حقوق الصورة: John Rowe
يبدأ البحث عن الكواكب الشبيهة بالكرة الأرضية بالبحث عن النجوم الشبيهة بالشمس. طُلب من عالم الفلك ماجي تورنبل أن يصنع قائمة قصيرة من ثلاثين نجمة مرشحة تتطابق بشكل كبير مع شمسنا من إجمالي 2،350 نجمة تقع على بعد مائة سنة ضوئية منا. سيتم استخدام هذه القائمة القصيرة ، بما في ذلك 37 جوهرة ، من قِبل مهمة Terrestrial Planet Finder ، والتي ستبحث عن الكواكب الصالحة للسكن من خلال البحث عن الضوء المرئي للأكسجين أو الماء في كوكب يشبه الأرض - وهي علامة مؤكدة للحياة.
النجمة السابعة والثلاثون الأكثر غربية في كوكبة الجوزاء ، هي نجمة صفراء برتقالية مثل شمسنا. النجم يسمى 37 Geminorum ، ولكن بالنسبة للفيزيائية الفلكية مارجريت تورنبل ، النجم خاص لأنه يقدم دراسة حالة للنظر في ما قد يكون مؤهلاً كمرشح جيد لإيواء كواكب صالحة للسكن.
في بناء قائمتها من النجوم التي قد تدعم الكواكب بالماء السائل والأكسجين ، عليها أن تستبعد الشموس المتطرفة: إما صغيرة جدًا أو قديمة جدًا ، أو تدور بسرعة كبيرة جدًا ، أو متغيرة بدرجة كافية في السطوع لتسبب فوضى مناخية على أي العالم القريب.
على مسافة 56.3 سنة ضوئية ، لم يظهر النجم 37 جيم بعد علامات تدل على وجود مثل هذه الكواكب أو أي كواكب - لكن ناسا وتلسكوبات أوروبية تتطلع لاستهداف النجوم مثل 37 جوهرة لأنها قد تشارك بعض الخصائص نفسها التي جعلت نظامنا الشمسي صالحًا للسكن. تم العثور على أكثر من 100 كوكب خارج المجموعة الشمسية حتى الآن باستخدام التلسكوبات الأرضية ، وقد تصل التقديرات الإجمالية لمثل هذه الكواكب في مجرتنا إلى مليارات العوالم المرشحة.
بالعمل من جامعة أريزونا في توكسون ، طُلب من ماجي تورنبل تقديم قائمة قصيرة من ثلاثين مرشحًا تشبه إلى حد كبير شموس أخرى قادرة على دعم ظروف الحياة لتزدهر. بدأ بحثها بين النجوم على بعد أقل من مائة سنة ضوئية بنحو 2350 نجمًا لمزيد من التفكير.
قدمت Turnbull نتائجها مؤخرًا إلى مجموعة من العلماء من مشروع التلسكوب الفضائي التابع لوكالة ناسا ، وهو مكتشف الكواكب الأرضية (TPF) ، والتي ستبحث عن الكواكب الصالحة للسكن باستخدام الضوء المرئي مع "توقيع" الماء و / أو الأكسجين من الأرض- اكتب كوكب. بعد الإطلاق المقرر لـ TPF في حوالي عام 2013 ، سيتبع مشروع داروين الأوروبي الذي يشمل ستة تلسكوبات فضائية.
تم تقليص القائمة النجمية من قائمة أكبر (17،129 نجمة خلال 450 سنة ضوئية ، أو 140 فرسخًا) ، والتي نشرها Turnbull والمستشار جيل تارتر من معهد SETI لأول مرة في Astrophysical Journal. أصبحت القائمة معروفة باسم كتالوج الأنظمة النجمية القريبة (أو HabCat). مقالتهم التي نُشرت في أغسطس ، بعنوان "اختيار الهدف لـ SETI: I. كتالوج للأنظمة النجمية القريبة النابضة" ، وسعت قوائم المرشحين السابقة بما يقرب من عشرة أضعاف ، أو ترتيب من حيث الحجم.
