میلیاردها سیاره زمین مانند در کهکشان وجود دارد؛ پس چرا نمی‌توانیم آن‌ها را پیدا کنیم؟

در سال ۲۰۰۹، تلسکوپ فضایی کپلر به‌طورمداوم تقریبا به ۲۰۰ هزار ستاره در گوشه‌ی کهکشان راه شیری چشم دوخته بود. این رصدخانه با موقعیت‌یابی سیاره‌های سنگی کوچک در مناطق معتدل ازنظر گرما و خورشیدهای زرد و درک میزان منحصربه‌فردبودن زمین در کل جهان، به‌دنبال مکان‌هایی می‌گشت که ممکن بود میزبان حیات باشند. هرچند مأموریت این تلسکوپ عرصه‌ی مطالعه‌ی سیاره‌های فراخورشیدی را متحول کرد، اهداف اصلی مدنظر تا حد زیادی تحقق نیافت. بروز نقصی فنی در سال ۲۰۱۳ مأموریت اولیه‌ی کپلر را کوتاه کرد و اخترشناسان بعدها در مجموعه‌داده‌های به‌دست‌آمده، تنها یک سیاره‌ی زمین‌مانند شناسایی کردند.

یک دهه بعد، پژوهشگران درنهایت در حال نزدیک‌شدن به یافتن پاسخ برای برخی پرسش‌های مطرح‌شده‌ی کپلر هستند. سیاره‌های زمین‌مانند احتمالا نایاب هستند؛ اما نه‌چندان زیاد؛ زیرا به‌نقل از تجزیه‌وتحلیلی تازه از داده‌های کپلر که ماه مه در نشریه‌ی اخترفیزیکی منتشر شد، تقریبا از هر پنج ستاره‌ی زرد، یکی ممکن است یک سیاره‌ی مشابه با زمین داشته باشد. اگر نتیجه‌گیری پژوهشگران درست باشد، راه شیری احتمالا خاستگاه نزدیک به ۶ میلیارد سیاره‌ی زمین‌مانند است. تاکنون، ۴ هزار سیاره‌ی فراخورشیدی احتمالی را شناسایی کرده‌ایم که از‌این‌بین، تنها یکی به زمین آبی ما شباهت دارد؛ پس سایر سیاره‌ها کجا هستند؟

دیرک شولز ماکو، اخترزیست‌شناس در دانشگاه فنی برلین‌، می‌گوید سیاره‌های واقعا زمین‌مانند به‌خودی‌خود در جایی پنهان نشده‌اند؛ بلکه صرفا تلسکوپ‌های ما هنوز برای پیدا‌کردن آن‌ها به‌اندازه‌ی کافی حساس نیستند. اگر ستاره‌شناسان می‌خواهند زمین دوم را پیدا کنند، پژوهش‌ها حول محور تعدد چنین جهان‌ها، به تلسکوپ‌های آتی بهترین فرصت را برای موفقیت می‌دهند.

در بستر معنایی کنونی از سیاره‌های فراخورشیدی، عبارت «زمین‌مانند» لزوما به نقطه‌ی کم‌رنگ آبی دلالت نمی‌کند. از نگاه تلسکوپ، اصلا نقطه‌ای آبی وجود ندارد و هرآنچه به‌نظر می‌آید، صرفا افت نور گاه‌به‌گاه ستاره هم‌زمان با گذر سیاره از مقابل آن است. بااین‌حال، پژوهشگران با رصد همین افت نورها توانسته‌اند حقایق مهمی را دریابند. به‌عنوان مثال، سوسو عمیق نمایانگر سیاره‌های غول‌پیکر است و افت نور مکرر نشان می‌دهد سیاره در مداری کوچک و نزدیک به ستاره می‌چرخد. سیاره درصورتی لقب زمین‌مانند را می‌گیرد که خصوصیاتی منحصربه‌فرد آن را در منطقه‌ای به‌نام کمربند حیات قرار داده باشد؛ محدوده‌ای مطبوع که در آن، گرمای ستاره به آب سطحی امکان می‌دهد به‌شکل مایع باقی بماند.

