ردیابی قاره‌های فراخورشیدی؛ راهی موثر برای کشف حیات فرازمینی

روی زمین، قاره‌ها برای پشتیبانی از حیات به احتمال زیاد ضروری هستند. قاره‌ها در بالای گوشته‌ی چسبناک زمین شناور هستند و گرمای هسته‌ باعث می‌شود تا گوشته جامد نشود و قاره‌ها در جای خود حفظ شوند.

هسته‌ی زمین به دلیل وجود عناصر رادیواکتیو ناشی از برخورد ستاره‌های نوترونی داغ است. درنتیجه محاسبه‌ی زمان شکل‌گیری اولین قاره‌های جهان باید امکان‌پذیر باشد.

جین گریوز استاد نجوم در دانشکده‌ی فیزیک و نجوم دانشگاه کاردیف در ولز، نحوه‌ی شکل‌گیری سیاره‌ها و سکونت‌پذیری آن‌ها را بررسی می‌کند. پژوهش جدید وی که در نشریه‌ی تحقیقات انجمن اخترشناسی آمریکا منتشر شده است، در عنوان خود سوالی بسیار ساده را مطرح می‌کند: اولین قاره‌های فراخورشیدی چه زمانی شکل گرفتند؟

هدف تحقیقات گریوز این است که جستجوی جهان‌های سکونت‌پذیر را کارآمدتر کند. اگر قاره‌ها و تکتونیک صفحه‌ای که شکل‌گیری آن‌ها را امکان‌پذیر می‌کند، برای حیات ضروری هستند، پس محدودسازی مکان‌های احتمالی در سیاره‌های سنگی می‌تواند جستجوی جهان‌های سکونت‌پذیر را مؤثرتر کند.

اما پیش از همه، چرا وجود قاره‌ها و تکتونیک صفحه‌ای برای حیات ضروری است؟ زمین‌ساخت‌ صفحه‌ای ممکن است آن‌قدرها برای حیات حیاتی نباشد؛ اما این پدیده با تعدیل دمای زمین نقش مهمی در پشتیبانی از حیات ایفا می‌کند. صفحات زمین‌ساخت امکان خروج گرما از هسته را فراهم می‌کنند. گرمای بیش از حد در هسته، در عملکرد مغناطیس‌کره‌ی محافظ زمین اختلال ایجاد خواهد کرد. آن‌ها همچنین به حفظ زمین در منطقه‌ی موسوم به کمربند حیات کمک می‌کنند.

با این حال، برخی تحقیقات نشان می‌دهد که میلیاردها سال پیش، زمانی که حیات برای اولین بار ظاهر شد، تکتونیک صفحه‌ای چندان فعال نبودند. بنابراین ممکن است وجود این صفحات برای شروع زندگی ضروری نباشد، اما وجودشان برای تداوم حیات و تبدیل شدن سیاره به مکانی برای زندگی موجودات پیچیده‌تری مانند انسان، احتمالاً ضروری است.

بنابراین جستجو برای حیات در سیاره‌های سکونت‌پذیر باید به سمت جهان‌های سنگی دارای تکتونیک صفحه‌ای سوق داده شود. آنچه واقعا باید پیدا کنیم، سیاره‌های دارای قاره هستند. چنین جهان‌هایی در مقایسه با سیاره‌های بدون قاره می‌توانند از زیست‌توده‌ بیشتری در دوره‌های زمانی طولانی‌تری پشتیبانی کنند و تکتونیک صفحه‌ای قاره‌ها را به وجود می‌آورند.

بنابراین گریوز با ردیابی اینکه کدام سیاره‌ها ممکن است زمین‌ساخت‌ صفحه‌ای داشته باشند، به دنبال راهی برای ردیابی قاره در سیاره‌های دیگر رفت. همه‌چیز به گرما بستگی دارد. اگر هسته‌ی یک سیاره‌ی سنگی گرمای کافی تولید کند، احتمالاً در آن سیاره زمین‌ساخت‌ صفحه‌ای فعال نیز وجود دارد، و ما می‌دانیم که چرا هسته‌ی زمین گرما تولید می‌کند.

هسته سیاره‌ی ما حاوی ترکیبی از ایزوتوپ‌های عنصر رادیواکتیو، از جمله اورانیوم-۲۳۸، توریوم-۲۳۲ و پتاسیم-۴۰ است. در طول بازه‌های زمانی زمین‌شناسی، آن‌ها به عناصر دیگر وامی‌پاشند و گرما تولید می‌کنند. این عناصر به صورت اتفاقی به‌وجود نمی‌آیند، بلکه در ستارگان نوترونی و انفجارهای ابرنواختری تشکیل می‌شوند.

پیوند میان ستارگان و سیاره‌هایی که در اطراف آن‌ها شکل می‌گیرند، در این امر نقش دارد. سیاره‌ها از سحابی خورشیدی تشکیل می‌شوند، یعنی همان ماده‌ای که یک ستاره از آن تشکیل می‌شود. بنابراین فراوانی عناصر شیمیایی مختلف یک ستاره، در سیاره‌هایی که در اطراف آن‌ها تشکیل می‌شوند منعکس می‌شود.

گریوز داده‌های مطالعات قبلی در مورد فراوانی ستاره‌ای عناصر مختلف را جمع‌آوری و سپس این داده‌ها را با سن ستارگان در داده‌های تلسکوپ فضایی گایا ترکیب کرد. او برای افزایش دقت دو گروه مجزا از ستارگان را مورد بررسی قرار داد: ستارگان قرص نازک و ستارگان قرص ضخیم. ستارگان قرص نازک معمولاً جوان‌تر هستند و دارای خاصیت فلزی بالاتری هستند، در حالی که ستارگان قرص ضخیم پیرتر و از نظر فلزی ضعیف هستند.