لدعم الحياة المعقدة ، يجب أن يكون النجم المرشح اللون المناسب والسطوع والعمر. إذا كان نجمًا في منتصف العمر مثل نجمنا ، فسيحترق ما يكفي من عناصر الضوء القابلة للانصهار لإنتاج معادن أثقل مثل الحديد ، ولكن ليس قديمًا لدرجة أنه ينهار أو صغير جدًا لدرجة أن الحياة ليست سوى مستقبل بعيد. استنادًا إلى الأجزاء التي نعرفها عن كيفية ظهور الحياة المعقدة على الأرض ، يهدف بحث Turnbull إلى العثور على "Goldilocks" للنجوم التي تبدو "صحيحة تمامًا".
فلماذا 37 جوهرة؟
37 يقع Geminorum في الجزء الشمالي الغربي من كوكبة الجوزاء ، التي سميت باسم التوائم. بالنسبة إلى علماء الفلك الهواة الذين لديهم تلسكوب فناء خلفي جيد ، يمكن رؤية 37 جوهرة. في الأساطير اليونانية ، أبحر توأمان الجوزاء مع جايسون في البحث عن الصوف الذهبي. خلال العاصفة ، ساعد التوأمان في إنقاذ سفينتهم ARGO من الغرق ، وبالتالي أصبحت الكوكبة ذات قيمة كبيرة من قبل البحارة.
يتم تجميع معظم النجوم مثل Gem 37 في عدد صغير من الطبقات الطيفية ، استنادًا تقريبًا إلى لون الضوء الذي ينبعث منه. تُدرج خلاصة النجوم ، التي تسمى كتالوج هنري دريبر ، فئات طيفية في سبع فئات عريضة ، من الأكثر سخونة إلى أروع النجوم. يتم تصنيف هذه الأنواع ، من أجل تقليل درجة الحرارة ، بالحروف O ، B ، A ، F ، G ، K ، و M. التسمية متجذرة في أفكار عفا عليها الزمن حول التطور النجمي ، لكن المصطلحات لا تزال قائمة. يبلغ عمر شمسنا ، المصنفة على نطاق أدق على أنها قزم "G2V" ، 4.5 مليار سنة تقريبًا. النجم المرشح ، 37 جوهرة ، في منتصف العمر بالمثل ، ولكنه أكبر إلى حد ما بمليار عام ، في 5.5 مليار سنة.
أطياف النجوم من النوع G مثلنا (و 37 جوهرة) تهيمن عليها عناصر كيميائية معينة ، كما تشير إلى خطوطها الطيفية المميزة (أو الانبعاثات). العناصر الأكثر أهمية حاليًا هي المعادن ، خاصةً تلك التوقيعات النجمية الغنية بالحديد والكالسيوم والصوديوم والمغنيسيوم والتيتانيوم. من الناحية الفلكية ، مقارنة بتصنيف شمسنا على أنه قزم نموذجي لـ G2V ، فإن 37 جوهرة لديها درجة حرارة سطح أكثر سخونة قليلاً. وبالتالي فإن الاختيار الرئيسي لـ Turnbull - 37 Gem - مفهرس على أنه قزم G0V - مما يعني أيضًا أنه نجم قزم تسلسلي أصفر برتقالي رئيسي. لأن النجوم G تتميز بوجود هذه الخطوط المعدنية وأطياف هيدروجين ضعيفة ، فإنها تشترك في عمر وكتلة وإضاءة مشتركة.
بخلاف ذلك ، فإن 37 جوهرة قريبة من توأمنا الشمسي الخاص بنا ، أو نظيرها الشبيه بجوزاء الشمس: 1.1 مرة كتلة الشمس ، و 1.03 ضعف قطرها ، و 1.25 مرة لمعانها.
