اگر نگاهی به سیارات منظومه‌ی شمسی بیندازیم، متوجه می‌شویم که زمین ما تفاوت‌های عمده‌ای با سایر سیارات دارد. بعضی‌ها تصور می‌کنند که اگر در منطقه‌ای که نور خورشیدش نه آن‌قدر داغ است که بسوزاند و نه آن‌قدر کم‌سو که یخبندان شود سیاره‌ای حضور داشته باشد، حیات می‌تواند در آن‌جا شکل بگیرد. البته در نجوم به این ناحیه، کمربند حیات یا منطقه‌ی سبز می‌گویند که به دلیل میزان حرارت دریافتی از خورشیدش، آب مایع امکان حضور دارد. اما آیا همین یک پارامتر کافی است؟ اگر کافی است پس چرا مریخ که زمانی رودخانه‌هایی خروشان داشته است و هم اکنون در منطقه‌ی سبز حضور دارد فاقد هرگونه حیات است؟ اگر کافی نیست چه پارامترهای دیگری می‌تواند منجر به تشکیل حیات شود؟
حال بگذارید سوال دیگری مطرح کنم، فرض کنید که با تمام جزئیاتی که وجود دارد نهایتا در یک سیاره‌ی فراخورشیدی حیات شکل بگیرد، سوال منطقی این است که از کجا می‌توان فهمید که آن سیاره دارای حیات است؟ منظورم از حیات، حیات هوشمند نیست بلکه هر گونه از حیات موجودات زنده از قبیل نباتات و یا حتی حیات سلولی. برای پاسخ به این سوال باید به ابتدای شکل‌گیری سیارات نگاهی بیندازیم. سیارات زمانی که شکل می‌گیرند به دلیل برخوردهای بسیار زیادی که به سطحشان می‌شود، تبدیل به گوی‌های آتشین می‌شوند، اما به مرور زمان لایه‌های بالایی آنها سرد می‌گردد ولی مواد مذاب هم‌چنان در زیر پوسته‌ی آنها وجود دارد و از طریق آتشفشان‌ها به بیرون پرتاب می‌شود. بیش‌ترین موادی که آتشفشان‌ها به بیرون پرتاب می‌کنند دی‌اکسید کربن و دی‌اکسید سولفور است.
از طرفی دیگر، گیاهان برای فرآوری کربوهیدارت‌های (مولکول‌هایی حاوی کربن، هیدروژن و اکسیژن) موجود در خاک نیاز به فوتوسنتز دارند. در فوتوسنتز، با برخورد مولکول‌های دی‌اکسید کربن، آب و نور، مولکول‌های بسیار مهم گلوکز (قند ساده) شکل می‌گیرند. گلوکز عملا ماده‌ی اصلی تشکیل‌دهنده‌ی سلولز است که دیواره‌ی سلولی را در گیاهان تشکیل می‌دهد. پس می‌بینیم برای اینکه حیات نباتی بر روی سیاره‌ای رشد کند ابتدا نیاز مبرم به وجود دی‌اکسید کربن به عنوان سنگ‌بنای فوتوسنتز وجود دارد. به همین دلیل، دیدن سیاره‌ای که در کمربند سبز است و اتمسفر آن حاوی دی‌اکسید کربن می‌باشد، می‌تواند احتمال تشکیل حیات را افزایش دهد.
اما این به تنهایی کافی نیست. اگرچه دی‌اکسید کربن می‌تواند منجر به فوتوسنتز شود ولی باید راهی بیابیم که اثرات فوتوسنتز را هم مشاهده کنیم. می‌دانیم که وجود حیات نباتی و آب مایع، می‌تواند منجر به شکل‌گیری تالاب‌هایی شود که در آن به دلیل شرایط مطلوب رطوبت و دما، میکرو اورگانیسم‌هایی اَسِتات را تخمیر کرده و دی‌اکسید کربن و متان را تولید می‌کنند. از طرفی دیگر، تجزیه شدن نباتات و حیوانات نهایتا منجر به تشکیل سوخت‌های فسیلی حاوی کربن و هیدروژن می‌شود. سوختن این سوخت‌ها می‌تواند مقادیر بسیار زیادی متان تولید کند. همچنین حضور دام‌ها نیز می‌تواند منجر به تولید متان شود. پس می‌شود دید که نتیجه‌ی فوتوسنتز و تشکیل حیات، منجر به تولید مقادیر زیادی متان می‌شود. اما متان گازی است که از طرق دیگر نیز می‌تواند تولید شود. فعالیت‌های آتشفشانی میزان قابل توجهی متان به اتمسفر سیارات تزریق می‌کند. پس اگر راهی پیدا کنیم که بتوانیم میان متان تولید شده در آتشفشان‌ها و متان فوتوسنتزی تفاوت قائل شویم، عملا می شود از متان هم به عنوان یک نشانه‌ی زیستی دیگر استفاده کرد. برای پاسخ به این سوال بگذارید فرض کنیم که متان موجود بر روی یک سیاره فقط توسط آتشفشان‌ها تولید شده است. در نتیجه انتظار داریم علاوه بر متان، مقادیر بسیار زیادی مونواکسید کربن هم ببینیم. حال دوباره فرض می‌کنیم که همه‌ی آتشفشان‌ها خاموش شده‌اند، پس دیگر نباید مونواکسید کربن ببینیم و اگر متانی باشد حتما به دلایل سه گانه‌ای است که در بالا ذکر شد که البته نشانه‌های وجود حیات هستند.
