آیا حیات در سیارات دیگر ممکن است؟ کشف نشانه‌های آب در سیارات فراخورشیدی با بازالت!

کاوش‌های علمی در باب ردپای سنگ‌های آذرین و آب در سیاره‌های دوردست

دانشمندان با کندوکاو در فعل و انفعالات شیمیایی مشاهده‌شده در ژرفای داغ زمین، در دانشگاه کرنل درحال تدوین و تکمیل مجموعه‌ای از نشانه‌های طیفی بر پایه‌ی سنگ بازالت هستند. این مجموعه نه‌تنها به شناسایی جنس و ترکیب سیاره‌های خارج از منظومه شمسی یاری می‌رساند، بلکه می‌تواند سرنخ‌هایی از وجود آب در این سیارات فراخورشیدی را نیز آشکار سازد. استبان گازل، استاد رشته‌ی مهندسی، می‌گوید: «وقتی که گوشته‌ی زمین گداخته می‌شود، بازالت تولید می‌کند.» بازالت، سنگی آتشفشانی به رنگ خاکستری تیره یا سیاه است که در سراسر منظومه شمسی یافت می‌شود و به‌گفته‌ی او، این سنگ‌ها ثبت‌کننده‌ی مهمی از تاریخ زمین‌شناسی به‌شمار می‌روند. وی افزود: «هنگامی که گوشته مریخ هم گداخته شد، بازالت به وجود آمد. ماه هم بیشتر از بازالت تشکیل شده است.» گازل در ادامه گفت: «ما درحال آزمودن مواد بازالتی روی زمین هستیم تا درنهایت ترکیب سیارات فراخورشیدی را از طریق داده‌های به‌دست‌آمده از تلسکوپ فضایی جیمز وب روشن کنیم.»

گازل و امیلی فیرست، پژوهشگر سابق پسادکتری در دانشگاه کرنل که اکنون استادیار کالج مک‌کالیستر در ایالت مینه سوتا است، نویسندگان مقاله‌ای با عنوان «طیف‌های فروسرخ میانه برای سیارات سنگی بازالتی» هستند که در تاریخ ۱۴ نوامبر در نشریه‌ی Nature Astronomy به چاپ رسیده است. گازل می‌گوید: «درک اینکه چگونه مواد معدنی فرایندهایی را که این سنگ‌ها را به‌وجود آورده‌اند ثبت می‌کنند و درک نشانه‌های طیفی آن‌ها، اولین گام در راه تکمیل این مجموعه است.» او افزود: «ما می‌دانیم که اکثر سیارات فراخورشیدی بازالت تولید خواهند کرد، چراکه فلزات موجود در ستاره‌ی میزبان آن‌ها باعث شکل‌گیری موادی در گوشته می‌شوند (سیلیکات‌های آهن-منیزیم) و بنابراین زمانی که این مواد ذوب‌شوند، تعادل فازی (تعادل بین حالت‌های مختلف ماده) پیش‌بینی می‌کند که گدازه‌های به‌دست‌آمده از جنس بازالت خواهند بود.» او همچنین گفت: «این اتفاق نه‌تنها در منظومه شمسی خودمان، بلکه در سراسر کهکشان نیز امری متداول خواهد بود.»

فیرست، میزان تابش‌دهی — مقدار انرژی‌ای که یک سطح به محیط اطراف خود می‌تاباند — را در ۱۵ نمونه بازالتی اندازه‌گیری کرد تا نشانه‌های طیفی‌ای را شناسایی کند که ممکن است تلسکوپ فضایی در طیف‌سنج فروسرخ میانی خود تشخیص دهد. وقتی مواد مذاب بازالتی در یک سیاره‌ی فراخورشیدی فوران می‌کنند و سرد می‌شوند، بازالت‌ها به سنگ‌های جامدی تبدیل می‌شوند که در زمین به‌آن‌ها گدازه گفته می‌شود. این سنگ می‌تواند با آب، درصورت وجود، واکنش نشان دهد و مواد معدنی آبدار (هیدراته) جدیدی را شکل دهد که در طیف‌های فروسرخ به‌آسانی قابل شناسایی هستند. این مواد معدنی تغییر یافته می‌توانند به آمفیبول (یک سیلیکات هیدراته) یا سرپنتین (نوع دیگری از سیلیکات هیدراته که شبیه پوست مار است) متحول شوند. گازل می‌گوید: «با بررسی تفاوت‌های جزئی طیفی میان نمونه‌های بازالتی، دانشمندان به‌طور نظری می‌توانند تعیین کنند که آیا یک سیاره‌ی فراخورشیدی در برهه‌ای از زمان آب سطحی داشته یا آب در درون خود به‌دام انداخته است.» او همچنین اشاره کرد شواهد وجود آب یک‌شبه و به سادگی آشکار نمی‌شوند و به‌منظور استفاده از این نوع شناسایی، نیازمند انجام تحقیقات و مطالعات بیشتری هستیم.

