سیاره‌هایی با مقادیر بالای آب، میلیاردها سال بعد می‌توانند به جهنمی خشک و سوزان تبدیل شوند

یکی از مهم‌ترین مواردی که اخترشناسان در هنگام جستجوی سیاره‌های فراخورشیدی با پتانسیل زیست‌پذیری در نظر دارند، این است که آیا گزینه‌های احتمالی در محدوده‌ی زیست‌پذیر مدار ستاره‌ی خود قرار دارند یا خیر.

آب مایع حتما باید روی سطح سیاره وجود داشته باشد و این به نوبه‌ی خود پیش‌نیاز حیات است. با این حال، دانشمندان در طی کشف سیاره‌های جدید، از یک مورد بسیار قابل توجه با عنوان دنیاهای آبی مطلع شده‌اند. دنیاهای آبی اساسا سیاراتی هستند که تا ۵۰ درصد جرمشان از آب تشکیل می‌شود و در نتیجه، عمق اقیانوس‌های آن‌ها می‌تواند تا صدها کیلومتر از سطح سیاره برسد.

بر اساس یک تحقیق جدید توسط گروه فیزیک ستاره‌ای از دانشگاه‌های پرینستون، میشیگان و هاروارد، این امکان وجود دارد که دنیاهای آبی قادر به ادامه‌ی وضعیت پر‌آب خود برای مدت‌های طولانی نباشند. این یافته‌ می‌تواند اهمیت بسیار زیادی در شکار و شناسایی سیارات قابل سکونت در نواحی پیرامونی‌ ما از کیهان داشته باشد. بررسی اخیر آن‌ها تحت عنوان «از دست رفتن آب‌ در دنیاهای آبی از طریق اتلاف اتمسفری، به‌تازگی در ژورنالAstrophysical Journal منتشر شده است.

گروه پژوهشی به‌ سرپرستی چونفی دونگ از گروه علوم فیزیک نجومی دانشگاه پرینستون، موفق به انجام شبیه‌سازی کامپیوتری شده‌ است. این شبیه‌سازی به انواع شرایط محتمل برای دنیاهای آبی و تغییرات احتمالی در آن‌ها نگاهی دارد. انگیزه‌ی اصلی برای پژوهش اخیر، عمدتا مربوط به تعداد اکتشافات سیاره‌های فراخورشیدی است که در سیستم‌های ستاره‌ای کم‌جرم، M-type (کوتوله قرمز) ساخته شده است. این سیاره‌ها از نظر اندازه با زمین قابل مقایسه هستند و این حکایت از احتمال زمین‌سان (سنگی) بودن آن‌ها دارد.

از سویی مشخص شده است که بسیاری از این سیارات همانند پروکسیما بی و سه سیاره‌ی موجود در سیستمتراپیست ۱،  در محدوده‌ی مدار زیست‌پذیر ستاره‌ی خود گردش می‌کنند.

با این حال، مطالعات بعدی نشان داد که پروکسیما بی و دیگر سیارات سنگی که در حال چرخش پیرامون ستاره‌های کوتوله قرمز هستند نیز می‌توانند دنیای آبی باشند. این برآورد بر اساس تخمین جرم‌های به‌دست‌آمده از کاوش‌های نجومی و پیش‌فرض‌ها استنتاج شده بود؛ با این فرض که چنین سیاراتی ذاتا سنگی بودند و اتمسفرهای قابل توجهی نداشتند.

در همان زمان، مطالعاتی انجام شد و در آن‌ها، اینکه آیا سیارات فوق قادر به نگه داشتن آب در خود هستند یا خیر، مورد تردید قرار گرفت. اساسا، همه‌ی حالت‌های یادشده به نوع ستاره و پارامترهای مدار سیارات وابسته است. این در حالی است که ستاره‌های کوتوله‌ی قرمز در مقایسه با خورشید ما، متغیر و ناپایدار هستند و همین امر منجر به انعطاف‌های دوره‌ای می‌شود و به آسیب دیدن اتمسفر سیاره در طی زمان می‌انجامد.

فراتر از همه‌ی این گفته‌ها، سیاره‌هایی که در محدوده‌ی زیست‌پذیر ستاره‌ی کوتوله قرمز حرکت می‌کنند، به‌طور طبیعی از نظر جاذبه‌ای قفل می‌شوند، به این معنی که یک طرف سیاره همواره در معرض تابش ستاره‌ای قرار می‌گیرد.