تصویر ۱: کشف دی اکسید کربن در جو سیاره‌ی WASP-39 توسط تلسکوپ جیمز وب
به صورت خلاصه می‌توان گفت که، وجود هم‌زمان دی‌اکسید کربن و متان (همراه با میزان کم‌تر مونواکسید کربن) برای سیارات صخره‌ای که در کمربند حیات حضور دارند، می‌تواند نشانه‌ای قوی از وجود حیات در آن‌جا باشد. البته باید شرایط ژئوگرافی زیستی سیاره، اندرکنش سیاره با خورشیدش و حتی فرآیندهایی که منجر به تغییرات گسترده در اتمسفر سیاره می‌شوند را نیز در نظر بگیریم.
نهایتا اگر بتوانیم این دو مولکول را در اتمسفر سیارات رصد کنیم، می‌توان وجود حیات را در آن‌جا محتمل دانست. اما نکته‌ی دیگر این است که بیشتر گذارهای دو مولکول دی‌اکسید کربن و متان در ناحیه‌ی فروسرخِ نزدیک تا ۱۵ مایکرون رخ می‌دهند و این بدین معناست که این نورها توانایی رسیدن به سطح زمین را ندارند و توسط اتمسفر ما جذب می‌شوند. پس عملا هیچ تلسکوپ زمینی نمی تواند این مولکول‌ها را رصد کند و نیاز داریم که از تلسکوپ‌های فضایی استفاده کنیم. در این بین، تلسکوپ فضایی جیمز وب با ابزارِ مادون قرمز خود و همچنین موقعیت فضایی منحصر به فردش می‌تواند اولین فرصت را برای مشاهده‌ی ترکیب اتمسفر سیارات فراخورشیدی و جست و جوی نشانه‌های زیستی در آنها فراهم کند.
حال که می‌دانیم باید دنبال چه بگردیم و از چه ابزاری استفاده کنیم سوال دیگر این است که کدام سیاره را باید رصد کرد؟ تا‌به‌حال سیارات فراخورشیدیِ صخره‌ای زیادی رصد شده‌اند. اما واقعا کدام‌یک از آنها برای جست و جوی نشانه‌های زیستی مناسب هستند؟ برای پاسخ به این سوال باید توجه کرد که ما عملا نیاز به سیاراتی داریم که به خورشید خود نزدیک‌تر باشند، تا هم نور بیش‌تری در زمان گذر از اتمسفر آنها عبور کند و هم زمان چرخش سیاره به دور خورشیدش کوتاه‌تر باشد تا امکان رصد بیشتر آن سیاره فراهم شود. به همین دلیل بهترین گزینه سیاراتی با ستاره‌ی میزبان کوتوله هستند که به دلیل نزدیکی کمربند حیاتشان به ستاره‌ی اصلی، رصد اتمسفر آنها به لحاظ فنی بهینه‌تر خواهد بود. البته در بین خود ستاره‌های کوتوله، ویژگی‌های طیفی فرابنفش ستاره‌های M می‌تواند میزان نشانه‌های زیستی بیش‌تری نسبت به ستاره‌های نوع G از خود نشان دهند که در این مقاله قصد بحث در مورد آنها را نداریم. در نتیجه سیاراتی که به دور ستاره‌های M می‌چرخند به طور بالقوه احتمال دیده شدن نشانه‌های زیستی در اتمسفرشان بیشتر است.
اما پیش از رصد کردن اتمسفر یک سیاره و تشخیص مولکول‌های موجود در آن، ابتدا با استفاده از مدل‌هایی موسوم به مدل‌های انتقال اقلیمی- فوتوشیمیایی در معرض تابش‌های مختلف، محیط سیاره را شبیه‌سازی می‌کنند و سپس رصدهای فضایی را برای آن محیط‌های شبیه‌سازی‌شده بهینه کرده و در نتیجه میزان زمان نوردهی و شدت‌های نشانه‌های زیستی را پیش‌بینی می‌کنند. همچنین وجود ابر، مه و یا خشکی بیوسفر (زیست کره) سیاره تاثیر بسیار زیادی در میزان رصد نشانه‌های زیستی دارد. به همین دلیل این شبیه‌سازی ها را با شرایط متفاوت بیوسفری و میزان متنوع گوگرد و متان موجود در آنها تکرار می‌کنند تا حد بالا و پایین مشاهداتی این مولکول‌ها را تخمین بزنند.
تصویر ۲: نمایی گرافیکی از سیاره‌ی WASP-39 که جیمز وب در جو آن دی اکسید کربن زیادی کشف کرده است.