نتایج مطالعه‌ی گریوز نشان می‌دهد که ظهور قاره‌ها در سیاره‌ی زمین بیانگر مقدار میانه است. ظهور تکتونیک صفحه‌ای در زمین حدود سه میلیارد سال پیش، یا حدود ۹٫۵ میلیارد سال پس از پیدایش کیهان آغاز شد. در نمونه‌ی گریوز، اولین قاره‌ها دو میلیارد سال پیش از زمین، در ستارگان قرص نازک ظاهر شدند. ستارگان قرص ضخیم نیز سیار‌ه‌های سنگی با قاره‌هایی را پدید آوردند که به‌مراتب زودتر ظاهر شدند؛ در زمانی حدود چهار تا پنج میلیارد سال پیش از زمین.

گریوز دریافت که در بیشتر سیار‌ه‌ها، قاره‌ها کندتر از زمین شکل می‌گیرند. سیار‌ه‌ها برای تشکیل قاره به مقدار مناسبی گرما نیاز دارند و وجود گرمای بیش از حد نامطلوب است. او همچنین هم‌بستگی بین قاره‌ها و نسبت آهن به هیدروژن یا مقدار فلزینگی ستارگان را هم محاسبه کرد. او می‌نویسد: «برای مقایسه‌ی میزان آهن ستاره‌ای یک روند کلی وجود دارد، در نسبت فلزینگی پایین‌تر قاره‌ها زودتر ظاهر می‌شوند.»

گریوز معتقد است که ستارگانی با فلزینگی پایین‌تر از خورشید، ممکن است مکان خوبی برای جستجوی سیاره‌های فراخورشیدی سکونت‌پذیر و قاره‌ها باشند. در نمونه‌ی او قاره‌ها در همه‌ی آن سیاره‌ها زودتر از زمین تشکیل شدند، بنابراین احتمال وجود حیات پیشرفته در آن‌ها بیشتر است، شاید حتی از پیشرفته‌تر از حیات انسان در زمین.

تلسکوپ آتی «رصدخانه‌ی جهان‌های سکونت‌پذیر» که برای یافتن امکان حیات در کیهان بهینه شده و جانشین آینده‌ی جیمز وب است، سال‌ها با پرتاب فاصله دارد. بنابراین جامعه‌ی علمی به اندازه‌ی کافی فرصت دارد تا معیارهای جستجو برای دستیابی به بهترین اهداف را نظم و ترتیب بدهد.

گریوز می‌نویسد: «رصدخانه‌ی جهان‌های سکونت‌پذیر تنها ۴۶ ستاره‌ از ستارگان نوع اف‌جی‌کی را در فهرست اهدافش دارد.» اما ۱۵ مورد از این ستارگان در نتایج گریوز هستند. اگر نتایج تحقیقات او صحیح باشد، «ممکن است در این نمونه حداقل دو منظومه دارای زیست‌کره‌ای پیشرفته‌تر از زمین وجود داشته باشد.»

گریوز در پایان می‌گوید که چشم‌انداز جستجوی سیاره‌های سکونت‌پذیر با قاره‌های دارای عمر طولانی نتیجه‌ی خوبی دارد. او می‌نویسد: «با توجه به اینکه ستاره‌های خورشیدمانند مجاور قبلا تعداد کمی سیاره‌ی کاندیدای میزبان حیات به‌وجود آورده‌اند، نظریه‌ی سیاره‌های فراخورشیدی سنگی که قاره داشته باشند، بسیار امیدوارکننده به نظر می‌رسد.»

قدم بعدی، بررسی فراوانی ستاره‌ای ایزوتوپ‌های توریوم و پتاسیم است که باعث گرمایش پرتوزاد می‌شود. انجام این کار می‌تواند به کشف منظومه‌های قدیمی‌تری ختم بشود که حیات در خشکی را پیش از زمین تجربه کرده‌اند.

وجود برخی عنصرها از نظر ژئوفیزیکی بسیار حیاتی است، به ویژه عناصر تولید‌کننده‌ی گرمایش پرتوزاد مانند اورانیوم، توریوم و پتاسیم. وقتی عنصر آهن اضافه بشود، وجود این گروه از عناصر بر اندازه‌ی هسته، گرانش و دمای داخلی سیاره بسیار تأثیرگذار است. دمای داخلی یک سیاره نیز بسیار مهم است، نه تنها به این دلیل که بر مغناطیس‌کره‌ی حامی حیات حاکم است، بلکه به خلق شرایط مناسب برای ایجاد تکتونیک صفحه‌ای و شکل‌گیری قاره‌ها نیز کمک می‌کند.

تحقیقات پیشین احتمال بیشتری را برای وجود سیاره‌های زمین‌مانند با قاره‌هایی که قدمت بیشتری در تاریخ کهکشان‌ها دارند و با تکامل کهکشان سقوط می‌کنند، نشان می‌دهد. اما همچنان موارد بسیاری در زمینه‌ی سیاره‌های فراخورشیدی، سکونت‌پذیری، گرمایش پرتوزاد، قاره‌ها، تکتونیک صفحه‌ای و صدها موضوع دیگر برای یادگیری مانده است.

ما نمی‌توانیم در کمال اطمینان بگوییم که حیات را کجا یا در کدام نوع از محیط‌های ژئوفیزیکی خواهیم یافت. تنها کاری که می‌توانیم انجام بدهیم این است که به زمین توجه داشته باشیم، تلسکوپ‌های قدرتمندتری بسازیم و صبور بمانیم.