قال Turnbull لمجلة Astrobiology ، "اللمعان هي" أهم المعلومات "،" نحن نستخدم في تحديد قابلية السكن للنجوم القريبة "للحياة المعقدة ، لأن اللمعان يشير إلى أي مرحلة من عمر النجم ، وهذا بدوره يملي المدة سيظل النجم مستقرا.
أتيحت الفرصة لمجلة علم الأحياء الفلكي للتحدث مع ماجي تورنبل في مرصد ستيوارد في توكسون حول كيفية اختيار المرشحين النجمين للسكن.
مجلة علم الأحياء الفلكي (AM): بدأ الاستطلاع الذي أجريته مؤخرًا في النظر إلى حوالي 100 سنة ضوئية بعيدة عن شمسنا ، وجميع النجوم الواردة من هذا النطاق إلى الداخل ، صحيح؟ هذا هو المجال البصري لبدء البحث؟
مارجريت تورنبل (MT): هناك حوالي 2350 نجمًا هيباركوسًا في غضون 30 فرسخًا (90 ضوءًا
سنوات) ، المسافة القصوى لمهمة الباحث عن الكواكب الأرضية (TPF). هناك حوالي 5000 نجمة إجمالية في تلك المسافة ، لكننا ننظر فقط إلى نجوم Hipparcos لذا فإن قائمة البداية الخاصة بي هي 2350 نجمة.
صباحا: هل سبق لك أن حصلت على تلسكوب في الفناء الخلفي لرؤية 37 جوهرة؟
MT: يجب أن يكون مرئيًا بالتأكيد من خلال تلسكوب في الفناء الخلفي ، ولكن لا ، لم أنظر إليه بعيني! بسبب القياس الضوئي (قياس سطوعه) و التحليل الطيفي (قياس تكوينه) الذي نظرت إليه ، أشعر أنني "أعرفه" دون أن أراه على الإطلاق.
ومع ذلك ، هناك المزيد من المراقبة التي يتعين القيام بها لـ 37 جوهرة. على سبيل المثال ، نحتاج إلى إجراء تصوير عالي الدقة بالأشعة تحت الحمراء لهذا النجم قبل أن نقول أنه يجب أن يكون هدفًا - إذا اكتشفنا أن هناك الكثير من الحطام يطفو حولها ، فسيتعين علينا إزالته من القائمة.
صباحا: هل كان النجم 37 جوهرة مختلفًا كثيرًا عن النجم الثاني في قائمة أفضل ثلاثين مرشحًا؟
MT: في الواقع ، كل النجوم "الأفضل" متشابهة جدًا مع بعضها البعض ، وفي الواقع ليس من المنطقي محاولة ترتيبها. 37 جوهرة تصادف أنها واحدة من أقرب النجوم التي تفي أيضًا بالمعايير الهندسية ، لذلك تبدو في هذا الوقت كمرشح جيد جدًا للبحث عن TPF.
صباحا: بدافع الفضول ، ما النجم الذي كان رقم اثنين رسميًا في القائمة؟
MT: عندما تنظر إلى ثلاثين نجمة فقط ، من الأفضل أن تكون "رقم واحد". أي أن كل نجمة نلاحظها يجب أن تكون ذات أهمية أساسية للمهمة ، لأنه ليس لدينا وقت نضيعه. ما زلنا بصدد تحديد هدف المهمة الأساسية بدقة.
إذا كان الهدف هو النظر إلى مجموعة من الأنواع الطيفية ، فقد تشتمل النجوم العليا على نجوم K أو M قريبة جدًا ، ولكن إذا كان الهدف هو النظر إلى 30 من أكثر النجوم شبيهة بالشمس ، فإن النجوم مثل 18 Sco (شمسية التوأم عند 14 فرسخًا في Constellation Scorpius) ، أو بيتا CVn ("كلب الصيد") ، أو 51 Peg ("Pegasus" ، الحصان الطائر) قد ينتهي بهم المطاف بأن يكونوا أفضل رهاناتنا.
