اختبارات للتلسكوب الفضائي المستقبلي لرصد علامات الحياة على الأرض
مصر: إيهاب محمد زايد
نحن نعلم أن هناك الآلاف من الكواكب الخارجية، وهناك ملايين أخرى تنتظر اكتشافها. لكن الغالبية العظمى من الكواكب الخارجية هي ببساطة غير صالحة للسكن.
بالنسبة للقليل الذي قد يكون صالحًا للسكن، لا يمكننا تحديد ما إذا كان صالحًا للسكن إلا من خلال فحص أغلفته الجوية. يمكن أن يساعد مقياس التداخل الكبير للكواكب الخارجية LIFE.
يتزايد البحث عن البصمات الحيوية على الكواكب الخارجية التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن. نجح تلسكوب جيمس ويب الفضائي في جمع بعض أطياف الغلاف الجوي من أجواء الكواكب الخارجية، لكن لديه الكثير من المهام الأخرى التي يتعين عليه القيام بها، كما أن مراقبة الوقت مطلوبة بشكل كبير. تم تخصيص تلسكوب فضائي مخطط له يسمى LIFE للعثور على البصمات الحيوية للكواكب الخارجية، ومؤخرًا، أجرى الباحثون اختبارًا له: هل يمكنه اكتشاف البصمات الحيوية للأرض؟
باعتباره مقياس تداخل، يتكون LIFE من خمسة تلسكوبات منفصلة ستعمل في انسجام تام لتوسيع حجم عمل التلسكوب. يتم تطوير LIFE بواسطة ETH Zurich (المعهد الفيدرالي للتكنولوجيا في زيوريخ) في سويسرا. سوف تقوم LIFE بالمراقبة في منتصف الأشعة تحت الحمراء، حيث يمكن العثور على الخطوط الطيفية من المواد الكيميائية ذات الأهمية الحيوية مثل الأوزون والميثان وأكسيد النيتروز.
سيكون موقع LIFE في نقطة لاغرانج 2، على بعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر (1 مليون ميل)، حيث يقع تلسكوب جيمس ويب الفضائي أيضًا. ومن هذا الموقع، سوف يراقب قائمة بأهداف الكواكب الخارجية على أمل العثور على البصمات الحيوية.
وأوضح ساشا كوانز، أستاذ الكواكب الخارجية وقابلية السكن في ETH Zurich، الذي يقود مبادرة LIFE: “هدفنا هو اكتشاف المركبات الكيميائية في طيف الضوء التي تشير إلى وجود حياة على الكواكب الخارجية”.
يكشف طيف إرسال WASP-39 b الذي التقطه NIRSpec التابع لـ JWST في 10 يوليو 2022، عن أول دليل قاطع على وجود ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لكوكب خارج النظام الشمسي. (ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، وإل هوستاك (STScI). العلوم: الفريق العلمي للإصدار المبكر لمجتمع الكواكب الخارجية العابرة لـ JWST)
لا تزال الحياة مجرد مفهوم، وأراد الباحثون اختبار أدائها. وبما أنه لم يتم بناؤه بعد، استخدم فريق من الباحثين الغلاف الجوي للأرض كحالة اختبار.
لقد تعاملوا مع الأرض كما لو كانت كوكبًا خارج المجموعة الشمسية واختبروا أساليب LIFE ضد الطيف الجوي المعروف للأرض في ظروف مختلفة. لقد استخدموا أداة تسمى LIFEsim للعمل مع البيانات. غالبًا ما يستخدم الباحثون البيانات المحاكاة لاختبار قدرات المهمة، لكنهم في هذه الحالة استخدموا بيانات حقيقية.
يتم نشر نتائجهم في المجلة الفلكية. يحمل البحث عنوان “مقياس التداخل الكبير للكواكب الخارجية (LIFE). الثاني عشر. إمكانية اكتشاف البصمات الحيوية لقمة كابستون في منتصف الأشعة تحت الحمراء – استنشاق الغاز الضاحك للكواكب الخارجية والهالوجينات الميثيلية.” المؤلف الرئيسي هو الدكتور دانييل أنغرهاوزن، عالم الفيزياء الفلكية وعالم الأحياء الفلكية في ETH في زيورخ.
في سيناريو العالم الحقيقي، ستكون الأرض مجرد بقعة بعيدة، ويكاد يكون من المستحيل تمييزها. كل ما ستشاهده الحياة هو الطيف الجوي للكوكب، والذي سيتغير بمرور الوقت اعتمادًا على المشاهد التي يلتقطها التلسكوب، والأهم من ذلك، مدة مراقبته له.
سيتم جمع هذه الأطياف مع مرور الوقت، وهذا يؤدي إلى سؤال مهم: كيف ستؤثر هندسة الرصد والتغيرات الموسمية على ملاحظات LIFE؟
ولحسن حظ فريق البحث، لدينا ملاحظات وافرة عن الأرض ليعملوا عليها. عمل الباحثون بثلاثة أشكال هندسية رصدية مختلفة: منظران من القطبين وواحد من المنطقة الاستوائية. ومن وجهات النظر الثلاث هذه، عملوا مع بيانات الغلاف الجوي من يناير ويوليو، والتي تمثل أكبر التغيرات الموسمية.
على الرغم من أن الأجواء الكوكبية يمكن أن تكون معقدة للغاية، إلا أن علماء الأحياء الفلكية يركزون على جوانب معينة للكشف عن قدرة الكوكب على استضافة الحياة. ومما يثير الاهتمام بشكل خاص المواد الكيميائية N2O، وCH3Cl، وCH3Br (أكسيد النيتروز، والكلوروميثان، والبروموميثان)، والتي يمكن إنتاجها جميعًا بيولوجيًا.
