على مدى العقود القليلة الماضية ، ازداد عدد الكواكب التي تعمل بالطاقة الشمسية والتي تم اكتشافها وتأكيدها بشكل كبير. في الوقت الحاضر ، تم تأكيد وجود 3778 كوكبًا خارجيًا في 2818 نظامًا كوكبيًا ، مع وجود 2737 مرشحًا إضافيًا في انتظار التأكيد. مع توفر هذا الحجم من الكواكب للدراسة ، بدأ تركيز أبحاث الكواكب الخارجية يتحول من الكشف إلى التوصيف.
على سبيل المثال ، يهتم العلماء بشكل متزايد بتوصيف أجواء الكواكب الخارجية حتى يتمكنوا من القول بثقة أن لديهم المكونات المناسبة للحياة (أي النيتروجين وثاني أكسيد الكربون ، وما إلى ذلك). لسوء الحظ ، هذا صعب للغاية باستخدام الأساليب الحالية. ومع ذلك ، وفقًا لدراسة جديدة أجراها فريق دولي من علماء الفلك ، ستكون أدوات الجيل التالي التي تعتمد على التصوير المباشر بمثابة تغيير في اللعبة.
ظهرت دراسة "التصوير المباشر في الضوء المنعكس: توصيف الكواكب الخارجية المعتدلة القديمة مع التلسكوبات 30 م" على الإنترنت مؤخرًا. قاد الدراسة مايكل فيتزجيرالد وبن مازن - أستاذ مشارك في الفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس (UCLA) وكرسي أسوأ في الفيزياء التجريبية في جامعة كاليفورنيا سانتا باربرا (UCSB) ، على التوالي.
وانضم إليهم باحثون من معهد أبحاث الكواكب الخارجية بجامعة مونتريال (iREX) ، ومختبر الدفع النفاث التابع لناسا ، ومراصد كارنيجي ، ومرصد ستيوارد ، والمرصد الفلكي الوطني الياباني ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، وكاليفورنيا. معهد التكنولوجيا (كالتيك) وجامعات متعددة.
كما يشيرون في دراستهم ، فإن قدراتنا على وصف الكواكب الخارجية محدودة حاليًا. على سبيل المثال ، أدت طرقنا الحالية - الأكثر استخدامًا على نطاق واسع وهي طريقة العبور وقياسات السرعة الشعاعية - إلى اكتشاف الآلاف من الكواكب قصيرة المدى (الكواكب التي تدور حول شموسها مع فترة حوالي 10 أيام). ومع ذلك ، فإن حساسية هذه الأساليب تبدأ في الانخفاض بشكل كبير كلما كان الكوكب الخارجي بعيدًا عن الشمس.
ما هو أكثر من ذلك ، أنه لا يمكن الوصول إلى الكواكب طويلة المدى إلى حد كبير فيما يتعلق أطيافها. يتضمن هذا النوع من التحليل قياس الضوء الذي يمر عبر الغلاف الجوي للكوكب أثناء انتقاله من نجمه. من خلال قياس أطيافها لتحديد تكوينها ، يمكن للعلماء تمييز الغلاف الجوي للكوكب الخارجي وتحديد ما إذا كان الكوكب يمكن أن يكون صالحًا للسكن.
ولمعالجة ذلك ، يقترح الفريق أن الكشف المباشر (المعروف أيضًا بالتصوير المباشر) سيكون طريقة أكثر فعالية لتوصيف أجواء الكواكب الخارجية. كما أوضحت الدكتورة Étienne Artigau ، الباحث iREX والمؤلف المشارك في الدراسة ، لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني (مترجم من الفرنسية)
"لم يتم العثور على كوكب مكتشف حاليًا في" الضوء المنعكس. عندما نرى الكواكب في نظامنا الشمسي ، لأن الشمس مضاءة من خلال رؤيتها. بنفس الطريقة ، تعكس كواكب النجوم الأخرى الضوء ويجب أن يكون من الممكن اكتشاف هذا الضوء باستخدام تلسكوب قوي بما فيه الكفاية. نسبة التدفق بين الكواكب ونجمها هائلة ، من حوالي مليار ، مقارنة بالكواكب التي تم اكتشافها من خلال انبعاثها الحراري ، أو هذه النسبة بدلاً من مليون. "
في الوقت الحاضر ، التصوير المباشر هو الوسيلة الوحيدة للحصول على أطياف من الكواكب الخارجية غير العابرة ، وخاصة تلك التي تقع على مسافات متوسطة وعريضة من شموسها. في هذه الحالة ، يحصل الفلكيون على أطياف من الضوء المنعكس من الغلاف الجوي للكوكب الخارجي لتحديد تكوينه. تم تصوير عدد قليل فقط من الكواكب الخارجية بشكل مباشر حتى الآن ، وجميعها كانت عبارة عن كواكب المشتري الفائقة المضيئة التي تدور حول نجومها المضيفة على مسافة مئات أو آلاف من الاتحاد الأفريقي.
كانت هذه الكواكب صغيرة جدًا ولديها درجات حرارة تزيد عن 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت) ، مما يجعلها فئة نادرة جدًا من الكواكب. ونتيجة لذلك ، لا يمتلك الفلكيون معلومات عن تنوع أجواء الكواكب الخارجية ، خاصة عندما يتعلق الأمر بالكواكب الصخرية الأصغر التي لها درجات حرارة أقرب إلى درجات حرارة الأرض - حيث تبلغ درجات الحرارة السطحية حوالي 15 درجة مئوية (58.7 درجة فهرنهايت).