میشل کونیموتو، متخصص سیاره‌های فراخورشیدی و سرپرست مطالعه‌ی جدید، تعریفی استاندارد از سیاره‌ی زمین‌مانند را به‌کار گرفت: جهانی با اندازه‌ی بین سه‌چهارم و یک‌ونیم برابر ما در حال چرخش به‌ دور ستاره‌ای خورشیدمانند (نوع جی) و در فاصله‌ی مداری بین ۰/۹۹ و ۱/۷ برابر ما. در منظومه‌ی شمسی، تنها زمین واجد این شرایط است؛ زیرا مریخ اندازه‌ای بیش‌از‌حد کوچک دارد و زهره نیز بیش‌از‌حد نزدیک به دور خورشید می‌چرخد.

همان‌طورکه پژوهش کونیموتو نشان می‌دهد، جهان‌هایی که سه خصوصیت یادشده را داشته باشند، قطعا در کهکشان وجود دارند؛‌ اما شناسایی آن‌ها دشوار است. افت نور سیاره‌های کوچک را به‌سختی می‌توان رصد کرد و ممکن است تنها هر چندصد روز یک‌بار از مقابل ستاره‌شان گذر کنند؛ درحالی‌که ستاره‌شناسان دست‌کم به سه گذر نیاز دارند تا با اطمینان مدعی شناسایی سیاره شوند. بدتر از همه، خورشید‌های زرد را به‌ندرت می‌توان پیدا کرد؛ به‌نحوی که تنها ۷ درصد از ۴۰۰ میلیون ستاره‌ی موجود در راه شیری را تشکیل می‌دهند. بخش عمده‌ی ستارگان کهکشان ما کوتوله‌های قرمز کم‌نوری هستند که ممکن است سیاره‌های نزدیکشان را با شراره‌های کشنده بسوزانند.

برنامه‌ریزان مأموریت هنگام پرتاب کپلر به تعداد اندک ستاره‌های خورشیدمانند واقف نبودند. این تلسکوپ فضایی تقریبا بختی برای تکمیل جست‌وجوی تعیین‌شده‌ی اولیه‌اش نداشت و به‌منظور رصد سه گذر از سیاره‌های کُندتر در حال چرخش در لبه‌ی بیرونی کمربندهای حیات ستاره‌شان، نیاز داشت بیش از هفت سال بی‌وقفه بخشی از آسمان را زیر نظر بگیرد؛ اما دستگاه نشانه‌گیری آن پس از چهار سال خراب شد. این مدت صرفا برای یافتن سیاره‌های واقع در تقریبا نیمه‌ی درونی کمربندهای حیات ستارگان کفایت می‌کرد.

علاوه‌براین، کپلر با درنظرداشتن خورشید طراحی شده بود؛ اما معلوم شد ستاره‌ی ما به چند دلیل منحصربه‌فرد است. کونیموتو می‌گوید: «خورشید تمایل دارد بسیار آرام باشد؛ درحالی‌که ستارگان کپلر دراثر سوزانندگی ذاتی‌شان، پرسروصداتر هستند؛ از‌این‌رو، یافتن سیاره‌های زمین‌مانند دشوارتر [از حد انتظار طراحان مأموریت] بود.»

نتیجه‌ی مأموریت کپلر کشف هزاران سیاره‌ی فراخورشیدی بود که اغلبشان غول‌هایی بزرگ در فاصله‌ی نزدیک به ستارگان میزبانشان بودند؛ اما پژوهشگران در تلاش برای پی‌بردن به وجود جهان‌های آشناتری بوده‌اند که کپلر موفقیت چندانی در رصدشان نداشت. کپلر ۴۵۲ بی که ۱۰ درصد بزرگ‌تر از زمین و یک سالش تنها سه هفته طولانی‌تر از ما است، تنها استثنای زمین‌مانند محسوب می‌شود.

