في عام 2021 ، مرصد الجيل التالي من وكالة ناسا ، تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ، ستأخذ إلى الفضاء. بمجرد تشغيلها ، ستلتقط هذه المهمة الرئيسية مكان التلسكوبات الفضائية الأخرى - مثل هابل ، كبلرو سبيتزر - متروك مهمل. وهذا يعني أنه بالإضافة إلى بحث بعض أعظم الألغاز الكونية ، فإنه سيبحث أيضًا عن الكواكب الخارجية التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن ويحاول تمييز الغلاف الجوي لها.
هذا جزء مما يميز JWST عن سابقاته. بين حساسيته العالية وقدرات التصوير بالأشعة تحت الحمراء ، سيكون قادرًا على جمع البيانات حول أجواء الكواكب الخارجية كما لم يحدث من قبل. ومع ذلك ، كما أظهرت دراسة مدعومة من وكالة ناسا مؤخرًا ، فإن الكواكب ذات الأجواء الكثيفة قد تحتوي أيضًا على غطاء سحابي واسع النطاق ، مما قد يعقد محاولات جمع بعض البيانات الأكثر أهمية على الإطلاق.
لسنوات ، استخدم الفلكيون قياس الضوء العابر (المعروف أيضًا باسم طريقة العبور) لاكتشاف الكواكب الخارجية من خلال مراقبة النجوم البعيدة للهبوط في السطوع. أثبتت هذه الطريقة أنها مفيدة أيضًا في تحديد التكوين الجوي لبعض الكواكب. عندما تمر هذه الأجسام أمام نجومها ، يمر الضوء عبر غلافها الجوي ، ثم يتم تحليل أطيافها لمعرفة العناصر الكيميائية الموجودة هناك.
حتى الآن ، كانت هذه الطريقة مفيدة عند مراقبة الكواكب الضخمة (عمالقة الغاز و "المشتري الفائق") التي تدور حول شموسهم على مسافات بعيدة. ومع ذلك ، فإن مراقبة الكواكب الصخرية الأصغر (أي "تشبه الأرض") التي تدور بالقرب من شموسها - والتي ستضعها داخل منطقة النجم الصالحة للسكن - تجاوزت قدرات التلسكوبات الفضائية.
لهذا السبب ، كان المجتمع الفلكي يتطلع إلى اليوم الذي سيكون فيه الجيل التالي من المقاريب مثل JWST متاحًا. من خلال فحص أطياف الضوء المار عبر الغلاف الجوي لكوكب صخري (طريقة تعرف باسم التحليل الطيفي للانتقال) ، سيكون العلماء قادرين على البحث عن المؤشرات المنبثقة لغاز الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والميثان وغيرها من العلامات المرتبطة بالحياة (المعروفة أيضًا باسم "التواقيع الحيوية" ").
عنصر آخر مهم للحياة (كما نعرفه) هو الماء ، لذا فإن توقيعات بخار الماء في الغلاف الجوي للكوكب هي الهدف الرئيسي للمسوحات المستقبلية. ولكن في دراسة جديدة بقيادة ثاديوس كوماسيك ، زميل ما بعد الدكتوراه بقسم العلوم الجيوفيزيائية في جامعة شيكاغو ، من الممكن أن يكون لأي كوكب به مياه سطحية وفيرة أيضًا سحب غزيرة (جزيئات الجليد المتكثف) في غلافه الجوي .
من أجل هذه الدراسة ، قام كوماسك وزملاؤه بفحص ما إذا كانت هذه السحب ستتداخل مع محاولات الكشف عن بخار الماء في أجواء الكواكب الخارجية الأرضية. نظرًا لعدد الكواكب الخارجية الصخرية التي تم اكتشافها داخل المناطق الصالحة للسكن لنجوم من نوع M (قزم أحمر) في السنوات الأخيرة - مثل Proxima b - ستكون الأقزام الحمراء المجاورة محورًا رئيسيًا للمسوحات المستقبلية.