صباحا: هل هناك قطعة أو قطعتان من البيانات المفقودة التي من شأنها أن تساعد في تحسين التصنيف على المرشحين النجوم؟
MT: في هذا الوقت ، التصوير بالأشعة تحت الحمراء عالية الدقة هو الجزء المفقود من البيانات التي نحتاجها بالتأكيد. نحتاج إلى معرفة ما إذا كانت هذه النجوم تحتوي على أقراص حطام متربة تجعل من الصعب اكتشاف الكواكب التي تدور حولها.
تحتوي الشمس على كمية كبيرة من غبار البروج لأن المشتري يحرك باستمرار حزام الكويكبات وبينما تصطدم الكويكبات يضيفون غبارًا إلى النظام الشمسي.
قد لا يفسد مستوى مماثل من الغبار حول النجوم الأخرى فرصنا في رؤية الكواكب ، لكننا نرغب بالتأكيد في إبقاء ذلك عند الحد الأدنى.
صباحا: ما هي خططك المستقبلية للقائمة النجمية لدعم مهمتي Earth Planet Finder و Darwin؟
MT: لم أقدم حتى الآن قائمتي "النهائية" إلى مجموعة عمل العلوم TPF يومي 18 و 19 نوفمبر في المرصد البحري الأمريكي ، خلال اجتماع مع آخرين يقومون بإنشاء قوائمهم الخاصة.
لقد عرضت بالفعل منهجيتي على المجموعة ، ولكن الآن سنلتقي بالمهندسين الذين سيشرحون لنا قيود الأداة وسيتعين علينا تحسين القائمة لتتوافق مع معاييرهم.
ستشمل معاييرهم أشياء مثل: لا يمكن أن يكون لها نجم مصاحب في عدة ثوان قوسية حتى لو لم يكن الرفيق مصدر قلق لاستقرار الكوكب ، لأن الضوء الإضافي سوف يلوث مجال الرؤية ؛ لا يمكن أن ننظر إلى النجوم أكثر خفوتًا من الحجم السادس ؛ يمكن فقط النظر إلى النجوم على الأقل 60 درجة بعيدًا عن الشمس خلال العام بأكمله ، إلخ.
صباحا: لقد قمت بنشر كتالوجك الأول للنجوم الصالحة للسكن في أغسطس من هذا العام ، وهناك جزء من هذا التصنيف. ما هي الخطط الرئيسية للجزء الثاني من HabCat؟
MT: لقد قدمت أنا وجيل تارتر مؤخرًا ورقة ثانية على قائمة أهداف SETI والتي ستظهر في ملاحق مجلة الفيزياء الفلكية في ديسمبر. تقدم هذه الورقة قائمة بالمجموعات المفتوحة القديمة ذات المعدن العالي ، وأقرب 100 نجمة بغض النظر عن النوع النجمي ، وحوالي 250،000 نجمة تسلسلية رئيسية من كتالوج Tycho ، والتي سيتم ملاحظتها جميعًا من خلال مصفوفة Allen Telescope Array (ATA) كلما كان HabCat النجم غير متاح لنا لمراقبته.
سيتم توجيه شعاع ATA الأساسي بواسطة علماء الفلك الراديوي ، وسوف يقومون بعمل خرائط عالية الدقة لأهدافهم الخاصة ، بينما في نفس الوقت سنراقب نجوم HabCat (أو النجوم من قوائمنا في الورقة 2) لـ SETI.
صباحا: أخيرًا ، هل تخطط البعثات ، Kepler و TPF ، لأنواع التحسينات التي من شأنها أن تؤدي إلى اكتشاف المزيد من الكواكب بحجم الأرض ، وليس فقط عمالقة الغاز ، لنجم معين في استطلاعاتهم؟
MT: نعم. سيقدم لنا كبلر إشارة إلى مدى شيوع الكواكب الأرضية من خلال مشاهدة آلاف النجوم الشبيهة بالشمس بحثًا عن "الترانزيت" - الأحداث التي يمر فيها الكوكب فعليًا أمام النجم الذي يدور حوله ويحجب القليل من ضوء النجم مؤقتًا.
