود جو مستقر ، والقدرة على الحفاظ على المياه السائلة على السطح.
حتى الآن ، اعتمد العلماء على طرق تجعل من الصعب جدًا اكتشاف بخار الماء في الغلاف الجوي للكواكب الأرضية. ولكن بفضل دراسة جديدة بقيادة يوكا فوجي من معهد جودارد لدراسات الفضاء التابع لوكالة ناسا ، قد تكون على وشك التغيير. باستخدام نموذج ثلاثي الأبعاد جديد يراعي أنماط التداول العالمية ، تشير هذه الدراسة أيضًا إلى أن الكواكب الخارجية القابلة للسكن قد تكون أكثر شيوعًا مما كنا نعتقد.
ظهرت الدراسة التي تحمل عنوان "الأجواء العلوية الرطبة التي تحركها NIR للكواكب الخارجية المعتدلة المدارية المتزامنة" في الآونة الأخيرة في المجلة الفيزيائية الفلكية. بالإضافة إلى الدكتور فوجي ، وهو أيضًا عضو في معهد علوم الأرض والحياة في معهد طوكيو للتكنولوجيا ، ضم فريق البحث أنتوني د. ديل جينيو (GISS) وديفيد س. أموندسن (GISS وجامعة كولومبيا).
ببساطة ، الماء السائل ضروري للحياة كما نعرفها. إذا لم يكن للكوكب جو دافئ بما فيه الكفاية للحفاظ على الماء السائل على سطحه لفترة كافية من الوقت (بترتيب مليارات السنين) ، فمن غير المحتمل أن تكون الحياة قادرة على الظهور والتطور. إذا كان الكوكب بعيدًا جدًا عن نجمه ، فسوف تتجمد مياهه السطحية ؛ إذا كانت قريبة جدًا ، فستتبخر مياهها السطحية وتضيع في الفضاء.
في حين تم الكشف عن الماء في أجواء الكواكب الخارجية من قبل ، في جميع الحالات ، كانت الكواكب عمالقة غازية ضخمة تدور حول نجومها بشكل وثيق. (المعروف أيضًا باسم "كوكب المشتري الساخن"). كما تذكر فوجي وزملاؤها في دراستهم:
"على الرغم من اكتشاف توقيعات H2O في أجواء المشتري الحار ، فإن الكشف عن التوقيعات الجزيئية ، بما في ذلك H2O ، على الكواكب الأرضية المعتدلة أمر صعب للغاية ، بسبب نصف قطر الكوكب الصغير والارتفاع الصغير (بسبب انخفاض درجة الحرارة ومتوسط أكبر من المفترض. الوزن الجزيئي الغرامي)."
عندما يتعلق الأمر بالكواكب الخارجية الأرضية (أي الصخرية) ، اضطرت الدراسات السابقة إلى الاعتماد على نماذج أحادية البعد لحساب وجود الماء. ويتكون هذا من قياس فقد الهيدروجين ، حيث ينقسم بخار الماء في الستراتوسفير إلى هيدروجين وأكسجين من التعرض للأشعة فوق البنفسجية. من خلال قياس معدل فقدان الهيدروجين في الفضاء ، يقدر العلماء كمية الماء السائل التي لا تزال موجودة على السطح.
ومع ذلك ، كما توضح الدكتورة فوجي وزملاؤها ، تعتمد هذه النماذج على العديد من الافتراضات التي لا يمكن معالجتها ، والتي تشمل النقل العالمي للحرارة وبخار بخار الماء ، بالإضافة إلى تأثيرات السحب. بشكل أساسي ، توقعت النماذج السابقة أنه لكي يصل بخار الماء إلى طبقة الستراتوسفير ، يجب أن تكون درجات الحرارة السطحية طويلة المدى على هذه الكواكب الخارجية أعلى من 66 درجة مئوية (150 درجة فهرنهايت) أعلى مما نختبره هنا على الأرض.
يمكن أن تؤدي درجات الحرارة هذه إلى حدوث عواصف حملية قوية على السطح. ومع ذلك ، لا يمكن أن تكون هذه العواصف هي السبب في وصول الماء إلى الستراتوسفير عندما يتعلق الأمر بالتدوير البطيء للكواكب التي تدخل في حالة دفيئة رطبة - حيث يكثف بخار الماء الحرارة. من المعروف أن الكواكب التي تدور حول النجوم الأم بشكل وثيق إما أن يكون لها دوران بطيء أو تكون مغلقة بشكل محكم مع كواكبها ، مما يجعل العواصف الحملية غير مرجحة.
يحدث هذا في كثير من الأحيان للكواكب الأرضية التي تقع حول نجوم منخفضة الكتلة ، فائقة البرودة ، من النوع M (قزم أحمر). بالنسبة لهذه الكواكب ، يعني قربها من نجمها المضيف أن تأثير الجاذبية سيكون قويًا بما يكفي لإبطاء أو إيقاف دورانها تمامًا. عندما يحدث ذلك ، تتكون غيوم كثيفة على جانب اليوم من الكوكب ، تحميه من الكثير من ضوء النجم.
وجد الفريق أنه على الرغم من أن ذلك قد يحافظ على برودة جانب اليوم ويمنع بخار الماء من الارتفاع ، إلا أن كمية الإشعاع القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR) يمكن أن توفر ما يكفي من الحرارة لإدخال كوكب في حالة دفيئة رطبة. وينطبق هذا بشكل خاص على النوع M والنجوم القزمة الرائعة الأخرى ، والمعروفة بإنتاج المزيد في طريق NIR. عندما يسخن هذا الإشعاع الغيوم ، سيرتفع بخار الماء إلى طبقة الستراتوسفير.
