أظهر JWST أنه يمكنه اكتشاف بصمات الحياة على الكواكب الخارجية

مقومات الحياة تنتشر في جميع أنحاء الكون. في حين أن الأرض هي المكان الوحيد المعروف في الكون الذي توجد به الحياة ، فإن اكتشاف الحياة خارج الأرض هو الهدف الرئيسي من علم الفلك الحديث و علم الكواكب.

نحن اثنان من العلماء الذين يدرسون الكواكب الخارجية و علم الأحياء الفلكي. بفضل جزء كبير من تلسكوبات الجيل التالي مثل جيمس ويب ، سيتمكن باحثون مثلنا قريبًا من قياس التركيب الكيميائي للأغلفة الجوية للكواكب حول النجوم الأخرى. نأمل أن يكون لواحد أو أكثر من هذه الكواكب بصمة كيميائية للحياة.

الكواكب الخارجية الصالحة للسكن

الحياة يمكن أن توجد في النظام الشمسي حيث توجد مياه سائلة – مثل طبقات المياه الجوفية على سطح المريخ أو في محيطات قمر المشتري يوروبا. ومع ذلك ، فإن البحث عن الحياة في هذه الأماكن أمر صعب للغاية ، حيث يصعب الوصول إليها واكتشاف الحياة يتطلب إرسال مسبار لإعادة العينات المادية.

يعتقد العديد من علماء الفلك أن هناك ملف هناك احتمالات بوجود حياة على كواكب تدور حول نجوم أخرىوقد يكون هناك سيتم العثور على الحياة أولاً.

تشير الحسابات النظرية إلى وجود حوالي 300 مليون من الكواكب التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن في مجرة ​​درب التبانة وحدها و العديد من الكواكب الصالحة للسكن بحجم الأرض على بعد 30 سنة ضوئية فقط من الأرض – جيران البشرية في المجرة بشكل أساسي. حتى الآن ، علماء الفلك اكتشف أكثر من 5000 كوكب خارج المجموعة الشمسيةبما في ذلك مئات من المحتمل أن تكون صالحة للسكن ، وذلك باستخدام طرق غير مباشرة التي تقيس كيفية تأثير كوكب ما على نجمه القريب. يمكن أن توفر هذه القياسات لعلماء الفلك معلومات حول كتلة وحجم كوكب خارج المجموعة الشمسية ، ولكن ليس أكثر من ذلك.

بحثا عن البصمات الحيوية

لاكتشاف الحياة على كوكب بعيد ، سيدرس علماء الأحياء الفلكية ضوء النجوم الموجود يتفاعل مع سطح الكوكب أو الغلاف الجوي. إذا كان الغلاف الجوي أو السطح قد تغير بفعل الحياة ، يمكن للضوء أن يحمل دليلًا يسمى “التوقيع الحيوي”.

خلال النصف الأول من وجودها ، كانت الأرض تتمتع بجو خالٍ من الأكسجين ، على الرغم من أنه يدعم الحياة البسيطة أحادية الخلية. كان التوقيع الحيوي للأرض ضعيفًا جدًا خلال هذه الحقبة الأولى. تغيرت فجأة منذ 2.4 مليار سنة عندما تطورت عائلة جديدة من الطحالب. استخدمت الطحالب عملية التمثيل الضوئي التي تنتج الأكسجين الحر – الأكسجين غير المرتبط كيميائياً بأي شيء آخر. منذ ذلك الحين ، ترك الغلاف الجوي للأرض المليء بالأكسجين بصمة حيوية قوية ويمكن اكتشافها بسهولة على الضوء الذي يمر عبره.

عندما يرتد الضوء عن سطح مادة ما أو يمر عبر غاز ، فمن المرجح أن تنحصر أطوال موجية معينة في الغاز أو سطح المادة أكثر من غيرها. يفسر هذا الملاءمة الانتقائية لأطوال موجات الضوء سبب اختلاف ألوان الكائنات. الأوراق خضراء لأن الكلوروفيل جيد بشكل خاص في امتصاص الضوء في الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء. عندما يضرب الضوء ورقة ، يتم امتصاص الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء ، مما يترك الضوء الأخضر في الغالب للارتداد إلى عينيك.

يتم تحديد نمط الضوء المفقود من خلال التركيب المحدد للمادة التي يتفاعل معها الضوء. لهذا السبب ، يمكن لعلماء الفلك أن يتعلموا شيئًا ما عن تكوين الغلاف الجوي لكوكب خارجي أو سطحه عن طريق قياس اللون المحدد للضوء الذي يأتي من كوكب ما.

يمكن استخدام هذه الطريقة للتعرف على وجود بعض الغازات الجوية المرتبطة بالحياة – مثل الأكسجين أو الميثان – لأن هذه الغازات تترك بصمات محددة جدًا في الضوء. يمكن استخدامه أيضًا لاكتشاف ألوان معينة على سطح الكوكب. على الأرض ، على سبيل المثال ، يلتقط الكلوروفيل والأصباغ الأخرى التي تستخدمها النباتات والطحالب لعملية التمثيل الضوئي أطوال موجية محددة من الضوء. هذه الأصباغ إنتاج ألوان مميزة والتي يمكن اكتشافها باستخدام كاميرا حساسة تعمل بالأشعة تحت الحمراء. إذا رأيت هذا اللون ينعكس على سطح كوكب بعيد ، فمن المحتمل أن يشير إلى وجود الكلوروفيل.

