عند البحث عن الكواكب الخارجية التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن ، فإن أحد أهم الأشياء التي يبحث عنها الفلكيون هو ما إذا كان مرشحو الكواكب الخارجية يدورون حول منطقة النجوم الخاصة بهم أم لا. هذا ضروري لوجود الماء السائل على سطح الكوكب ، وهو بدوره شرط أساسي للحياة كما نعرفها. ومع ذلك ، في سياق اكتشاف الكواكب الخارجية الجديدة ، أصبح العلماء على دراية بحالة متطرفة تعرف باسم "عوالم المياه".
عوالم المياه هي في الأساس كواكب تصل كتلتها إلى 50٪ من الماء ، مما يؤدي إلى محيطات سطحية قد يصل عمقها إلى مئات الكيلومترات. وفقًا لدراسة جديدة قام بها فريق من علماء الفيزياء الفلكية من جامعة برينستون وجامعة ميشيغان وهارفارد ، قد لا تتمكن عوالم المياه من التمسك بمياهها لفترة طويلة جدًا. يمكن أن تكون هذه النتائج ذات أهمية كبيرة عندما يتعلق الأمر بالبحث عن الكواكب الصالحة للسكن في عنقنا للكون.
ظهرت هذه الدراسة الأخيرة ، بعنوان "تجفيف عوالم المياه من خلال الخسائر الجوية" ، التي ظهرت مؤخرًا في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. بقيادة Chuanfei Dong من قسم علوم الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون ، أجرى الفريق عمليات محاكاة للكمبيوتر تأخذ في الاعتبار نوع الظروف التي ستتعرض لها عوالم المياه.
كان الدافع وراء هذه الدراسة إلى حد كبير هو عدد اكتشافات الكواكب الخارجية التي تم إجراؤها حول أنظمة النجوم ذات الكتلة المنخفضة من النوع M (القزم الأحمر) في السنوات الأخيرة. تم العثور على هذه الكواكب قابلة للمقارنة في الحجم مع الأرض - مما يشير إلى أنها كانت أرضية على الأرجح (أي صخرية). بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على العديد من هذه الكواكب - مثل Proxima b وثلاثة كواكب داخل نظام TRAPPIST-1 - تدور حول مناطق النجوم الصالحة للسكن.
ومع ذلك ، أشارت الدراسات اللاحقة إلى أن Proxima b والكواكب الصخرية الأخرى التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء يمكن أن تكون في الواقع عوالم مائية. وقد استند هذا إلى تقديرات الكتلة التي تم الحصول عليها من خلال المسوحات الفلكية ، والافتراضات الداخلية بأن هذه الكواكب صخرية في طبيعتها وليس لها أجواء ضخمة. في الوقت نفسه ، تم إنتاج العديد من الدراسات التي ألقت بظلال من الشك حول ما إذا كانت هذه الكواكب قادرة على الاحتفاظ بمياهها أم لا.
في الأساس ، يتعلق الأمر كله بنوع النجم والمعلمات المدارية للكواكب. في حين أن النجوم القزمة الحمراء طويلة العمر معروفة بكونها متغيرة وغير مستقرة مقارنة بشمسنا ، مما يؤدي إلى إشعال دوري من شأنه أن يجرد الغلاف الجوي للكوكب بمرور الوقت. علاوة على ذلك ، من المرجح أن تكون الكواكب التي تدور حول منطقة صالحة للسكن في القزم الأحمر مغلقة بشكل مرتب ، مما يعني أن أحد جوانب الكوكب سيتعرض باستمرار لإشعاع النجم.
وبسبب هذا ، يركز العلماء على تحديد مدى قدرة الكواكب الخارجية في أنواع مختلفة من أنظمة النجوم على التمسك بغلافها الجوي. كما أخبر د. دونغ مجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
"من الإنصاف أن نقول أن وجود الغلاف الجوي يُنظر إليه على أنه أحد متطلبات قابلية السكن للكوكب. بعد قولي هذا ، فإن مفهوم قابلية السكن مفهوم معقد مع عوامل لا حصر لها. وبالتالي ، لن يكفي الغلاف الجوي في حد ذاته لضمان قابلية السكن ، ولكن يمكن اعتباره مكونًا مهمًا لكوكب صالح للسكن. "
لاختبار ما إذا كان العالم المائي سيكون قادرًا على التمسك بغلافه الجوي أم لا ، أجرى الفريق عمليات محاكاة للكمبيوتر تأخذ في الاعتبار مجموعة متنوعة من السيناريوهات المحتملة. وشمل ذلك تأثيرات المجالات المغناطيسية النجمية ، والقذف الإكليلي ، والتأين في الغلاف الجوي والقذف لأنواع مختلفة من النجوم - بما في ذلك النجوم من النوع G (مثل شمسنا) والنجوم من النوع M (مثل Proxima Centauri و TRAPPIST-1).
مع حساب هذه التأثيرات ، استخلص د. دونغ وزملاؤه نموذجًا شاملاً يحاكي المدة التي ستستمر بها أجواء الكواكب الخارجية. كما شرحها:
“لقد طورنا نموذجًا جديدًا مغناطيسيًا سائلًا للديناميكا المائية. يحاكي النموذج كلاً من الأيونوسفير والغلاف المغناطيسي ككل. نظرًا لوجود المجال المغناطيسي ثنائي القطب ، لا يمكن للرياح النجمية أن تجتاح الغلاف الجوي مباشرة (مثل المريخ بسبب عدم وجود مجال مغناطيسي ثنائي القطب العالمي) ، بدلاً من ذلك ، تسبب فقدان الرياح الأيونية في الرياح القطبية.