ولمعالجة ذلك ، اعتمدت فوجي وفريقها على نماذج الدوران العام ثلاثية الأبعاد (GCMs) التي تتضمن دوران الغلاف الجوي وعدم تجانس المناخ. من أجل نموذجهم ، بدأ الفريق بكوكب له جو يشبه الأرض ومغطى بالكامل بالمحيطات. سمح ذلك للفريق برؤية كيفية تأثير الاختلافات في المسافة من الأنواع المختلفة من النجوم على الظروف على أسطح الكواكب.
سمحت هذه الافتراضات للفريق برؤية واضحة لكيفية تغيير المسافة المدارية ونوع الإشعاع النجمي التي أثرت على كمية بخار الماء في الستراتوسفير. كما أوضح الدكتور فوجي في بيان صحفي لوكالة ناسا:
"باستخدام نموذج يحاكي بشكل أكثر واقعية الظروف الجوية ، اكتشفنا عملية جديدة تتحكم في قابلية الكواكب الخارجية للسكنية وستوجهنا في تحديد المرشحين لمزيد من الدراسة ... وجدنا دورًا مهمًا لنوع الإشعاع الذي ينبعثه النجم وتأثيره على الدوران الجوي لكوكب خارجي في جعل حالة الاحتباس الحراري الرطبة ".
في النهاية ، أظهر النموذج الجديد للفريق أنه نظرًا لأن النجم منخفض الكتلة ينبعث منه معظم الضوء عند أطوال موجات NIR ، فإن حالة الاحتباس الحراري الرطبة ستؤدي إلى الكواكب التي تدور حولها بشكل وثيق. سيؤدي ذلك إلى ظروف على أسطحها يمكن مقارنتها بما تختبره الأرض في المناطق المدارية ، حيث تكون الظروف حارة ورطبة ، بدلاً من ساخنة وجافة.
علاوة على ذلك ، أشار نموذجهم إلى أن العمليات التي يقودها NIR تزيد من الرطوبة في الستراتوسفير تدريجيًا ، إلى درجة أن الكواكب الخارجية التي تدور بالقرب من نجومها يمكن أن تظل صالحة للسكن. سيسمح هذا النهج الجديد لتقييم قابلية السكن المحتملة للفلكيين بمحاكاة دوران الأجواء الكوكبية والسمات الخاصة لذلك الدوران ، وهو أمر لا يمكن أن تفعله النماذج أحادية البعد.
في المستقبل ، يخطط الفريق لتقييم كيف يمكن أن تؤثر الاختلافات في الخصائص الكوكبية - مثل الجاذبية والحجم والتكوين الجوي والضغط السطحي - على دوران بخار الماء وقابليته للسكن. سيسمح هذا ، إلى جانب نموذجهم ثلاثي الأبعاد الذي يأخذ أنماط دوران الكواكب في الاعتبار ، بعلماء الفلك لتحديد إمكانية السكن الكواكب البعيدة بدقة أكبر. كما أشار أنتوني ديل جينيو:
"طالما أننا نعرف درجة حرارة النجم ، يمكننا تقدير ما إذا كانت الكواكب القريبة من نجومها يمكن أن تكون في حالة الاحتباس الحراري الرطبة. سيتم دفع التكنولوجيا الحالية إلى أقصى حد للكشف عن كميات صغيرة من بخار الماء في الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية. إذا كان هناك ما يكفي من الماء لاكتشافه ، فهذا يعني على الأرجح أن الكوكب في حالة دفيئة رطبة. "
بالإضافة إلى تقديم الفلكيين طريقة أكثر شمولاً لتحديد قابلية الكواكب الخارجية للسكن ، تعد هذه الدراسة أيضًا أخبارًا جيدة لصائدي الكواكب الخارجية الذين يأملون في العثور على كواكب صالحة للسكن حول النجوم من النوع M. النجوم ذات الكتلة المنخفضة والرائعة جدًا من النوع M هي النجم الأكثر شيوعًا في الكون ، حيث تمثل حوالي 75 ٪ من جميع النجوم في درب التبانة. مع العلم أنها يمكن أن تدعم الكواكب الخارجية الصالحة للسكن يزيد بشكل كبير من احتمالات العثور على واحدة.
بالإضافة إلى ذلك ، تعد هذه الدراسة أخبارًا جيدة جدًا نظرًا للموجة الأخيرة من الأبحاث التي ألقت بظلال من الشك الشديد على قدرة النجوم من النوع M على استضافة كواكب صالحة للسكن. تم إجراء هذا البحث استجابة للكواكب الأرضية العديدة التي تم اكتشافها حول الأقزام الحمراء القريبة في السنوات الأخيرة. ما كشفوه هو أنه بشكل عام ، تعاني النجوم القزمة الحمراء من الكثير من التوهج ويمكن أن تجرد كواكبها من الغلاف الجوي.
يشمل ذلك نظام TRAPPIST-1 ذو 7 كواكب (ثلاثة منها تقع في منطقة النجم الصالحة للسكن) وأقرب كوكب خارجي إلى النظام الشمسي ، Proxima b. أدى العدد الهائل من الكواكب الشبيهة بالأرض التي تم اكتشافها حول النجوم من النوع M ، إلى جانب هذه الفئة من العمر الطبيعي للنجم ، إلى دفع الكثيرين في مجتمع الفيزياء الفلكية إلى المغامرة بأن النجوم القزمة الحمراء قد تكون المكان الأكثر احتمالًا للعثور على كواكب خارجية قابلة للسكن.
مع هذه الدراسة الأخيرة ، التي تشير إلى أن هذه الكواكب يمكن أن تكون صالحة للسكن بعد كل شيء ، يبدو أن الكرة عادت إلى ملعبها بشكل فعال!
