بحث ويب الطيفي عن الكواكب الشبيهة بالأرض

ال تلسكوب جيمس ويب الفضائي يتم البحث بشكل نشط عن الكواكب الخارجية الصغيرة الصالحة للسكن، وذلك باستخدام التحليل الطيفي للإرسال لتحليل تركيبات الغلاف الجوي الخاصة بها. وتتعقد هذه العملية بسبب صغر حجم الإشارة والحاجة إلى أوقات مراقبة طويلة، مما يجعل الكشف عن بيولوجيا الحياة مهمة شاقة.

الكواكب الخارجية شائعة في مجرتنا، وبعضها يدور في ما يسمى بالمنطقة الصالحة للسكن حول نجمها. ينشغل تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا بمراقبة بعض هذه الكواكب الصغيرة الصالحة للسكن، ويعمل علماء الفلك الآن بجد على تحليل بيانات ويب. ناسا دعا د. نيكول كولون وكريستوفر ستارك، اثنان من علماء مشروع ويب في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا، ليخبرونا المزيد عن تحديات دراسة هذه العوالم الأخرى.

تعريف الكواكب الصالحة للسكن

“يتم تعريف الكوكب الصالح للسكن على أنه كوكب بحجم الأرض يدور في” المنطقة الصالحة للسكن “لنجمه. يستطيع يجب أن يكون للماء السائل درجة حرارة يستطيع على سطحه. نعرف حاليًا حوالي 30 كوكبًا يمكن أن تكون كواكب صغيرة صخرية تشبه الأرض وتدور في المنطقة الصالحة للسكن.

“ومع ذلك، ليس هناك ما يضمن أن الكوكب الذي يدور في المنطقة الصالحة للسكن هو في الواقع صالح للسكن (أنه يدعم الحياة)، ناهيك عن (أنه يدعم الحياة حاليًا). في وقت كتابة هذا التقرير، لا يوجد سوى كوكب واحد معروف صالح للسكن وصالح للسكن. – أرض!

يقارن هذا الرسم البياني خصائص ثلاثة أنواع من النجوم في مجرتنا: النجوم الشبيهة بالشمس تصنف على أنها نجوم G؛ النجوم الأقل كتلة والأكثر برودة من شمسنا هي نجوم قزمة؛ وحتى النجوم الخافتة والأكثر برودة هي أقزام حمراء من نوع M. يختلف حجم المنطقة الصالحة للسكن لكل نوع من النجوم. في نظامنا الشمسي، تبدأ المنطقة الصالحة للسكن خارج مدار كوكب الزهرة وتشمل كوكب المريخ بأكمله تقريبًا. مصدر الصورة: وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية وزد. ليفي (STScI)

التحديات في مراقبة أجواء الكواكب الخارجية

“جميع العوالم الصالحة للحياة التي لاحظها ويب ينقل كائنات فضائيةمما يعني أن مداراتها تقترب من الحافة لذا فهي تمر أمام نجومها المضيفة. يستخدم ويب هذا الاتجاه لإجراء التحليل الطيفي للإرسال أثناء مرور الكوكب أمام نجمه. يتيح لنا هذا التوجه دراسة ضوء النجوم الذي يتم ترشيحه عبر الغلاف الجوي للكواكب والتعرف على تركيباتها الكيميائية.

“ومع ذلك، فإن كمية ضوء النجوم التي يحجبها الغلاف الجوي الرقيق لكوكب صخري صغير صغيرة جدًا، وعادةً ما تكون أقل بكثير من 0.02%. يعد اكتشاف الغلاف الجوي المحيط بهذه العوالم الصغيرة أمرًا صعبًا للغاية. اكتشاف وجود بخار الماء، مما قد يزيد من احتمالية من الصالحية للسكن، هو أكثر صعوبة والبحث مستمر. التوقيعات الحيوية (الغازات المنتجة بيولوجيا) أمر صعب للغاية، ولكنه مسعى رائع.