سيتابع Terrestrial Planet Finder هذا الأمر من خلال تصوير الكواكب التي تدور حول أقرب النجوم ، وإخبارنا بما إذا كانت هذه الكواكب تحتوي على أجهزة جوالة من خلال أخذ أطياف.
يمكننا البحث عن الماء والأكسجين وثاني أكسيد الكربون ، وإذا كنا محظوظين فقد نرى بعض المؤشرات المباشرة للحياة على شكل توقيع نباتي أو اختلال قوي في الغلاف الجوي ، مثل الوجود المتزامن للأكسجين والميثان (بسبب إلى الوجود المتزامن للنباتات وبكتيريا الميثانوجين على الأرض).
ماذا بعد
يجب تصميم أي مهمة للكشف عن الكواكب الأرضية حول النجوم الأخرى وتمييزها بالطيف الطيفي بحيث يمكنها اكتشاف أنواع مختلفة من الكواكب الأرضية مع نتائج مفيدة. إن مثل هذه المهمات هي الآن قيد الدراسة - الباحث عن الكواكب الأرضية (TPF) ، من قبل وكالة ناسا ، وداروين من وكالة الفضاء الأوروبية وكالة الفضاء الأوروبية. الهدف الرئيسي من TPF / Darwin هو توفير البيانات لعلماء الأحياء وكيميائيي الغلاف الجوي.
يتوقف مفهوم TPF / Darwin على افتراض أنه يمكن للمرء أن يفحص الكواكب خارج المجموعة الشمسية للتأكد من صلاحيتها. لكي يكون هذا الافتراض صحيحًا ، يجب أن نجيب على الأسئلة التالية. ما الذي يجعل الكوكب صالحًا للسكن وكيف يمكن دراسته عن بُعد؟ ما هي التأثيرات المتنوعة التي قد تمارسها الكائنات الحية على أطياف الأجواء الكوكبية؟ ما هي النتائج الإيجابية الزائفة التي قد نتوقعها؟ ما هي التواريخ التطورية للأجواء المحتمل أن تكون؟ وبشكل خاص ، ما هي مؤشرات الحياة القوية؟
يجب على TPF / Darwin مسح النجوم القريبة لأنظمة الكواكب التي تتضمن كواكب بحجم الأرض في مناطقها الصالحة للسكن (الكواكب "الشبيهة بالأرض"). من خلال التحليل الطيفي ، يجب على TPF / Darwin تحديد ما إذا كانت هذه الكواكب لها أجواء وأن تحدد ما إذا كانت صالحة للسكن.
ومن المقرر أيضًا إطلاق مهمة كيبلر في مدار شمسي في أكتوبر 2006. ويهدف كيبلر إلى تحديد معدل تكرار الكواكب الداخلية بالقرب من المنطقة الصالحة للسكن لمجموعة كبيرة من النجوم. سيراقب كيبلر في وقت واحد 100000 نجم في "جوارنا" المجري ، بحثًا عن كواكب بحجم الأرض أو أكبر داخل "المنطقة الصالحة للسكن" حول كل نجم - المنطقة ليست شديدة الحرارة ولا شديدة البرودة حيث قد توجد المياه السائلة كوكب.
لتسليط الضوء على صعوبة اكتشاف كوكب بحجم الأرض يدور حول نجم بعيد ، يشير المحقق الرئيسي في كيبلر ، ويليام بوروكي من وكالة ناسا أميس إلى أن تغطية قرص الشمس ستحتاج إلى 10000 الأرض. يقول أحد تقديرات وكالة ناسا أنه يجب على كبلر اكتشاف 50 كوكبًا أرضيًا إذا كان معظمها موجودًا حول حجم الأرض ، و 185 كوكبًا إذا كانت معظمها أكبر بنسبة 30 في المائة من الأرض و 640 إذا كانت معظمها 2.2 مرة حجم الأرض. بالإضافة إلى ذلك ، من المتوقع أن يجد كبلر ما يقرب من 900 كوكب عملاق قريب من نجومهم وحوالي 30 عملاقًا يدورون على مسافات تشبه المشتري من نجومهم الأم.
