چرا گذشته زمین سرآغازی برای جستجوی حیات فرازمینی است؟

ستاره‌شناس‌ها تاکنون از تلسکوپ فضایی جیمز وب برای آشکارسازی برخی شگفتی‌های جهان به‌ویژه اولین کهکشان‌ها استفاده کرده‌اند؛ اما امبر یانگ به دنبال نسل بعدی تلسکوپ‌های فضایی است. او امیدوار است بتواند دنیاهای میزبان حیات یا حداقل حیات میکروبی را در مجاورت کیهانی پیدا کند.

به نوشته‌ی وایرد، یانگ و همکاران او یک درخت تصمیم‌گیری یا به بیان دیگر فلوچارتی را تنظیم کرده‌اند که پژوهشگرها می‌توانند از آن برای جستجوی مجموعه‌های مشخصی از ویژگی‌ها در سیاره‌های دیگر استفاده کنند و همچنین این شاخصه‌ها را بر اساس میزان امیدبخش‌ترین نشانه‌های زیستی یا نشانه‌های بالقوه‌ی حیات اولویت‌بندی کنند. آن‌ها با یادگیری تاریخچه‌ی زمین این کار را انجام می‌دهند. یانگ، ستاره‌شناس دانشگاه آریزونای شمالی که یافته‌های تیم خود را در کنفرانس انجمن نجوم آمریکا در سیاتل ارائه داد، می‌گوید:

ما یک استراتژی را برای جستجوی سیاره‌های فراخورشیدی زمین‌مانند ترسیم کردیم و خود را محدود به حیاتی که امروز و در این لحظه می‌شناسیم، نکردیم. حیات در دوره‌های مختلف تاریخ زمین وجود داشته است؛ در آن زمان جو زمین بسیار متفاوت بود. این داده‌ها می‌توانند از وسعت حیاتی که در دنیاهای دیگر وجود دارند، بگویند.
-
برای مثال یانگ به دوران آرکئن یا نخست‌زیستی زمین اشاره می‌کند که قدمت آن به ۲٫۵ تا ۴ میلیارد سال پیش بازمی‌گردد. در این دوران حیات میکروبی به لطف متان و کربن‌دی‌اکسید فراوان موجود در جو زمین، گسترش پیدا کرد. سپس دوران پرتروزوئیک (پیشین‌زیستی) آغاز شد یعنی زمانی که سطوح اکسیژن افزایش یافتند و موجودات زنده‌ی بزرگ‌تر و پیچیده‌تر به تکامل رسیدند.

امروزه، اغلب ستاره‌شناس‌ها بخار آب جوی و اکسیژن را دو ویژگی مهم یک سیاره‌ برای میزبانی حیات می‌دانند. (متان و مقدار نه‌چندان زیاد کربن‌دی‌اکسید معمولا اولویت‌های بعدی این فهرست هستند و گازهای سولفور و نیتروز اکسید در رتبه‌های بعدی قرار دارند.) اگر ستاره‌شناسی فرازمینی جو سیاره‌ی ما را در دوره‌ی آرکئن بررسی می‌کرد احتمالا علائمی از بخار و متان می‌دید اما اکسیژنی در کار نبود. بنابراین حیات زمین و پتانسیل آن برای سیاره‌ای میزبان حیات نادیده گرفته می‌شد. به همین دلیل یانگ فلوچارت خود را با این فرض ساخت: جستجوی سیگنال‌های سیاره‌های فراخورشیدی که ممکن است در یکی از مراحل تکامل چندمیلیاردساله‌ی خود باشند، حتی اگر جو آن‌ها شباهتی به جو زمین کنونی نداشته باشد.

به باور تیم لیونز، اخترزیست‌شناس دانشگاه کالیفرنیا ریورساید و یکی از هواداران مفهوم فلوچارت، بر اساس گذشته‌ی زمین این احتمال وجود دارد که اکسیژن به مدت بیش از ۲ میلیارد سال آشکار نشود. حتی ممکن است فراوانی متان و اکسیژن برای آشکارسازی آن‌ها از فواصل دور در دوران پروتروزوئیک (پیشین‌زیستی) کافی نبوده باشد.