كما أوضح كوماك لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني ، فإن الكواكب المغلقة تمامًا التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء مناسبة تمامًا للدراسات التي تشمل التحليل الطيفي للإرسال - ولعدة أسباب:
"إن الكواكب العابرة التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء هي أهداف أكثر ملاءمة من تلك النجوم التي تدور حول الشمس لأن نسبة حجم الكوكب إلى حجم النجم أكبر. حجم الإشارة في مقاييس الإرسال هو مربع نسبة حجم الكوكب إلى حجم النجم ، لذلك هناك زيادة كبيرة في الإشارة إلى النجوم الأصغر من الأرض.
"هناك سبب آخر يجعل الكواكب التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء أكثر ملاءمة للملاحظة هو أن" المنطقة الصالحة للسكن "أو حيث نتوقع وجود مياه سائلة على سطح الكوكب ، هي أقرب كثيرًا إلى النجم ... وبسبب هذه ستدور الكواكب الصخرية التي تدور حول نجوم قزم حمراء تدور حول نجومها في كثير من الأحيان ، والتي تسمح للمراقبين بأخذ العديد من الملاحظات المتكررة.“
مع أخذ ذلك في الاعتبار ، استخدم Komacek وفريقه نموذجين معًا لإنشاء أطياف انتقال اصطناعية للكواكب المغلقة بشكل محكم حول النجوم من النوع M. الأول هو ExoCAM الذي طوره الدكتور إريك وولف من مختبر جامعة كولورادو لفيزياء الغلاف الجوي والفضاء (LASP) ، وهو نموذج نظام أرضي مجتمعي (CESM) يستخدم لمحاكاة مناخ الأرض ، والذي تم تكييفه لدراسة الغلاف الجوي للكواكب الخارجية.
باستخدام نموذج ExoCAM ، قاموا بمحاكاة مناخ الكواكب الصخرية التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء. ثانيًا ، استخدموا مولّد الطيف الكوكبي الذي طوره مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا لمحاكاة طيف الإرسال الذي ستكتشفه JWST من كوكبهم المقلد. كما أوضح كوماسك:
"قامت عمليات محاكاة ExoCAM هذه بحساب التوزعات ثلاثية الأبعاد لدرجة الحرارة ونسبة خلط بخار الماء وجزيئات سحابة الماء السائل والجليد. وجدنا أن الكواكب التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء أكثر غموضًا من الأرض. ويرجع ذلك إلى أن مناخهم طوال النهار يتمتع بمناخ مشابه لمناطق الأرض الاستوائية ، وبالتالي فإن بخار الماء يعلو بسهولة إلى ضغوط منخفضة حيث يمكن أن يتكثف ويشكل السحب التي تغطي معظم أيام النهار من الكوكب ...
"أعطت PSG نتائج للحجم الظاهر للكوكب في انتقاله كدالة لطول الموجة ، إلى جانب عدم اليقين. من خلال النظر في كيفية تغير حجم الإشارة مع الطول الموجي ، تمكنا من تحديد حجم خصائص بخار الماء ومقارنتها بمستوى عدم اليقين ".
بين هذين النموذجين ، تمكن الفريق من محاكاة الكواكب مع الغطاء السحابي أو بدونه ، وما يمكن لـ JWST اكتشافه نتيجة لذلك. في حالة الأولى ، وجدوا أن بخار الماء في الغلاف الجوي للكوكب الخارجي تقريبًا يمكن اكتشافه. ووجدوا أيضًا أنه يمكن القيام بذلك بالنسبة للكواكب الخارجية بحجم الأرض في عشر عبور أو أقل.
قال كوماسك: "عندما أدرجنا تأثيرات الغيوم ، زاد عدد نقاط العبور JWST اللازمة للمراقبة للكشف عن بخار الماء بعامل من عشرة إلى مائة". "هناك حد طبيعي لعدد عمليات العبور التي يمكن أن يلاحظها JWST لكوكب معين لأن JWST لها عمر افتراضي محدد للمهمة يبلغ 5 سنوات ولا يمكن مراقبة المراقبة إلا عندما يمر الكوكب بيننا وبين نجمه المضيف."