عندما خارج كوكب الأرض وبمروره مباشرة بين نجمه المضيف والراصد، نقول إن الكوكب يمر أمام نجمه المضيف. يؤدي هذا العبور إلى تقليل ضوء النجم بشكل ملموس، ويتم تصفية ضوء النجم إذا كان في الغلاف الجوي للكوكب الخارجي. تُظهر هذه الرسوم المتحركة كوكبًا والتغير في مستويات الضوء أثناء النقل. الائتمان: مختبر الدفع النفاث التابع لناسا

“لا يوجد حاليًا سوى عدد قليل من العوالم الصغيرة التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن والتي يمكن الوصول إليها لتوصيف الغلاف الجوي باستخدام WEB، بما في ذلك LHS 1140 b وTRAPPIST-1 e.

التحديات التقنية في الكشف عن التوقيعات الحيوية

“بعض الأعمال النظرية الأخيرة إن دراسة قابلية اكتشاف الجزيئات الغازية في الغلاف الجوي للكوكب الفائق الحجم LHS 1140 b، تسلط الضوء على العديد من التحديات في البحث عن البصمات الحيوية. وهي تحدد ما يقرب من 10-50 مدارًا للكوكب حول نجمه المضيف، أي ما يعادل 40-200 ساعة من المراقبة باستخدام ويب، لمحاولة اكتشاف البصمات الحيوية المحتملة مثل الأمونيا والفوسفين والكلوروميثان وما إلى ذلك. أكسيد النيتروزفي ظل ظروف مثالية لأجواء صافية خالية من السحب.

يُظهر طيف الإرسال المُحاكى لغلاف جوي شبيه بالأرض الأطوال الموجية لضوء الشمس التي تمتصها جزيئات مثل الأوزون (O3)، والماء (H2O)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، والميثان (CH4). (في هذا الرسم البياني، يُظهر المحور y مقدار الضوء الذي يحجبه الغلاف الجوي لكوكب يشبه الأرض بدلاً من سطوع ضوء الشمس الذي ينتقل عبر الغلاف الجوي: يتناقص السطوع من الأسفل إلى الأعلى.) نموذج طيف النقل لـ Lin 2021 ApJL 909 بواسطة ليزا كالدينيجر وزيفان. المصدر: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، ليا هوستاك (STScI).

تعقيد جداول مراقبة الكواكب الخارجية

“بسبب موقع النظام في السماء، لا يستطيع ويب رؤية نظام LHS 1140 على مدار العام، لذلك سيستغرق الأمر سنوات، إن لم يكن ما يقرب من عقد من الزمن، لجمع 50 رصدًا لعبور LHS 1140 b. إذا كان الغلاف الجوي للكوكب غائمًا، فستكون هناك احتمالات أكبر”. قد تكون هناك حاجة إلى أكثر من 50 ملاحظة عبور للبحث عن توقيعات الحياة.

“من المعروف أن معظم الكواكب الخارجية الصغيرة تحتوي على سحب أو ضباب يقلل أو يحجب الإشارة المطلوبة. وتميل الإشارات الجوية لهذه الغازات ذات البصمة الحيوية إلى التداخل مع الإشارات الجوية المتوقعة الأخرى (على سبيل المثال بسبب غاز الميثان أو ثاني أكسيد الكربون)، لذا فإن التمييز بين مختلف الكواكب الخارجية الإشارات هي تحدي آخر.

الكواكب Hycean: طريق جديد للبحث

“أحد السبل المحتملة في البحث عن البصمات الحيوية يكمن في دراسة كواكب هيسيان، وهي فئة نظرية من الكواكب فائقة الحجم ذات حجم الأرض ذات أجواء رقيقة نسبيًا غنية بالهيدروجين ومحيطات كبيرة من الماء السائل. Super Earth K2-18 b هو مرشح محتمل. لكوكب هيسيان صالح للحياة بناءً على البيانات الحالية من ويب والمراصد الأخرى.

“لقد استخدم العمل المنشور مؤخرًا NIRSpec وNIRISS للكشف عن الميثان وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لـ K2-18 b، ولكن ليس الماء. وهذا يعني أن فكرة أن K2-18 b هو عالم هيسي به محيط مائي سائل يعتمد على النماذج النظرية، والمراقبة المباشرة حتى الآن لا يوجد دليل أشار مؤلفو هذا العمل إلى احتمال وجود كبريتيد ثنائي ميثيل ذو التوقيع الحيوي في الغلاف الجوي لـ K2-18 b، لكن إشارة كبريتيد ثنائي ميثيل المحتملة ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها بشكل نهائي في التيار. بيانات.