نهایتا برای اینکه با قطعیت بالایی وجود حیات در یک سیاره را گزارش کنیم می‌بایست حضور سایر نشانه های زیستی، از جمله اتان در بیوسفرهای گوگردی، و اکسیژن و ازون در بیوسفرهایی با نشانه‌های زیستی فوتوسنتزی، را نیز گزارش کرد. اما دیدن مولکول‌های اکسیژن بسیار چالش برانگیز خواهد بود و تلسکوپ فضایی جیمز وب توانایی حل این چالش‌ها را به احتمال زیاد نخواهد داشت. همچنین اوزون در طول‌موج ۱۰ میکرون قابل رصد هست و راه‌های دیگری نیز برای مشاهده‌ی اکسیژن تولید شده در فوتوسنتز بر روی سیارات وجود دارد. به این معنا که اگر چه دیدن اکسیژن فوتوسنتزی توسط جیمز وب بسیار سخت خواهد بود ولی می‌توان به جای اکسیژن به دنبال مولکول متیل کلراید رفت. این مولکول به مقدار بسیار زیاد توسط گیاهانِ گرمسیری در فرآیندی با جذب اکسیژن موجود در اتمسفر تولید می‌شود. پس می‌توان از آن به عنوان یک شاخص جایگزین برای اکسیژن فوتوسنتزی استفاده کرد.
حال به عنوان یک نمونه یکی از پیشنهادهایی را که برای رصد توسط جیمزوب ارائه شده است با هم مرور می‌کنیم. سیاره‌ی تراپیست-۱ (TRAPPIST-1) یک سیاره‌ی بسیار نزدیک به ماست که صخره‌ای و در کمربند حیات قرار دارد. پیشنهاد شده است که با استفاده از ابزار NIRSpec تلسکوپ جیمز وب برای مشاهده‌ی دو مولکول متان و دی‌اکسید کربن در فشارهای ۶۰۰ تا ۱۰۰ میلی بار، ۵ تا ۱۰ گذر سیاره‌ای آن رصد شود. اگر خوش شانس باشیم و جو سیاره خشک باشد، در صورت وجود حیات، می‌توان انتظار داشت که با دقت ۵ سیگما هر دو مولکول را در جو تراپیست ببینیم. اما اگر جو آن ابری یا مه آلود باشد، در شرایطی با فشارهای ذکر شده در بالا، نیاز به ۳۰ گذر وجود دارد تا بتوان این دو مولکول را دید. همچنین در بدترین سناریوی ممکن، اگر فشار جو سیاره کم باشد ( در حدود ۱۰ میلی بار) انتظار می‌رود میزان این دو گاز کاهش قابل توجهی پیدا کنند که جهت رصد با دقت ۵ سیگما باید ۵۰ گذر این سیاره رصد شود که با توجه به اینکه این سیاره هر ۶ روز یک‌بار به دور خورشیدش می‌گردد، معادل ۲۰۰ ساعت رصد با تلسکوپ جیمز وب است (۲.۵ سال) که تخصیص این مقدار زمان به پروژه‌هایی از این دست، بسیار سخت خواهد بود.
اما خبر خوب دیگر این است که در اولین رصدهای جیمز وب (مرداد ۱۴۰۱) میزان قابل توجهی دی‌اکسید کربن در جو یک سیاره‌ی فراخورشیدی در فاصله‌ی ۷۰۰ سال نوری از ما کشف شد (تصویر شماره‌ی ۲). البته این سیاره گازی است و دمای بسیار بالایی دارد و جرم آن ربع مشتری است. در تصویر شماره‌ی ۱ وجودِ یک قله (پیک) در ۴ میکرون دیده می‌شود که بیان‌گر وجود دی‌اکسید کربن در آن سیاره است. ولی این سیاره گازی است و احتمال شکل‌گیری حیات بر روی آن ناچیز است.
اما با پیشرفت‌هایی که صورت گرفته است می‌شود امیدوار بود که روزی حیات فراخورشیدی در اطراف ما کشف شود و دریچه‌ای جدید روبه‌روی بشریت گشوده شود.
تصویر بالای صفحه: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
منابع:
The JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team, Ahrer E.-M., Alderson L., Batalha N.M., Batalha N.E., Bean J.L., Beatty T.G., et al., 2022, arXiv, arXiv:2208.11692
Mikal-Evans T., 2022, MNRAS, 510, 980. doi:10.1093/mnras/stab3383
Schwieterman E.W., Kiang N.Y., Parenteau M.~N., Harman C.E., DasSarma S., Fisher T.M., Arney G.N., et al., 2018, AsBio, 18, 663. doi:10.1089/ast.2017.1729
Wunderlich F., Godolt M., Grenfell J.L., Stadt S., Smith A.M.S., Gebauer S., Schreier F., et al., 2019, A&A, 624, A49. doi:10.1051/0004-6361/201834504
گردآوری: امین فرهنگ
نسخه‌ی کاغذی این مقاله در مجله‌ی شباهنگ چاپ شده است.