پژوهش جدید برپایه‌ی روش توسعه‌یافته‌ی دانلی سو، ستاره‌شناس دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، در سال ۲۰۱۸ انجام شده است. پیش‌تر، اغلب پژوهشگران بر این گمان بودند که حتی اندازه‌ی سیاره‌ها و مدارها متنوع خواهد بود؛ اما همان‌طورکه تعداد سیاره‌های فراخورشیدی افزایش یافته است، برخی از انواع جهان‌ها متداول‌تر از دیگران به‌نظر آمده‌اند. به‌عنوان مثال، برای سیاره‌هایی با سال کوتاه‌تر از ۱۰۰ روز زمینی، بسیاری ۵۰ درصد و بسیاری ۱۵۰ درصد بزرگ‌تر از زمین هستند؛ درحالی‌که چند سیاره، اندازه‌ای دوبرابر زمین دارند. سو و کونیموتو هر دو به‌منظور تطبیق این عجایب توجیه‌ناپذیر داده‌های کپلر از اندازه و مدار سیاره‌ها را به دسته‌های مختلف تقسیم و تمام آن‌ها را به شیوه‌ای مستقل‌تر تجزیه‌وتحلیل کردند. کونیموتو یک گام فراتر رفت و بدون اتکا به فهرست رسمی، فهرست خود از سیاره‌های فراخورشیدی کاندیدا را ساخت.

درپایان، کونیموتو دریافت سیاره‌ای زمین‌مانند ممکن است تقریبا از هر ۵ ستاره به دور یکی در حال چرخش باشد. بااین‌حال، او تأکید کرد این میزان برآورد بسیار زیاد است و امکان دارد جهان‌ها تا حدی نایاب‌تر باشند. نتایج او نمایانگر اجماعی نوظهور است که نسبت زمین به خورشید در راه شیری را درحدود تقریبی یک به دَه می‌داند. این رقم همچنان تخمینی جسورانه است و کونیموتو به آن اذعان می‌کند؛ اما از برآوردهای مختلف منتشرشده در گذشته مطمئن‌تر است که به وجود یک زمین در پیرامون هر ۵۰ خورشید تا دو زمین در حال چرخش به‌ دور هر یک خورشید اشاره می‌کردند.

• راه شیری احتمالا میزبان ۳۶ تمدن بیگانه با توانایی برقراری ارتباط رادیویی است
• اخترزیست‌شناسی: حیات فراتر از زمین

شولز ماکو برآورد پژوهشگران را «منطقی» می‌داند و می‌گوید این نوع پژوهش نگاهی ارزشمند به پاسخ پرسش‌های شناخت‌ناپذیر به ما می‌دهد؛ نظیر «آیا منظومه‌ی شمسی ما سامانه‌ای معمولی است یا از عجایب به‌شمار می‌آید؟» بااین‌حال، او هشدار می‌دهد نباید اجازه داد تصورات افراد به‌قدری بلندپروازانه شود که کهکشان را لبریز از میلیاردها کره‌ی آبی و سبز بدانند. شاخص‌های محدود مربوط به مدار و اندازه و نوع ستاره اطلاعات چندانی دراین‌باره نمی‌دهد که سیاره‌ها اتمسفر محافظتی و محافظ مغناطیسی و آب یا مواد لازم برای ظهور حیات دارند یا نه.

برآوردهای مشابه با نتیجه‌گیری کونیموتو می‌تواند مأموریت‌های آتی را نیز شکل دهد و درمقایسه‌با کپلر، فرصت بیشتری برای یافتن سیاره‌های زمین‌مانند به آن‌ها بدهد. هرچه این سیاره‌ها متداول‌تر باشند، برنامه‌ریزان مأموریت بیشتر می‌توانند بر طراحی ابزارهایی تمرکز کنند که به‌جای نگاه گذرا، دقیق هر جهان را موشکافی کنند.

به‌عنوان مثال، شولز ماکو امیدوار است کپلرهای آینده نورگیرهایی همراه داشته باشند تا با مسدودکردن نور ستاره، سیاره‌های فراخورشیدی را به‌عنوان پیکسل‌هایی واحد ثبت کنند که تغییراتش می‌تواند نمایانگر گذر فصل‌ها یا وجود کلاهک‌های یخی باشد. چنین نوآوری‌هایی می‌توانند تعاریف پژوهشگران از ماهیت سیاره‌ی زمین‌مانند را محدود کند؛ اما شولز موکو پیش‌بینی می‌کند تا کشف قطعی و بی‌شبهه‌ی زمین دومی که حیات چهره‌ی آن را دگرگون کرده باشد، هنوز مسیر درازی در پیش است. او می‌گوید: «اگر صرفا از همین فناوری موجود کنونی استفاده کنیم، به‌نظر می‌آید چندین سال نوری [تا کشف زمین دوم] فاصله داریم.»