في العقود القليلة الماضية ، أكد علماء الفلك وجود آلاف الكواكب خارج نظامنا الشمسي. بمرور الوقت ، تحولت العملية من الاكتشاف إلى التوصيف على أمل العثور على أي من هذه الكواكب قادرة على دعم الحياة. في الوقت الحاضر ، هذه الأساليب غير مباشرة في الطبيعة ، مما يعني أن الفلكيين لا يمكنهم الاستدلال إلا إذا كان الكوكب قابلًا للسكن بناءً على مدى تشابهه مع الأرض.
للمساعدة في البحث عن الكواكب الخارجية "التي يمكن أن تكون صالحة للسكن" ، أنشأ فريق من باحثي كورنيل مؤخرًا خمسة نماذج تمثل نقاطًا رئيسية في تطور الأرض. يمكن لهذه "اللقطات" لما تبدو عليه الأرض خلال العصور الجيولوجية المختلفة أن تعزز بشكل كبير البحث عن حياة خارج الأرض من خلال توفير صورة أكثر اكتمالًا لما يمكن أن يبدو عليه كوكب يتحمل الحياة.
الدراسة التي ظهرت مؤخرا في رسائل مجلة الفيزياء الفلكيةبرئاسة ليزا كالتنجر - أستاذة مساعدة في علم الفلك في جامعة كورنيل ومديرة معهد كارل ساجان (CSI). باستخدام العصور الجيولوجية السابقة كدليل إرشادي ، طورت كالتينيغر وفريقها قوالب طيفية ستساعد الجيل القادم من المقاريب في البحث عن الكواكب "الشبيهة بالأرض".
وتشمل هذه تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) و تلسكوب الفضاء تحت الحمراء واسع النطاق (WFIRST) ، الذي سينتشر في الفضاء في 2021 و 2024 على التوالي. كما أوضح كالتنجر في بيان صحفي صدر مؤخرا عن CSI:
"سيتيح لنا هذا الجيل الجديد من المقاريب الفضائية والأرضية إلى جانب نماذجنا تحديد الكواكب مثل كوكبنا على بعد حوالي 50 إلى 100 سنة ضوئية."
"باستخدام الأرض الخاصة بنا كمفتاح ، قمنا بتصميم خمسة حقب مختلفة من الأرض لتقديم نموذج لكيفية تمييز كوكب الأرض المحتمل - من الأرض الشابة البريبايوتكية إلى عالمنا الحديث. تسمح لنا النماذج أيضًا باستكشاف أي نقطة في تطور الأرض يمكن للمراقب البعيد تحديد الحياة على "النقاط الزرقاء الشاحبة" للكون والعوالم الأخرى مثلها ".
لكسر كل شيء ، يقتصر الفلكيون حاليًا على البحث عن الكواكب التي تشبه الأرض ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الأرض هي الكوكب الوحيد المعروف الذي يدعم الحياة. ومع ذلك ، فإن الظروف التي نراها على الأرض اليوم ليست سوى لقطة واحدة لما كان يبدو عليه كوكبنا بمرور الوقت. في الماضي ، كانت جيولوجيا الأرض والغلاف الجوي مختلفة إلى حد كبير ، والتي لعبت دورًا حيويًا في تطور الحياة الأرضية.
من أجل دراستهم ، ابتكرت كالتنجر وفريقها نماذج الغلاف الجوي التي تطابق شكل الأرض قبل 3.9 مليار سنة. كان لهذه "الأرض البريبايوتكية" غلاف جوي يتألف إلى حد كبير من ثاني أكسيد الكربون. النموذج الثاني ، "الأرض المؤذية" ، يصور كيف كان كوكبنا يبدو قبل 3.5 مليار سنة عندما كان الغلاف الجوي خاليًا من الأكسجين.
تكشف ثلاثة نماذج أخرى عن انتقال الأرض إلى الوقت الحاضر ، والذي تضمن صعود كائنات التمثيل الضوئي (حوالي 3.5 مليار سنة) و "حدث الأكسجين العظيم" (حوالي 2.4 إلى 2 مليار سنة). خلال هذه الحقبة ، ارتفع الأكسجين في الغلاف الجوي تدريجيًا من تركيز بنسبة 0.2٪ إلى مستويات العصر الحديث البالغة 21٪. كما قال كالتنجر:
"لقد تغيرت الأرض والهواء الذي نتنفسه بشكل جذري منذ تشكل الأرض قبل 4.5 مليار سنة ، وللمرة الأولى ، تتناول هذه الورقة كيف يمكن للفلكيين الذين يحاولون العثور على عوالم مثل عالمنا ، أن يرصدوا الشباب إلى الكواكب الشبيهة بالأرض في العبور ، باستخدام تاريخ الأرض الخاص بنا كقالب. "
في حين أنه لا يزال مجهولًا بالضبط عندما حققت الأرض جوًا يحتوي على كمية كبيرة من الأكسجين ، توفر هذه النماذج إطارًا لما هي السمات الجوية الموجودة على الأرض منذ مليارات السنين. استنادًا إلى هذه النماذج ، من المرجح أن تظهر الكواكب الخارجية التي تحتوي على مستويات في الغلاف الجوي أقل من 1 ٪ من الأكسجين علامات علم الأحياء الناشئة والأوزون والميثان.
بالإضافة إلى التلسكوبات الفضائية مثل JWST و WFIRST ، التلسكوبات الأرضية مثل التلسكوب الكبير للغاية (ELT) ، وتلسكوب الثلاثين متر (TMT) وتلسكوب ماجلان العملاق (GMT). بفضل حساسيتها العالية وبصرياتها التكيفية ، ستتمكن هذه المقاريب من إجراء مسوحات تصويرية مباشرة للكواكب الخارجية البعيدة وتمييز غلافها الجوي.
باستخدام هذه الأدوات ، سيتمكن الفلكيون من مشاهدة كواكب خارجية صخرية أصغر ذات مدارات ضيقة (تُعرف أيضًا باسم الكواكب "الشبيهة بالأرض") أثناء عبورها أمام النجوم المضيفة (ما يُعرف باسم طريقة العبور). ومع حدوث ذلك ، سيمر ضوء الشمس عبر غلافه الجوي وينتج أطيافًا يستخدمها علماء الفلك لتحديد المواد الكيميائية الموجودة.
قال كالتينيجر: "بمجرد أن يمر الكوكب الخارجي ويحجب جزءًا من نجمه المضيف ، يمكننا فك رموز توقيعاته الطيفية الجوية". "باستخدام التاريخ الجيولوجي للأرض كمفتاح ، يمكننا بسهولة تحديد علامات الحياة الكيميائية على الكواكب الخارجية البعيدة".
إذا كان التاريخ الجيولوجي للأرض يمثل أي مؤشر ، فإن الكواكب القادرة على الدعم خلال الحياة تمر ببعض التحولات الخطيرة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن ظهور الحياة يؤثر على تطور الكوكب. في هذا الصدد ، فإن مؤهلات مثل "شبيهة بالأرض" و "يحتمل أن تكون صالحة للسكن" لها بعد زمني ، يتضمن مجموعة من الشروط بمرور الوقت.
