محدوده سکونت‌پذیر، تنها معیار کافی برای جست‌وجوی حیات فرازمینی نیست

اولین پیش‌نیاز برای شکل‌گیری حیات در سیاره، وجود آب است؛ زیرا سلول‌ها به‌عنوان کوچک‌ترین واحدهای حیات برای فعالیت به آب نیاز دارند. برای وجود آب مایع به دمای مناسب احتیاج است؛ اما درباره‌ی اندازه‌ی سیاره چه می‌توان گفت؟

سیاره‌ای که جرم کافی نداشته باشد، از جاذبه‌ی مناسب برای حفظ آب محروم خواهد بود. موضوع یکی از پژوهش‌های اخیر بررسی تأثیر اندازه بر حفظ آب در سیاره‌های فراخورشیدی و درنتیجه، تأثیر آن بر سکونت‌پذیری این سیاره‌ها است. به‌طورکلی، معیارها و پیش‌نیازهای لازم برای شکل‌گیری حیات در سیاره‌ها به موضوع بحث این روزها تبدیل شده است. این بحث نه‌تنها برای سیاره‌های فراخورشیدی، بلکه برای برخی قمرها در آینده‌ی منظومه‌ی شمسی هم مطرح شده است.

بااین‌همه، سیاره برای حفظ آب مایع باید چقدر انرژی از ستاره‌ی خود دریافت کند؟ پاسخ به این پرسش در مفهومی به‌نام محدوده‌ی گلدیلاکز (Goldilocks) نهفته است. گلدیلاکز به محدوده‌ای در مدار ستاره گفته می‌شود که نه خیلی به آن نزدیک و نه خیلی از آن دور است و سیاره‌ای که در این محدوده قرار داشته باشد، می‌تواند آب مایع را حفظ کند.

محدوده‌ی گلدیلاکز اطراف یک ستاره

دانشمندان با افزایش جست‌وجوی سیاره‌های فراخورشیدی و دسترسی به تلسکوپ‌ها و روش‌های دقیق‌تر برای بررسی سیاره‌های فراخورشیدی، باید محدودیت‌های بیشتری روی منابع نظارتی خود اعمال کنند. کنستانتین دبلیو. آرنشیدت، فارغ‌التحصیل دانشگاه MIT، در مقاله‌ای با عنوان «تکامل جوّ دنیاهای آبی کم‌جاذبه» به این موضوع پرداخته است. این مقاله در مجله‌ی Astrophysical منتشر شده است.

معمولا بسیاری از پژوهشگران در بررسی لبه‌های خارجی و داخلی منظومه‌ی شمسی، فقط دوری یا نزدیکی سیاره از ستاره‌ی میزبان را در نظر می‌گیرند؛ در‌حالی‌که سکونت‌پذیری سیاره‌ها به معیارهای مختلفی وابسته است که یکی از آن‌ها جرم است. با درنظرگرفتن اندازه‌ی کم می‌توان جست‌وجو برای سیاره‌ها و قمرهای فراخورشیدی را به‌صورت محدودتر و دقیق‌تری ادامه داد.

اندازه و محدوده‌ی سکونت‌پذیر به ستاره‌ی میزبان وابسته است. معمولا محدوده‌ی سکونت‌پذیر ستاره‌های کوچک‌تری مثل کوتوله‌های سرخ درمقایسه‌با ستاره‌های بزرگ‌تری مثل خورشید به آن‌ها نزدیک‌تر است. در‌صورتی‌که فاصله‌ی سیاره‌ای از ستاره‌ی میزبانش دور باشد، آب منجمد می‌شود و اگر خیلی نزدیک باشد، اثر گریز گلخانه‌ای رخ می‌دهد و آب تبخیر و وارد فضا می‌شود. اثر گریز گلخانه‌ای زمانی رخ می‌دهد که گازهای گلخانه‌ای موجود در جوّ سیاره به‌قدری زیاد شوند که از عبور تشعشعات گرمایی سیاره و سردشدن و جریان آب مایع روی سطح آن جلوگیری کنند.

با تمام این‌ها، ممکن است سیاره‌های کوچک‌تر و کم‌جرم‌تر درمقابل اثر گریز گلخانه‌ای مقاومت کنند. با گرم‌شدن این سیاره‌ها، جوّ آن‌ها هم گسترش می‌یابد که گاهی ممکن است بیش‌از‌اندازه باشد. این اتفاق دو پیامد دارد: افزایش اندازه‌ی سطح به‌معنی جذب انرژی و انتشار انرژی بیشتر است. به‌نقل از پژوهشگران، نتیجه‌ی این پیامد جوّ توسعه‌یافته‌ای است که از اثر گریز گلخانه‌ای مانع می‌شود و درنتیجه، آب به‌صورت مایع روی سطح سیاره جریان می‌یابد.

اگر سیاره بدون از‌دست‌دادن آب در فاصله‌ی نزدیکی از ستاره‌ی خود قرار داشته باشد، به‌معنی توسعه‌ی محدوده‌ی گلدیلاکز برای سیاره‌های فراخورشیدی کوچک‌تر است. در‌صورتی‌که سیاره‌ی کم‌جرم بیش‌از‌اندازه کوچک باشد، جاذبه‌ی کافی را نخواهد داشت و جوَ آن ناپدید می‌شود و درنتیجه، آب هم همراه با جوّ وارد فضا می‌شود یا روی سطح سیاره منجمد می‌شود؛ بنابراین، امید به حیات در چنین سیاره‌ای هم کاهش خواهد یافت.