التلسكوبات في الفضاء وعلى الأرض

يتطلب الأمر تلسكوبًا قويًا بشكل لا يصدق لاكتشاف هذه التحولات الطفيفة في الضوء القادم من كوكب خارجي يحتمل أن يكون صالحًا للسكن. في الوقت الحالي ، التلسكوب الوحيد القادر على مثل هذا العمل الفذ هو التلسكوب الجديد تلسكوب جيمس ويب الفضائي. دون تغيير بدأت العمليات العلمية في يوليو 2022 ، أجرى جيمس ويب قراءة طيفية لـ كوكب خارجي عملاق غازي WASP-96b. أظهر الطيف وجود الماء والسحب ، لكن كوكبًا كبيرًا وساخنًا مثل WASP-96b من غير المرجح أن يدعم الحياة.

ومع ذلك ، تُظهر هذه البيانات المبكرة أن جيمس ويب قادر على اكتشاف الإشارات الكيميائية الباهتة في ضوء الكواكب الخارجية. في الأشهر المقبلة ، يجب أن يوجه ويب مراياه إلى TRAPPIST-1stكوكب بحجم الأرض يحتمل أن يكون صالحًا للسكن على بعد 39 سنة ضوئية فقط من الأرض.

يمكن لـ Webb البحث عن البصمات الحيوية من خلال دراسة الكواكب أثناء مرورها أمام النجوم المضيفة والتقاطها ضوء النجوم يتدفق عبر الغلاف الجوي للكوكب. لكن Webb لم يكن مصممًا للبحث عن الحياة ، لذا فإن التلسكوب لا يمكنه سوى مسح عدد قليل من أقرب العوالم التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن. يمكنه أيضًا اكتشاف التغييرات التي تم إجراؤها على مستويات ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء في الغلاف الجوي. بينما بعض التوليفات من هذه الغازات يمكن أن تشير إلى الحياةيتعذر على Webb اكتشاف وجود الأكسجين غير المرتبط ، وهو أقوى إشارة للحياة.

تتضمن المفاهيم الأساسية للمستقبل ، حتى التلسكوبات الفضائية الأكثر قوة ، خططًا لحجب الضوء الساطع من النجم المضيف للكوكب للكشف عن ضوء النجوم المنعكس من الكوكب. تشبه هذه الفكرة استخدام يدك لحجب ضوء الشمس لرؤية شيء ما عن بُعد بشكل أفضل. يمكن أن تستخدم التلسكوبات الفضائية المستقبلية أقنعة داخلية صغيرة أو مركبة فضائية خارجية كبيرة على شكل مظلة للقيام بذلك. بمجرد حجب ضوء النجوم ، يصبح من الأسهل بكثير دراسة الضوء المرتد من كوكب.

هناك أيضًا ثلاثة تلسكوبات أرضية ضخمة قيد الإنشاء حاليًا والتي ستكون قادرة على البحث عن البصمات الحيوية: تلسكوب ماجيلين العملاقال تلسكوب ثلاثين مترا و ال تلسكوب أوروبي كبير جدا. كل منها أقوى بكثير من التلسكوبات الموجودة على الأرض ، وعلى الرغم من إعاقة الغلاف الجوي للأرض الذي يشوه ضوء النجوم ، فقد تكون هذه التلسكوبات قادرة على استكشاف الغلاف الجوي لأقرب عوالم للأكسجين.

هل هي بيولوجيا أم جيولوجيا؟

حتى باستخدام أقوى التلسكوبات لعقود قادمة ، لن يتمكن علماء الأحياء الفلكية إلا من اكتشاف البصمات الحيوية القوية التي تنتجها عوالم تحولت بالكامل بفعل الحياة.

لسوء الحظ ، يمكن أيضًا إنتاج معظم الغازات التي تطلقها الحياة على الأرض من خلال عمليات غير بيولوجية – حيث تطلق الأبقار والبراكين غاز الميثان. ينتج التمثيل الضوئي الأكسجين ، وكذلك ضوء الشمس عندما يقسم جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين. هناك يتمتع علماء الفلك بفرصة جيدة لاكتشاف الإيجابيات الخاطئة بحثا عن حياة بعيدة. للمساعدة في القضاء على الإيجابيات الخاطئة ، سيحتاج علماء الفلك إلى فهم كوكب مثير للاهتمام جيدًا بما يكفي لفهم ما إذا كان كذلك العمليات الجيولوجية أو الجوية يمكن أن تحاكي التوقيع الحيوي.

الجيل القادم من دراسات الكواكب الخارجية لديه القدرة على رفع المستوى أدلة غير عادية ضروري لإثبات وجود الحياة. يعطينا الإصدار الأول للبيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي فكرة عن التقدم المثير القادم.

كريس إمبيأستاذ فخري في علم الفلك ، جامعة أريزونا و دانيال أبايأستاذ الفلك وعلوم الكواكب ، جامعة أريزونا

تم إعادة نشر هذه المقالة من الحوار تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأها المقالة الأصلية.