“نحن نستخدم مجموعة من السيناريوهات المستمدة من نماذج الحركية الكيميائية التي تحاكي الاستجابة الجوية لمستويات متنوعة من الإنتاج الحيوي لأكسيد النيتروز وCH3Cl وCH3Br في أجواء الكواكب الأرضية الغنية بالأكسجين لإنتاج نماذج متقدمة لبرنامج محاكاة المراقبة LIFEsim الخاص بنا”.
وعلى وجه الخصوص، أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت LIFE قادرة على اكتشاف ثاني أكسيد الكربون والماء والأوزون والميثان على كوكب الأرض من على بعد حوالي 30 سنة ضوئية. هذه علامات على وجود عالم معتدل يدعم الحياة – وخاصة الأوزون والميثان، اللذين تنتجهما الحياة على الأرض – لذلك إذا تمكنت LIFE من اكتشاف الكيمياء البيولوجية على الأرض بهذه الطريقة، فيمكنها اكتشافها في عوالم أخرى.
تمكنت LIFE من اكتشاف ثاني أكسيد الكربون والماء والأوزون والميثان على الأرض. كما رصدت بعض الظروف السطحية التي تشير إلى وجود ماء سائل. ومن المثير للاهتمام أن نتائج LIFE لم تعتمد على الزاوية التي يُنظر منها إلى الأرض. وهذا أمر مهم لأننا لا نعرف ما هي زوايا الحياة التي ستكون به مراقبة الكواكب الخارجية من.
أما التقلبات الموسمية فهي القضية الأخرى، ولم يكن من السهل مراقبتها. ولكن لحسن الحظ، يبدو أن هذا لن يكون عاملا مقيدا. وقال كوانز: “حتى لو لم يتم ملاحظة موسمية الغلاف الجوي بسهولة، فإن دراستنا توضح أن البعثات الفضائية من الجيل التالي يمكنها تقييم ما إذا كانت الكواكب الخارجية الأرضية المعتدلة القريبة صالحة للسكن أو حتى مأهولة”.
ومع ذلك، فإن الكشف عن المواد الكيميائية المطلوبة ليس كافيًا. القطعة الحاسمة هي كم من الوقت يستغرق. إن بناء مقياس التداخل الفضائي الذي يكشف هذه المواد الكيميائية ولكنه يستغرق الكثير من الوقت للقيام بذلك لن يكون عمليًا أو فعالًا.
وكتب فريق البحث في ورقته البحثية: “نستخدم النتائج لاستخلاص أوقات المراقبة اللازمة للكشف عن هذه السيناريوهات وتطبيقها لتحديد المتطلبات العلمية للمهمة”.
لرسم صورة أكبر لأوقات مراقبة LIFE، طور الباحثون قائمة بالأهداف. لقد أنشأوا “… توزيعًا لمسافة الكواكب هرتز التي يتراوح نصف قطرها بين 0.5 و1.5 نصف قطر الأرض حول نجوم من نوع M وFGK ضمن 20 قطعة من الشمس والتي يمكن اكتشافها باستخدام LIFE.” تأتي البيانات الخاصة بهذه الأهداف من وكالة ناسا ومن أبحاث سابقة أخرى.
وتظهر النتائج أن هناك حاجة إلى بضعة أيام فقط لبعض الأهداف، بينما بالنسبة للأهداف الأخرى، قد يستغرق الأمر ما يصل إلى 100 يوم للكشف عن الكميات ذات الصلة.
ما يسميه الفريق “الأهداف الذهبية” هو الأسهل في المراقبة. تعتبر الكواكب في بروكسيما سنتوري مثالاً على هذه الأنواع من الأهداف. هناك حاجة إلى بضعة أيام فقط من المراقبة لهذه الكواكب. وكتب الباحثون أن الأمر سيستغرق حوالي عشرة أيام من الملاحظات مع LIFE لمراقبة “سيناريوهات قياسية معينة مثل الكواكب الأرضية المعتدلة حول مضيفي النجوم M بنسبة خمسة بالمائة”.
إن أصعب الحالات التي لا تزال ممكنة هي الكواكب الخارجية التي هي توائم الأرض على بعد حوالي 5 فرسخ فلكي. ووفقاً للنتائج، يحتاج LIFE إلى ما بين 50 إلى 100 يوم من المراقبة للكشف عن البصمات الحيوية.
لا تزال الحياة مجرد مهمة محتملة في هذه المرحلة. إنها ليست المهمة المقترحة الأولى التي ستركز فقط على قابلية السكن على الكواكب الخارجية. في عام 2023، اقترحت وكالة ناسا إنشاء مرصد العوالم الصالحة للسكن (HWO). هدفها هو تصوير ما لا يقل عن 25 عالمًا يحتمل أن يكون صالحًا للسكن مباشرة ثم البحث عن البصمات الحيوية في أغلفتها الجوية.
ولكن، وفقا للمؤلفين، تظهر نتائجهم أن الحياة هي الخيار الأفضل.
وخلص الباحثون إلى أنه “إذا كانت هناك أنظمة كواكب خارجية نجمية من النوع المتأخر في المنطقة الشمسية مع كواكب تظهر محيطات حيوية عالمية تنتج إشارات N2O وCH3X، فإن LIFE ستكون المهمة المستقبلية الأكثر ملاءمة للبحث عنها بشكل منهجي واكتشافها في النهاية”.
نشرت الدراسة في مجلة الكون