نظرًا لأن معظم الكواكب العملاقة الغازية الموجودة حتى الآن تدور بالقرب من نجومها أكثر من المشتري حول الشمس ، يعتقد بوروكي أنه خلال المهمة التي تستغرق أربع إلى ست سنوات ، سيجد كيبلر نسبة كبيرة من الكواكب قريبة جدًا من النجوم. ويقول إذا ثبت ذلك ، "نتوقع العثور على آلاف الكواكب".
باستخدام الأساليب الحالية ، سيجد علماء الفلك اليوم صعوبة بالغة في اكتشاف كوكب بحجم الأرض حول النجم 37 جوهرة. ومع ذلك ، استبعدت التحليلات السابقة بعض الخيارات. على سبيل المثال ، لا يدور كوكب عملاق مثل المشتري أو زحل حول 37 جوهرة. اقترحت هذه الدراسات أن الكواكب العملاقة التي يتراوح وزنها بين 10 إلى 10 أضعاف كتلة المشتري لا توجد بالقرب من 37 جوهرة (في نطاق 0.1 إلى أربع وحدات فلكية ، أو مسافة واحدة بين الشمس والأرض ، AUs ، انظر أيضًا Cummings et al ، 1999) . نظرًا لتحديات العثور على كواكب خافتة بالقرب من النجوم الأكثر سطوعًا ، فإن معظم الكواكب خارج المجموعة الشمسية التي تم العثور عليها حتى الآن تشبه كوكب المشتري الخاص بنا - ربما تكون غازية ، ومن غير المحتمل أن تحتوي على ظروف للحياة بسبب قربها من نجم أصل. .
لكن الظروف حول 37 جوهرة قد تدعم كواكب داخلية أصغر مثل الزهرة أو الأرض. لا أحد يعرف. فقط المسوحات المستقبلية سيكون لديها أدوات قادرة على إيجاد مثل هذه الكواكب الشبيهة بالأرض.
نماذج من النجوم مثل 37 جوهرة ، مع ذلك ، تدعم الوجود المحتمل لمدار ثابت واحد على الأقل لكوكب شبيه بالأرض (مع الماء السائل) تتمحور حول مسافة واحدة بين الشمس والأرض (1.12 AU). مثل هذا الكوكب المفترض يدور بين مسافات الأرض والمريخ في نظامنا الشمسي. هذا الكوكب غير المكتشف ، إذا كان يمكن اكتشافه في الدراسات المستقبلية ، سيكون له عام يدوم أكثر من 450 يومًا ، أو فترة مدارية حوالي 1.3 سنة أرضية.
نظرًا لأن الحياة المولدة للأكسجين على الأرض استغرقت حوالي ملياري عام لتستقر ، فمن المرجح أن النجوم الأصغر سنًا من هذا لم يكن لديها الوقت الكافي لتتطور الحياة نحو أي أشكال معقدة. بالنظر إلى مليارات السنين المطلوبة لتطور الحياة على الأرض ، يمكن للعلماء أن يتساءلوا عما إذا كانت الحياة ستتاح لها فرصة في نظام شمسي قصير العمر. لطالما اعتبرت النجوم الأكثر سخونة والأكثر ضخامة أقل احتمالًا لإيواء الحياة ولكن ليس لأنها ستكون ساخنة جدًا. لا يزال بإمكان الكواكب الاستمتاع بالمناخ المعتدل ، بعيدًا عن الأرض بعيدًا عن الشمس ، وفي المدارات البعيدة عن نجمها الأم. المشكلة الأولى للسكن هي مشكلة الوقت وليس درجة الحرارة. تميل النجوم الأكثر سخونة إلى الاحتراق بشكل أسرع - ربما أسرع من أن تتطور الحياة هناك.
المصدر الأصلي: مجلة علم الأحياء الفلكي