ويرجع ذلك إلى حقيقة أن التلسكوبات الموجودة ببساطة لا تملك حساسية لتصوير الكواكب الصغيرة التي تدور حول النجوم بشكل مباشر. كما حددوا في دراستهم ، فإن توصيف أجواء الكواكب التي تقع داخل 5 AU من نجومها (حيث كشفت مسوحات السرعة الشعاعية عن العديد من الكواكب) يتطلب تلسكوبًا مع فتحة 30 مترًا مقترنة بالبصريات التكيفية المتقدمة ، وفقرة توجية ، و مجموعة من مطياف التصوير.
"باختصار ، لا يمكن لأي تلسكوب حالي اكتشاف هذه الكواكب ، حتى حول النجوم الأقرب إلينا ، ولكن هناك كل سبب للاعتقاد بأن الجيل القادم من التلسكوبات التي يبلغ قطرها 30 مترًا وأكثر سيكون قادرًا على القيام بذلك". Artiqua. "ليس من المؤكد أن المرء سيكون قادرًا على اكتشاف الكواكب مثل الأرض في البداية ، ولكن يجب أن يكون واحدًا على الأقل قادرًا على اكتشاف الكواكب المماثلة لكوكب أورانوس ونبتون ، والتي ستكون بالفعل نتيجة رائعة."
تشمل مرافق الجيل التالي هذه وأدوات البصريات التكيفية جهاز تصوير الكواكب (PSI) على تلسكوب Thirty Metre (TMT) ، المقترح للبناء في ماونا كيا ، هاواي. وهناك أداة GMagAO-X على تلسكوب ماجلان العملاق (GMT) ، والتي هي قيد الإنشاء حاليًا في مرصد لاس كامباناس ومن المقرر الانتهاء منها في عام 2025.
كما أشار Artigau ، فإن الاستطلاعات التي تم إجراؤها باستخدام أدوات الجيل التالي هذه ستمكن الفلكيين من اكتشاف وتوصيف مجموعة أوسع من الكواكب ، وكذلك التمكن من البحث عن علامات الحياة المحتملة (المعروفة أيضًا باسم التوقيعات الحيوية) ، كما لم يحدث من قبل:
"سيسمح لنا هذا بدراسة الضوء القادم من الكواكب بشكل أكبر بقليل من الأرض (وربما مثل الأرض إذا كنا متفائلين). هذه واحدة من أفضل فرصنا للبحث عن توقيعات الحياة في هذه الأجواء. حتى إذا لم نجد توقيعًا على الحياة ، فإنه سيجعل من الممكن فهم فئات كاملة من الكوكب التي نراها بشكل غير مباشر (العابر ، السرعة الشعاعية) ولكن لا نعرف شيئًا عنها ... أهمية التصوير المباشر هي أنه يسمح بالتحقيق المباشر الغلاف الجوي ، وحتى سطح هذه الكواكب. كما توفر إضافة مقياس طيفي عالي الدقة فكرة عن الرياح ودوران الرياح العالمي ، بالإضافة إلى استكشاف وجود جزيئات مختلفة. "
بالطبع ، ستظل هناك حدود لما يمكن أن يتعلمه العلماء باستخدام طريقة التصوير المباشر ، حتى مع وجود أدوات التلسكوبات والجيل التالي تحت تصرفهم. لكن الاحتمالات والآثار المترتبة على أبحاث الكواكب الخارجية ليست أقل من هائلة. بالنسبة للمبتدئين ، سيتمكن الفلكيون من الحصول على فكرة أفضل عن التركيبة السكانية للكواكب الصخرية الأصغر التي تدور حول المناطق الصالحة للسكن الخاصة بنجومهم.
قال Artigua "إن اكتشاف الكواكب" التي يمكن أن تكون صالحة للسكن "هو بالتأكيد الحالة الأكثر إثارة هنا ، ولكن من المهم أن تضع في اعتبارك أنها ستظل صعبة للغاية حتى مع تلسكوب 30 م". "عندما نقوم بتنبؤ إحصائي ، يجب ألا يكون هناك سوى عدد قليل (ربما أقل من 10) من الكواكب الأرضية التي يمكن الوصول إليها وستكون درجة حرارتها مماثلة لنا."
ضمن هذا النطاق من الكواكب ، يمكن أن يتخيل Artigau وزملاؤه عددًا من السيناريوهات المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال ، قد يكون بعضها شبيهًا بالزهرة ، حيث تؤدي الأجواء الكثيفة والمدار القريب نسبيًا إلى تأثير دفيئة هاربة. قد يكون البعض الآخر مثل المريخ ، حيث جرفت الرياح الشمسية أو الانفجارات الغلاف الجوي للكواكب. أبعد من ذلك ، قد تكون هناك كواكب أرضية لا يمكننا حتى تخيلها.
"باختصار ، يمكن للكواكب الصالحة للسكن أن يكون لديها خيال أكثر منا" ، اختتم الدكتور أرتيكاو. "هذا التنوع في الكواكب الخارجية يعني أيضًا أنه يجب علينا توخي الحذر عندما نتوقع أن تكون صالحة للسكن."
وأضاف مازن: "خلاصة القول هي أننا نستطيع القيام بأشياء مذهلة في دراسة الكواكب الخارجية من الأرض باستخدام مقاريب بطول 30 مترًا ، ولكن هناك حاجة إلى استثمارات كبيرة في التكنولوجيا للاستعداد لبناء هذه الأدوات من أجل مناظير بطول 30 مترًا".
تم إجراء الدراسة بفضل المساعدة الإضافية التي قدمها المجلس القومي للبحوث الكندي (NRC) ومنظمة التلسكوب العملاق ماجلان (GMTO).