تلسکوپ فضایی جیمز وب و جست‌وجو برای یافتن سیارات فراخورشیدی

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) که در فاصله‌ای حدود یک میلیون مایلی از زمین قرار دارد، برای متمرکز شدن بر روی یک سیستم نوری که سال‌ها از ما دور است، به ده‌ها و شاید هم صدها ساعت زمان نیاز دارد و بعد از آن، مدت‌زمان بیشتری را صرف تجزیه و تحلیل داده‌ها می‌کند. گروه تحقیقاتی، در جست‌وجوی یک سیاره‌ی فراخورشیدی سنگی برای شبیه‌سازی فرضیات خود و بررسی ۱۵ نشانه‌ی مختلف، از داده‌های سیاره‌ی فراخورشیدی LHS 3844b استفاده کردند که به‌دور یک کوتوله‌ی سرخ در گردش است و کمی بیشتر از ۴۸ سال نوری با ما فاصله دارد.

ایشان میشرا، که در آزمایشگاه نیکول لوئیس، استاد همکار نجوم مشغول به کار است، کدهای کامپیوتری‌ای را برای مدل‌سازی اطلاعات طیفی فیرست، نوشت تا شبیه‌سازی کند که سطوح مختلف سیارات فراخورشیدی، چگونه ممکن است از نظر JWST دیده شوند. لوئیس می‌گوید که پیش‌تر از این ابزارهای مدل‌سازی در کاربردهای دیگری استفاده می‌شده است. او افزود: «ابزارهای کدنویسی ایشان در ابتدا برای مطالعه قمرهای یخی در منظومه شمسی به‌کار می‌رفتند. حالا ما در تلاشیم تا آنچه را از منظومه شمسی آموخته‌ایم، به زبان سیارات فراخورشیدی ترجمه کنیم.»

فیرست می‌گوید: «هدف ما ارزیابی سیاره LHS 3844b به‌ویژه نبود، بلکه در نظر گرفتن بازه‌ی منطقی‌ای از سیارات سنگی بازالتی بود که می‌توانند در سال‌های آینده توسط JWST و سایر رصدخانه‌ها مشاهده شوند.»

در زمینه‌ی سیارات فراخورشیدی، محققان گفته‌اند که کاوش سطوح سنگی، تا کنون بیشتر محدود به داده‌های جمع‌آوری‌شده از یک نقطه‌ی مشخص بوده است — به‌عبارت دیگر، پیدا کردن شواهدی از تنها یک نوع ماده‌ی شیمیایی — در حالی که این روند در نوشته‌های علمی، به‌سمت بررسی اجزای متعدد در حال تغییر است، چراکه رصدگران از JWST بهره می‌گیرند. با تلاش برای استخراج نشانه‌های مرتبط با کانی‌شناسی و ترکیب کلی شیمیایی — به‌عنوان مثال، میزان سیلیکون، آلومینیوم و منیزیم موجود در یک سنگ — زمین‌شناسان می‌توانند اطلاعات بیشتری را در مورد شرایطی که سنگ در آن شکل گرفته‌است، به‌دست آورند.

فیرست می‌گوید: «روی زمین، اگر سنگ‌های بازالتی را که از رشته‌کوه‌های میان‌اقیانوسی در ژرفای بستر اقیانوس فوران می‌کنند، با آن‌هایی که در جزایر اقیانوسی همچون هاوایی فوران می‌کنند، مقایسه کنید، متوجه تفاوت‌هایی در ماهیت کلی شیمیایی آن‌ها خواهید شد. اما حتی سنگ‌هایی با ترکیب شیمیایی کلی مشابه هم ممکن است مواد معدنی متفاوتی داشته باشند؛ بنابراین این دو خصوصیت برای بررسی، مهم هستند.»

علاوه‌بر فیرست، گازل، لوئیس و میشرا، نویسندگان همکار دیگری هم در این تحقیق حضور داشتند که عبارتند از: جاناتان لتای ‘۲۳ از دانشگاه نورث‌ایسترن و فیزیکدانی به‌نام لئونارد هانسسن، که دکترای خود را سال ‘۸۵ دریافت کرده است و اخیراً از انستیتوی ملی استانداردها و فناوری بازنشسته شده است. لوئیس یکی از همکاران هیئت علمی در انستیتوی کارل ساگان در دانشگاه کرنل است. این پژوهش با حمایت بنیاد ملی علوم، انستیتوی ملی استانداردها و فناوری و بنیاد هایزینگ-سیمونز/فلوشیپ ۵۱ پگاسی انجام شده است.