به همین علت، دانشمندان روی تعیین یک موضوع تمرکز کردند: اینکه اتمسفر سیاره‌های فراخورشیدی در انواع مختلف سیستم‌ها ستاره‌ای به چه شکل می‌تواند دستخوش تغییر شود و عوامل مؤثر بر خواص آن‌ها کدامند. دکتر دونگ در همین مورد از طریق ایمیلی اعلام کرد:

 منصفانه است که بگوییم وجود اتمسفر به‌عنوان یکی از الزامات زیست‌پذیری یک سیاره در نظر گرفته شده است. با این توضیح، مفهوم زیست‌پذیر بودن، پدیده‌ای پیچیده و مرتبط با عوامل متعدد دیگر است. بنابراین، اتمسفر به‌تنهایی برای تضمین زیست‌پذیری سیاره کافی نیست؛ بلکه می‌تواند به‌عنوان یک عنصر مهم برای یک سیاره‌ی قابل سکونت تلقی شود.

گروه شبیه‌سازی برای تست اینکه آیا یک دنیای آبی قادر به نگه داشتن اتمسفر خود است یا خیر؛ شبیه‌سازی‌های کامپیوتری را پیاده‌سازی کردند و چندین سناریوی ممکن را برای آن در نظر گرفتند.

این مورد شامل اثرات میدان مغناطیسی ستاره‌ای، خروج‌های جرم کرونالی (نیم‌تاجی) و یونیزه شدن اتمسفر و خروج‌های انواع مختلف ستارگان، از جمله ستاره‌های نوع G-type (مانند خورشید ما) و ستاره‌های موسوم به M-type (مانند پروکسیما و تراپیست ۱) می‌شد. دونگ و همکارانش با در نظر گرفتن این اثرات، مدلی جامع به دست آوردند که شباهت چگونگی اتمسفر زمین را هم لحاظ کرده بود. بر پایه‌ی توضیح دانگ:

 ما یک مدل مغناطیسی هیدرودینامیکی چندمتغیره‌ی جدید ایجاد کردیم. مدل، هر دو شبیه‌سازی یونوسفر و مگنتوسفر را به‌عنوان یک واحد کلی انجام داد. با توجه به وجود میدان مغناطیسی دوقطبی، بادهای ستاره‌ای نمی‌توانند به‌طور مستقیم از بین بروند (همانند آنچه در مریخ به علت نبود یک میدان مغناطیسی دوقطبی کلی روی می‌دهد)؛ به‌جای این حالت، از میان رفتن یون اتمسفری توسط بادهای قطبی روی می‌دهد.

الکترون‌ها نسبت به یون‌های والدشان سنگین‌تر هستند و به‌همین ترتیب، به‌راحتی به سرعتی فراتر از سرعت سیاره، شتاب می‌یابند. این جدایش بار الکتریکی میان الکترون‌های با جرم پایین و یون‌های مثبت، یک میدان الکتریکی قطبی ایجاد می‌کند. این میدان الکتریکی، به نوبه‌ی خود برای کشیدن یون‌های مثبت به‌دنبال الکترون‌های فرارکننده به خارج از اتمسفر سیاره در بخش کلاهک‌های قطبی آن وارد عمل می‌شود.

آن‌ها متوجه شدند که شبیه‌سازی کامپیوتری با سیستم زمین و خورشید فعلی سازگار بود. با این حال، در بعضی از امکان‌ها و حالت‌های شدید نظیر اجسام غیر عادی در اطراف ستاره‌های M-type، موقعیت بسیار متفاوت است و میزان فرار الکترون‌ها می‌تواند تا هزار برابر یا بیشتر باشد.

نتیجه این است که حتی یک دنیای آبی، درصورتی که پیرامون ستاره‌ی کوتوله قرمز گردش کند، می‌تواند پس از حدود یک میلیارد سال، اتمسفر خود را از دست بدهد.

