أظهر JWST أنه يمكنه اكتشاف بصمات الحياة على الكواكب الخارجية

مكونات 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

حياة قد 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 فرصة جيدة لوجود الحياة على كواكب تدور حول نجوم أخرى، ومن الممكن أن يكون هذا هو المكان سيتم العثور على الحياة أولاً.

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

أبحث عن التوقيعات الحيوية

لاكتشاف الحياة على كوكب بعيد ، سيدرس علماء الأحياء الفلكية ضوء النجوم الموجود تتفاعل مع سطح الكوكب أو الغلاف الجوي. إذا تم تحويل الغلاف الجوي أو السطح بفعل الحياة ، فقد يحمل الضوء دليلًا يسمى “التوقيع الحيوي”.

خلال النصف الأول من وجودها ، كانت الأرض تتمتع بغلاف جوي بدون أكسجين ، على الرغم من أنها استضافت حياة بسيطة وحيدة الخلية. كانت البصمة الحيوية للأرض باهتة للغاية خلال هذه الحقبة المبكرة. تغير ذلك 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 عنصر آخر. من ذلك الوقت فصاعدًا ، 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 تظل أطوال موجية معينة محاصرة في الغاز أو سطح المادة أكثر من غيرها. هذا الملاءمة الانتقائية للأطوال الموجية للضوء هو سبب اختلاف ألوان الكائنات. الأوراق خضراء لأن الكلوروفيل جيد بشكل خاص في امتصاص الضوء في الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء. عندما يضرب الضوء الورقة ، يتم امتصاص الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء ، مما يترك الضوء الأخضر في الغالب يرتد 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 خارج المجموعة الشمسية أو سطحه من خلال قياس اللون المحدد للضوء الذي يأتي من كوكب ما.

يمكن استخدام هذه الطريقة للتعرف على وجود غازات معينة في الغلاف الجوي مرتبطة بالحياة – مثل الأكسجين أو الميثان – لأن هذه الغازات تترك إشارات محددة جدًا في الضوء. يمكن استخدامه أيضًا لاكتشاف ألوان غريبة على سطح كوكب. على الأرض ، على سبيل المثال ، تستخدم نباتات الكلوروفيل والأصباغ الأخرى والطحالب في عملية التمثيل الضوئي أطوال موجية محددة من الضوء. هذه الأصباغ إنتاج ألوان مميزة يمكن اكتشافه 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 التغييرات 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. كما هي بدأ العمليات العلمية في يوليو 2022 ، أجرى جيمس ويب قراءة لطيف كوكب خارجي عملاق غازي WASP-96b. أظهر الطيف وجود الماء والسحب ، لكن كوكبًا كبيرًا وساخنًا مثل WASP-96b من غير المرجح أن يستضيف الحياة.

ومع ذلك ، تُظهر هذه البيانات المبكرة أن جيمس ويب قادر على اكتشاف الإشارات الكيميائية الباهتة في الضوء القادم من الكواكب الخارجية. في الأشهر المقبلة ، تم تعيين Webb لتحويل مراياها نحو TRAPPIST-1e، وهو كوكب 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 الذي يتدفق عبر الغلاف الجوي للكوكب. لكن Webb لم يُصمم للبحث عن الحياة ، لذا فإن التلسكوب قادر فقط على فحص 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 تركيبات معينة من هذه الغازات قد توحي بالحياة، Webb غير قادر على اكتشاف وجود الأكسجين غير المرتبط ، وهو أقوى إشارة للحياة.

تتضمن المفاهيم الرائدة للتلسكوبات الفضائية المستقبلية ، والأكثر قوة ، خططًا لمنع الضوء الساطع للنجم المضيف لكوكب الأرض 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 كبيرة خارجية تشبه المظلة 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 العملاق، ال تلسكوب ثلاثين مترا و ال تلسكوب أوروبي كبير للغاية. 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 أجواء أقرب العوالم بحثًا عن الأكسجين.

هل هي بيولوجيا أم جيولوجيا؟

حتى باستخدام أقوى التلسكوبات في العقود القادمة ، لن يتمكن علماء الأحياء الفلكية إلا من اكتشاف البصمات الحيوية القوية التي تنتجها عوالم تغيرت بالكامل بفعل الحياة.

لسوء الحظ ، يمكن أيضًا إنتاج معظم الغازات التي تطلقها الحياة الأرضية من خلال عمليات غير بيولوجية – حيث تطلق الأبقار والبراكين غاز الميثان. ينتج التمثيل الضوئي الأكسجين ، لكن ضوء الشمس يفعل ذلك أيضًا عندما يقسم جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين. هناك فرصة جيدة لعلماء الفلك اكتشاف بعض الإيجابيات الخاطئة عند البحث عن الحياة البعيدة. للمساعدة في استبعاد الإيجابيات الخاطئة ، سيحتاج علماء الفلك إلى فهم كوكب مثير للاهتمام جيدًا بما يكفي لفهم ما إذا كان كذلك العمليات الجيولوجية أو الغلاف الجوي يمكن أن تحاكي التوقيع الحيوي.

الجيل القادم من دراسات الكواكب الخارجية لديه القدرة على تجاوز مستوى أدلة غير عادية بحاجة لإثبات وجود الحياة. يمنحنا الإصدار الأول للبيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي إحساسًا بالتقدم المثير الذي سيأتي قريبًا.

كريس امبي، أستاذ جامعي متميز في علم الفلك ، جامعة أريزونا و دانيال أبايأستاذ الفلك وعلوم الكواكب ، جامعة أريزونا

تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة بموجب رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقالة الأصلية.