"الإلكترونات أقل كتلة من أيوناتها الأم ، ونتيجة لذلك ، يتم تسريعها بسهولة أكبر إلى ما وراء سرعة الهروب للكوكب. إن فصل الشحنة بين الإلكترونات الهاربة وذات الكتلة المنخفضة والأيونات الأثقل وزنًا وذات الشحنة الإيجابية يشكل مجالًا استقطابيًا كهربائيًا. ويعمل هذا المجال الكهربائي بدوره على سحب الأيونات الموجبة الشحنة خلف الإلكترونات الهاربة ، بعيدًا عن الغلاف الجوي للقبعات القطبية. "
ما وجدوه هو أن محاكاة الكمبيوتر الخاصة بهم كانت متسقة مع نظام Earth-Sun الحالي. ومع ذلك ، في بعض الاحتمالات الشديدة - مثل الكواكب الخارجية حول النجوم من النوع M - يختلف الوضع تمامًا ويمكن أن تكون معدلات الهروب أكبر أو أكثر ألف مرة. والنتيجة تعني أنه حتى عالم الماء ، إذا كان يدور حول نجم قزم أحمر ، يمكن أن يفقد غلافه الجوي بعد حوالي gigayear (Gyr) ، مليار سنة.
بالنظر إلى أن الحياة كما نعلم استغرق الأمر حوالي 4.5 مليار سنة لتتطور ، فإن مليار سنة هي فترة وجيزة نسبيًا. في الواقع ، كما أوضح الدكتور دونغ ، تشير هذه النتائج إلى أن الكواكب التي تدور حول النجوم من النوع M ستضغط بشدة لتطوير الحياة:
"تشير نتائجنا إلى أن كواكب المحيطات (التي تدور حول نجم يشبه الشمس) ستحتفظ بغلافها الجوي لفترة أطول بكثير من مقياس Gyr ، لأن معدلات الهروب من الأيونات منخفضة جدًا ، وبالتالي ، فإنها تسمح بفترة أطول من الحياة لكي تنشأ من هذه الكواكب. وتتطور من حيث التعقيد. على النقيض من ذلك ، بالنسبة للكواكب الخارجية التي تدور حول الأقزام M ، يمكن أن تستنفد محيطاتها على مقياس Gyr بسبب البيئات الجسيمية والإشعاعية الأكثر كثافة التي تواجهها الكواكب الخارجية في المناطق القريبة الصالحة للسكن. إذا تم استنفاد الغلاف الجوي على المدى الزمني أقل من جير ، فقد يثبت أن ذلك يمثل مشكلة بالنسبة لأصل الحياة (التولد) على الكوكب ".
ومرة أخرى ، تلقي هذه النتائج بظلال من الشك على قابلية أنظمة النجوم القزمة الحمراء للسكن. في الماضي ، أشار الباحثون إلى أن طول عمر النجوم القزمة الحمراء ، والتي يمكن أن تظل في تسلسلها الرئيسي لمدة تصل إلى 10 تريليون سنة أو أكثر ، تجعلها أفضل مرشح للعثور على الكواكب الخارجية القابلة للسكن. ومع ذلك ، فإن استقرار هذه النجوم والطريقة التي من المرجح أن تجرد الكواكب من الغلاف الجوي يبدو أنها تشير إلى خلاف ذلك.
وبالتالي ، فإن دراسات مثل هذه واحدة ذات أهمية كبيرة من حيث أنها تساعد على معالجة المدة التي يمكن أن يظل فيها كوكب صالح للسكن حول نجم قزم أحمر صالحًا للسكن. وأشار دونغ:
"نظرًا لأهمية فقدان الغلاف الجوي على قابلية السكن على كوكب الأرض ، كان هناك قدر كبير من الاهتمام باستخدام التلسكوبات مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي القادم (JWST) لتحديد ما إذا كانت هذه الكواكب لها أجواء ، وإذا كان الأمر كذلك ، ما هو تكوينها . من المتوقع أن يكون JWST قادرًا على تمييز هذه الأجواء (إن وجدت) ، ولكن تحديد معدلات الهروب بدقة يتطلب درجة أعلى بكثير من الدقة وقد لا يكون ممكنًا في المستقبل القريب. "
الدراسة مهمة أيضًا فيما يتعلق بفهمنا للنظام الشمسي وتطوره. في وقت من الأوقات ، غامر العلماء بأن الأرض والزهرة ربما كانتا عوالم مائية. كيف انتقلوا من كونهم مائيين للغاية إلى ما هم عليه اليوم - في حالة الزهرة ، جافة وجهنمية ؛ وفي حالة الأرض ، وجود قارات متعددة - هو سؤال مهم للغاية.
في المستقبل ، من المتوقع إجراء مسوحات أكثر تفصيلاً يمكن أن تساعد في تسليط الضوء على هذه النظريات المتنافسة. عندما يتم نشر تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) في ربيع عام 2018 ، سيستخدم قدرات الأشعة تحت الحمراء القوية لدراسة الكواكب حول الأقزام الحمراء القريبة ، بروكسيما ب أحدها. ما نتعلمه عن هذا والكواكب الخارجية البعيدة الأخرى سيقطع شوطًا طويلًا نحو إعلامنا بفهم كيفية تطور نظامنا الشمسي أيضًا.