با توجه به این که حیات ما از حدود ۵۰۰ میلیون سال پیش در حال تکامل بوده است؛ یک میلیارد سال، بازه‌ای نسبتا کوتاه تلقی می‌شود. در واقع، همانطور که دونگ توضیح داده، احتمال توسعه‌ی حیات در سیاره‌هایی که در مدار ستارگان نوع M قرار دارند، کم است:

 نتایج ما نشان می‌دهد سیاره‌های اقیانوس‌دار (در حال چرخش به دور ستاره‌ای همانند خورشید) اتمسفر خود را برای مدت بسیار طولانی‌تر از دوره‌ی زمانی یک میلیارد ساله حفظ خواهند کرد؛ زیرا نرخ فرار یون‌ها در آن بسیار کم است. از همین رو،  عمر این سیاره‌ها طولانی می‌شود و از نظر پیچیدگی هم تکامل‌یافته‌تر هستند.

در مقابل، سیاره‌های فراخورشیدی که پیرامون کوتوله‌های نوع M گردش می‌کنند، می‌توانند اقیانوس‌های خود را برپایه‌ی بازه‌ی زمانی یک میلیارد ساله از دست بدهند و این اتفاق به‌ دلیل شدت‌ بیشتر ذرات و محیط‌های تابشی روی می‌دهد که در نواخی زیست‌پذیر مداری حاکم است. اگر اتمسفر در زمان کمتری نسبت به بازه‌ی یک میلیاردی تخلیه شود، می‌تواند برای سرچشمه‌‌ی حیات روی سیاره مشکل‌ساز باشد.

این نتایج یک بار دیگر، باعث تردید در زیست‌پذیری احتمالی سیستم‌های ستاره‌ای کوتوله قرمز می‌شود. پژوهشگران در گذشته، نشان داده‌اند که طول عمر ستارگان کوتوله‌ی قرمز، می‌تواند در دنباله‌ی اصلی آن‌ها تا ۱۰ تریلیون سال یا بیشتر باشد؛ چنین حالتی آن‌ها را به بهترین گزینه برای یافتن سیاره‌های فراخورشیدی زیست‌پذیر بدل می‌سازد.

با این حال، به نظر می‌رسد که ثبات این ستاره‌ها و نحوه‌ی شبیه‌سازی اتمسفر سیاره‌های آن‌ها نشانگر نتیجه‌ای متفاوت باشد.

بنابراین مطالعاتی از این دست بسیار مهم هستند؛ زیرا به ما کمک می‌کند پی ببریم یک سیاره‌ زیست‌پذیر پیرامون چنین ستاره‌هایی، تا چه مدتی می‌توانند پتانسیل خود را برای زیست‌پذیر بودن حفظ کنند. همانطور که دونگ اشاره کرده است:

 با توجه به اهمیت نابودی اتمسفر در سیاره‌ها، علاقه‌ی زیادی به استفاده از تلسکوپ‌هایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) وجود دارد؛ برای تعیین اینکه آیا این سیارات دارای اتمسفر هستند یا خیر و در صورت مثبت بودن جواب، ترکیب آن‌ها به چه شکل است.

انتظار می‌رود که JWST قادر به توصیف چنین اتمسفری (در صورت وجود) باشد؛ اما تعیین مقدار نرخ فرار لازم است و این کار شاید در آینده‌ی نزدیک امکان‌پذیر نباشد.

این مطالعه همچنین از آنجایی که به درک ما از منظومه‌ی خورشیدی و تکامل آن مربوط می‌شود، قابل توجه است. زمانی دانشمندان دریافته‌اند که شاید هر دو سیاره‌ی زمین و زهره دنیای آبی بوده باشند.

اینکه چگونه میزان آب فراوان این دو سیاره کاهش یافته و در مورد زهره به یک جهنم خشک و سوزان منتهی شده و در مورد زمین هم به سیاره‌ای با قاره‌های مختلف و نسبتا وسیع رسیده است، یک مسئله بسیار مهم به شمار می‌رود. در آینده باید کاوش‌های بیشتری انجام شود تا بتوانیم به این دو تئوری متفاوت نگاه دقیق‌تری داشته باشیم و پی ببریم که کدام‌یک از آن‌ها صحیح بوده است.

 تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در بهار سال ۲۰۱۸ مستقر می‌شود. این تلسکوپ از توانایی‌های مبتنی بر پرتو فروسرخ برای مطالعه‌ی سیارات اطراف کوتوله‌های قرمز نزدیک ما استفاده می‌کند و پروکسیما بی هم یکی از آن‌ها است.

آنچه ما در مورد این مورد و دیگر سیاره‌های فراخورشیدی دوردست یاد می‌گیریم، راه بسیار خوبی برای گسترش درکمان از نحوه‌ی تکامل سیستم خورشیدی خودمان خواهد بود.