پژوهش لیون هم دیدگاهی مشابه یانگ دارد. او به بررسی این مسئله از دیدگاهی متفاوت می‌پردازد: آیا ستاره‌شناس فرازمینی هنگام رصد زمین می‌تواند به‌درستی تشخیص دهد که زمین میزبان حیات است؟ این سؤال به معنی بررسی محتویات جوی سیاره‌ی زمین در چهار میلیارد سال گذشته و میزبانی آن برای حیات و همچنین بررسی سطوح گازهای بیولوژیکی است که امکان آشکارسازی آن‌ها از فضا وجود دارد.

گروهی دیگر هم تلاش کردند بفهمند که آیا موجودات سیاره‌های دیگر می‌توانند با استفاده از روشی که ما برای کشف سیاره‌های فراخورشیدی سنگی به کار می‌بریم، زمین را رصد کنند یا نه. پژوهشگرها بر این باورند فرازمینی‌ها می‌توانند زمین را در حین عبور آن از مقابل خورشید یا به بیان ساده‌تر با مسدودسازی نور ستاره رصد کنند و سرنخی از وجود ما به دست بیاورند.

در حال حاضر دانشمندان هنگام ارزیابی سیاره‌ای فراخورشیدی در ابتدا ستاره‌ی میزبان آن را بررسی می‌کنند تا مطمئن شوند شراره‌های زیادی را از خود منتشر نمی‌کند. سپس مدار سیاره را برای ارزیابی ثبات و قرار گرفتن آن در منطقه‌ی کمربند حیات بررسی می‌کنند. در این منطقه، سیاره نه‌ چندان سرد و نه‌چندان داغ است به طوری که امکان جریان یافتن آب مایع روی سطح آن وجود دارد.

سپس بخش دشوار کار آغاز می‌شود. ستاره‌شناسان با درخت تصمیم‌گیری یانگ می‌توانند وجود مقدار بخار آب در جو را تخمین بزنند، علامتی که نشان می‌دهد آب در سطح سیاره وجود دارد یا خیر. در واقع آن‌ها با استفاده از طیف‌سنج‌هایی مثل نمونه‌ی به‌کاررفته در تلسکوپ فضایی جیمز وب، جو سیاره را در طول موج‌های فروسرخ اسکن می‌کنند.

پژوهشگرها در مرحله‌ی بعدی از طیف‌سنج برای یافتن مولکول‌های کلیدی مثل اکسیژن یا متان استفاده می‌کنند. هر مقداری که از هر عنصر پیدا کنند، هدف بعدی آن‌ها مثل کربن‌دی‌اکسید یا اوزون تعیین می‌شود. برای مثال در صورتی که فرآیند فتوسنتز روی دنیاهای دیگری وجود داشته باشد، موجودات زنده‌ای که از اکسیژن استفاده می‌کنند معمولا آب و کربن‌دی‌اکسید تولید می‌کنند در حالی که برخی انواع میکروب‌ها مثل باکتری‌ها، متان تولید می‌کنند.

بنابراین بهتر است تمام آثار زیستی احتمالی را در صورت ممکن تخمین زد؛ اما بر اساس طیف طول موج و حساسیت یک تلسکوپ نسبت به آن، می‌توان فراوانی برخی عناصر را بهتر از بقیه‌ی عنصرها اندازه‌گیری کرد. ترسیم تمام این مسیرها روی درخت تصمیم‌گیری یانگ، به ستاره‌شناسان می‌گوید آیا به جهانی شبیه زمین امروزی نگاه می‌کنند یا درحال رصد نسخه‌ی پیشین جهانمان یا دنیای متفاوت دیگری هستند.

تصویرسازی هنری از سطح احتمالی TRAPPIST-۱f، یکی از سیاره‌های تازه‌کشف‌شده در منظومه تراپیست ۱.
شاید این پرسش مطرح شود که چرا جستجوی حیات فرازمینی تا این اندازه متمرکز بر زمین است و زیاد به غول‌های گازی مثل مشتری یا حتی دنیاهای اقیانوسی مثل تایتان، بزرگ‌ترین قمر زحل یا انسلادوس دیگر قمر این سیاره وابسته نیست. کن ویلیفورد، اخترزیست‌شناس مؤسسه‌ی فضایی بلوماربل به این سؤال پاسخ می‌دهد:

از لحاظ استراتژیک بهتر است در جستجوی چیزی آشنا باشیم. با وجود تمام نشانه‌های موجود ما فقط یک دنیای سکونت‌پذیر داریم که آن هم زمین است.
-
ویلیفورد با مریخ‌نورد پرسیورنس ناسا کار می‌کند که هدف آن جستجوی علائم حیات گذشته در مریخ است و سپس دانشمندان را به ساحل منطقه‌ای هدایت می‌کند که تصور می‌شود زمانی پر از آب بوده است. اگر گذشته‌ی مریخ به گذشته‌ی زمین شباهت داشته باشد، بقایای محیط آبی کم‌عمق آن می‌توانند نشانه‌هایی از میکروب‌های فسیلی یا لایه‌ای از موجودات زنده را آشکار کنند.

اما به شکل اجتناب‌ناپذیری، هر کسی که فلوچارت یانگ را دنبال کند سیاره‌هایی با نتایج مبهم را پیدا می‌کند: تعدادی علامت امیدبخش همراه با مجموعه‌ای ابهام. همچنین به باور مگی تامسون، ستاره‌شناس دانشگاه کالیفرنیا سانتاکروز که پژوهش خود را در هفته‌ی گذشته در کنفرانس نجوم ارائه داد، در صورتی که آثار زیست‌دوست دارای منشأ غیربیولوژیکی مثل آتشفشان‌های تولیدکننده‌ی متان باشند، لازم است از مثبت‌های کاذب اجتناب کنیم.

برای مثال تایتان، قمر زحل دارای جوی مملو از متان است اما احتمالا به دلیل دماهای منجمدکننده و عدم وجود آب، خالی از حیات است. این احتمال هم وجود دارد که این قمر میزبان میکروب‌های بسیار عجیبی باشد که قبلا هرگز دیده نشده‌اند و می‌توانند در دریاچه‌های متانی با تغذیه از استیلن و تنفس هیدروژن به جای اکسیژن زنده بمانند؛ اما تا زمانی که کاوشگر دراگن‌فلای ناسا به تایتان نرسد نمی‌توان با اطمینان دراین باره سخن گفت.

با این‌حال متان می‌تواند یکی از آثار زیستی کلیدی روی سیاره‌های فراخورشیدی سکونت‌پذیر به ویژه سیاره‌های گرم‌تر میزبان آب باشد. تلسکوپ فضایی وب در نهایت اولین سیاره‌ی فراخورشید خود را رصد کرد و به لطف برخورداری از طیف‌سنج نزدیک به فروسرخ، قابلیت‌های خود را در این زمینه ثابت کرد. در واقع متان یکی از معدود گازهایی است که جیمز وب می‌تواند کشف کند، اما این تلسکوپ احتمالا سیاره‌ای با یک اثر زیستی قطعی پیدا نخواهد کرد.

یانگ در انتظار تلسکوپ نسل بعدی جیمز وب، رصدخانه‌ی دنیاهای سکونت‌پذیر (HWO) است که هدف آن جستجوی حیات در سیاره‌های زمین‌مانند در اطراف ستاره‌های خورشیدمانند است. تا امروز یافتن سیاره‌های غول گازی در اطراف کوتوله‌های سرخ فعال، رایج بوده است. بیل نلسون مدیر ناسا در ماه دسامبر از طرح ساخت این تلسکوپ فضایی در دهه‌ی ۲۰۳۰ رونمایی کرد. بر اساس حساسیت و دقت این تلسکوپ جدید، می‌توان ده‌ها سیاره‌ی زمین‌مانند جدید را کشف کرد.

یانگ همچنین به جستجوی حیاتی که نمی‌شناسیم می‌پردازد. درخت تصمیم‌گیری دارای شاخه‌هایی برای سیاره‌هایی است که به نظر می‌رسد شباهتی به هیچ مرحله‌ای از تاریخ زمین ندارند. او می‌گوید:

می‌خواهیم برای شگفتی‌ها و نمونه‌های عجیبی که شاید نتوان دسته‌بندی کرد، آماده شویم. اجازه دهید دسته‌ی سیاره‌های مبهم را درنظر بگیریم و آن‌ها را در گروه اهداف جذاب قرار دهیم.

۲۲۷۲۲۷