ووجدوا أيضًا أن تأثير الغطاء السحابي كان قويًا بشكل خاص مع الكواكب الدوارة البطيئة حول الأقزام الحمراء. بشكل أساسي ، فإن الكواكب التي لها فترات مدارية أطول من حوالي 12 يومًا ستشهد المزيد من تكوين السحابة على أيامها. "وجدنا أنه بالنسبة للكواكب التي تدور حول نجم مثل TRAPPIST-1 (الهدف الأكثر ملاءمة معروفًا) ، لن يتمكن JWST من مراقبة ما يكفي من الترانزيت لاكتشاف بخار الماء" ، قال Komacek.
وأضاف أن هذه النتائج مشابهة لما لاحظه باحثون آخرون. في العام الماضي ، أظهرت دراسة يقودها باحثون في وكالة ناسا جودارد كيف أن الغطاء السحابي سيجعل بخار الماء غير قابل للكشف في أجواء كواكب TRAPPIST-1. في وقت سابق من هذا الشهر ، أظهرت دراسة أخرى تدعمها وكالة ناسا جودارد كيف أن الغيوم ستخفض سعة بخار الماء إلى درجة أن JWST ستزيلها كضوضاء في الخلفية.
ولكن قبل أن نفكر في أنها كلها أخبار سيئة ، تقدم هذه الدراسة بعض الاقتراحات حول كيفية التغلب على هذه القيود. على سبيل المثال ، إذا كان وقت المهمة عاملاً ، يمكن تمديد مهمة JWST بحيث يكون لدى العلماء المزيد من الوقت لجمع البيانات. وتأمل وكالة ناسا بالفعل في تشغيل التلسكوب الفضائي لمدة عشر سنوات ، لذا فإن تمديد المهمة أمر ممكن بالفعل.
في الوقت نفسه ، يمكن أن يسمح عتبة الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة للكشف عن المزيد من الإشارات خارج الأطياف (على الرغم من أن هذا قد يعني المزيد من الإيجابيات الخاطئة أيضًا). بالإضافة إلى ذلك ، كان كوماك وزملاؤه متأكدين من الإشارة إلى أن هذه النتائج تنطبق فقط على الميزات الموجودة أسفل المجموعة السحابية على الكواكب الخارجية:
"نظرًا لأن بخار الماء محاصر في الغالب تحت مستوى سحابة المياه ، فإن التغطية السحابية القوية على الكواكب التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء تجعل من الصعب للغاية اكتشاف خصائص المياه. والأهم من ذلك أنه من المتوقع أن تظل JWST قادرة على تقييد وجود مكونات الغلاف الجوي الرئيسية مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان في اثنتي عشرة عملية انتقال فقط أو نحو ذلك. "
مرة أخرى ، يتم دعم هذه النتائج من خلال البحث السابق. في العام الماضي ، فحصت دراسة من جامعة واشنطن قابلية الكشف عن الكواكب وخصائصها TRAPPIST-1 ووجدت أنه من غير المحتمل أن يكون للسحب تأثير كبير على قابلية اكتشاف الأكسجين وميزات الأوزون - وهما بيولوجيتان رئيسيتان مرتبطتان حضور الحياة.
لذا ، قد تواجه JWST صعوبة فقط في اكتشاف بخار الماء في أجواء الكواكب الخارجية ، على الأقل عندما يتعلق الأمر بالغطاء السحابي الكثيف. بالنسبة إلى التوقيعات الحيوية الأخرى ، يجب ألا تواجه JWST مشكلة في استنشاقها أو سحبها أو عدم وجود سحب. من المتوقع أن تأتي الأشياء العظيمة من Webb ، أقوى تلسكوب فضائي من وكالة ناسا حتى الآن. وسيبدأ كل شيء في العام المقبل!