تصور فني لتلسكوب جيمس ويب الفضائي. حقوق الصورة: ناسا GSFC/CIL/أدريانا مانريكي جوتيريز

“إن مفهوم ودراسة فئة كواكب هيسيان جديد جدًا، مما يعني أن التفسيرات البديلة لسيناريو المحيط المائي السائل (وبالتالي إمكانية وجود بيئات صالحة للسكن) لا تزال قيد الاستكشاف. وستكشف عمليات الرصد القادمة على الويب باستخدام أدوات NIRSpec وMIRI عن طبيعة كوكب هيسيان المحتمل، K2-18 b، وإمكانية تسليط المزيد من الضوء على ثنائي ميثيل كبريتيد.

العوامل المربكة في بيانات الرصد

“العامل المربك الآخر الذي يجعل دراسة ويب للعوالم الصغيرة الصالحة للسكن صعبة هو ذلك ملحن النجوم يمكن أيضًا أن تظهر عليه علامات البخار. تم التحقيق فيه ملاحظات الويب الأخيرة لكوكب صخري خارج المجموعة الشمسية يُعرف باسم GJ 486 b. لذا، هناك التحدي الإضافي المتمثل في تحديد ما إذا كان البخار الذي اكتشفته شبكة الإنترنت يأتي بالفعل من الغلاف الجوي للكوكب، وليس من نجمه.

الخلاصة: مستقبل استكشاف الكواكب الخارجية

“إن اكتشاف علامات الحياة في أجواء الكواكب الصغيرة العابرة الصالحة للسكن والتي تدور حول نجوم باردة هو مسعى صعب للغاية، عادةً في ظروف مثالية (على سبيل المثال، أجواء خالية من السحب) أو في بيئات الأرض المبكرة (أي مختلفة عن الأرض الحديثة، كما نعلم). it)، لكل مليون الكشف عن إشارات أقل من 200 جزء، ونجم يعمل بشكل جيد دون وجود بخار ماء كبير في المنطقة بين النجوم، ووقت التلسكوب لتحقيق ما يكفي من الإشارة إلى الضوضاء.

“من المهم أيضًا أن نتذكر أن العثور على بصمة حيوية لا يعني بأي حال من الأحوال العثور على حياة. فالعثور على حياة على كوكب خارج المجموعة الشمسية سيتطلب بصمات حيوية مكتشفة بشكل لا لبس فيه، وبيانات من بعثات ومراصد متعددة، وجهود مكثفة لنمذجة الغلاف الجوي، وهي عملية قد تستغرق سنوات. .

“تكمن قوة ويب في أنه حساس بدرجة كافية لاكتشاف والبدء في توصيف الأغلفة الجوية لبعض الكواكب الصالحة للسكن الواعدة التي تدور حول نجوم باردة. ويب قادر بشكل خاص على اكتشاف العديد من الجزيئات المهمة للحياة، مثل بخار الماء والميثان وثاني أكسيد الكربون. وحتى لو لم يتمكن ويب من تحديد التوقيعات الصالحة للسكن بشكل قاطع، فإن هدفنا هو أن نتعلم قدر ما نستطيع عن العوالم التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن.

“ملاحظات ويب، جنبًا إلى جنب مع دراسات الكواكب الخارجية التي أجراها تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي القادم التابع لناسا، ستضع في نهاية المطاف الأساس للمستقبل. مختبر عالمي صالح للسكنهذه هي أول مهمة لناسا تهدف إلى التصوير المباشر والبحث عن التوقيعات الكيميائية للحياة على الكواكب الشبيهة بالأرض حول النجوم الشبيهة بالشمس.

عن المؤلفين:

كنكول كولون هي عالمة فيزياء فلكية في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ميريلاند.

كريستوفر ستارك هو عالم فيزياء فلكية في مختبر الكواكب الخارجية والفيزياء الفلكية النجمية في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ميريلاند، ويعمل جيمس ويب كعالم مساعد في برنامج مراقبة التلسكوب الفضائي.