به‌گفته‌ی پژوهشگران، حد کمتری هم برای سکونت‌پذیری سیاره وجود دارد. به‌عبارت‌دیگر، فقط نزدیکی به ستاره‌ی میزبان معیار سکونت‌پذیری سیاره نیست؛ بلکه اندازه‌ی سیاره هم عامل مهمی است. حتی اگر سیاره‌ی کوچک در محدوده‌ی گلدیلاکز قرار بگیرد، احتمال سکونت‌پذیری آن کم خواهد بود.

کمترین میزان جرم سیاره‌ی سکونت‌پذیر

به‌باور آرنشیدت و دیگر مؤلفان مقاله، اندازه‌ی پیش‌فرض برای شکل‌گیری حیات ۲/۷ درصد جرم زمین است. کوچک‌تر از این اندازه سیاره نمی‌تواند جوّ و آب لازم برای شکل‌گیری حیات را حفظ کند. برای مثال، جرم ماه ۱/۲ درصد و جرم عطارد ۵/۵۳ درصد جرم زمین است. پژوهشگران از سیاره‌های شبه‌دنباله‌دار به‌عنوان نمونه‌ استفاده می‌کنند. دنباله‌دارها آب زیادی دارند که در مجاورت خورشید تبخیر می‌شود.

سیاره‌های شبه‌دنباله‌دار فاقد جرم لازم برای حفظ بخار هستند و هرگز نمی‌توانند جوّی داشته باشند؛ درنتیجه، آب سطح آن‌ها وارد فضا می‌شود. بنابراین، اگر سیاره‌ای بیش‌از‌اندازه کوچک باشد، حتی با وجود مقادیر زیاد آب نمی‌تواند آن را حفظ کند. پژوهشگران از مدل‌ها برای تخمین محدوده‌ی سکونت‌پذیر سیاره‌های کم‌جرم و دو نوع ستاره‌ی متفاوت استفاده کردند: ستاره‌ی نوع M یا کوتوله‌ی سرخ و ستاره‌ی نوع G مثل خورشید.

سیاره‌ی فراخورشیدی و قمر آن که دور کوتوله‌ی سرخ می‌چرخند.

آنان به سؤال دیرینه‌ی دیگری درباره‌ی سکونت‌پذیری در منظومه‌ی شمسی پاسخ داده‌اند. گانیمه و کالیستو و اروپا، قمرهای مشتری، سرشار از آب مایع هستند؛ اما حتی اگر به‌اندازه‌ی کافی گرم شوند، جرم کافی برای حفظ جریان آب مایع روی سطح ندارند. گانیمه با ۲/۵ درصد جرم زمین به جرم استاندارد نزدیک است؛ اما بازهم به‌قدری کوچک است که کل آب آن در فضا پخش خواهد شد. رابین وردسورث، استادیار علوم محیطی و مهندس SEAS و مؤلف ارشد این مقاله، دراین‌زمینه معتقد است:

دنیاهای آبی کم‌جرم گزینه‌های مناسبی برای جست‌وجوی حیات هستند و این مقاله نشان می‌دهد رفتار آن‌ها در‌مقایسه‌با سیاره‌های شبه‌زمین چقدر متفاوت است. با بهبود مشاهده‌هایی از این دست، آزمایش مستقیم پیش‌بینی‌ها هیجان‌انگیزتر خواهد بود.

پژوهشگران قبلا تصور می‌کردند جوّ دنیاهای کم‌جرم از بخار آب خالص تشکیل شده است و حتی جرم آب سیاره را ۴۰ درصد جرم آن تخمین زده بودند؛ در‌حالی‌که معیارهای دیگری مثل چرخه‌ی دی‌اکسیدکربن و پوشش ابری و خاصیت شیمیایی اقیانوسی را نادیده گرفته بودند. متغیرهای زیادی برای مدل‌سازی در این مرحله از کار وجود دارد.

نیروهای گرانشی ترکیبی قمر فراخورشیدی و سیاره‌ی آن و ستاره می‌توانند سکونت‌پذیری را از بین ببرند. معیارهای دیگری هم برای سکونت‌پذیربودن سیاره یا قمر وجود دارد. برای مثال، اگرچه قمرهایی مانند گانیمه ممکن است برای سکونت‌پذیربودن خیلی کوچک باشند، شاید در اقیانوس‌های زیر سطح آن‌ها حیات وجود داشته باشد در این بخش‌ها، آب با لایه‌ای ضخیم از یخ محافظت می‌شود و نمی‌تواند فرار کند.

نیاز به پژوهش‌های بیشتری درزمینه‌ی سکونت‌پذیری وجود دارد و مؤلفان مقاله می‌گویند با پژوهش‌های بیشتر می‌توان به مدل‌های پیچیده‌تری از فرار هیدرودینامیکی دست یافت. به‌طور کلی، تنوع و پیچیدگی سیاره‌های فراخورشیدی فراتر از انتظار است.