13 دقیقه
هنگامی که ستاره‌ها می‌میرند، امکانات جدید پدید می‌آیند
چرخهٔ زندگی ستارهای شبیه به خورشید نه با یک ابرنواختر نمایشی بلکه با ریزش آرام لایههای بیرونی و پیدایش هسته‌ای فشرده پایان می‌یابد: یک کوتولهٔ سفید. کوتولههای سفید تنها پسماندهای نجومی ساده نیستند؛ فراوان‌اند — تخمین زده میشود حدود 10 میلیارد در کهکشان راه شیری وجود داشته باشد — و ممکن است سیستم‌های سیاره‌ای را مدت‌ها پس از اتمام سوخت هسته‌ای ستارهٔ میزبان در بر داشته باشند. این پرسش بنیادین برای زیست‌شناسی فضایی و پژوهش‌های فراخورشیدی مطرح میشود: آیا سیارهها پیرامون کوتولههای سفید میتوانند شرایط لازم برای آب مایع و در نتیجه حیات را حفظ یا به‌دست آورند؟
این مقاله زمینهٔ فیزیکی سامانه‌های سیاره‌ای کوتولهٔ سفید را بررسی میکند، چالش‌های قابلیت زیستپذیری ناشی از گرمایش کشندی و تکامل ستارهای را شرح می‌دهد، مکانیزم‌هایی که میتوانند سیاره‌ای را به مدار معتدل منتقل کنند را معرفی میکند، و راهبردهای رصدی — از طیفسنجی عبوری تا تلسکوپهای نسل بعد — که ممکن است نشانگرهای زیستی در جو اطراف این بازماندگان فشرده را آشکار سازند، مطرح می‌نماید.
کوتولههای سفید: کوچک، چگال و فراوان
کوتولههای سفید هنگامی شکل می‌گیرند که ستاره‌هایی با جرم اولیه تا حدود هشت برابر جرم خورشید همجوشی هیدروژن و هلیوم در هستهٔ خود را پایان دهند. در مراحل پایانی تکامل ستارهای این ستاره‌ها به غول‌های سرخ تبدیل شده و بخش قابل توجهی از جرم خود را از طریق بادها و مواد بیرون‌رفته از دست می‌دهند. بازمانده شیئی تقریباً به اندازهٔ زمین است که حدود نیمی از جرم خورشید را در خود جای می‌دهد: یک کوتولهٔ سفید. الکترون‌ها در این بازمانده تا حد قوانین مکانیک کوانتومی فشرده شده‌اند و جسم طی میلیاردها سال به‌تدریج خنک میشود.
با وجود اندازهٔ کوچک نسبی، یک کوتولهٔ سفید — که در اینجا به‌صورت نقطه‌ای درخشان در سمت راست خورشید ما نشان داده شده — بسیار چگال است. Credit: Kevin Gill/Flickr, CC BY
از آنجا که بیشتر ستاره‌های کهکشان کم‌جرم‌اند و در نهایت به کوتولهٔ سفید تبدیل می‌شوند، این پسماندها جمعیت بزرگی از اهداف بالقوه برای جستجوی سیارههای فراخورشیدی را تشکیل می‌دهند. اگر شرایط قابل سکونت اطراف کوتولههای سفید ممکن باشد، تعداد و تنوع محیط‌هایی که میتوانند حیات را پشتیبانی کنند افزایش می‌یابد. اما شرایط زیستپذیری از جنبه‌هایی مهم با شرایط اطراف ستاره‌های ردهٔ اصلی مانند خورشید تفاوت دارد.
منطقهٔ قابل سکونت پیرامون کوتولهٔ سفید کجاست؟
مفهوم منطقهٔ قابل سکونت (HZ) تعریف ساده‌ای دارد: بازهٔ فاصله‌های مداری که در آن سیاره‌ای با جوی شبیه به زمین میتواند آب مایع سطحی را حفظ کند. برای کوتولههای سفید، HZ بسیار نزدیک به ستاره قرار دارد زیرا این ستاره‌ها به‌مراتب کم‌نورتر از ستاره‌های ردهٔ اصلی هستند. HZهای معمولی پیرامون کوتولههای سفید در جدایی‌های مداری تنها چند صدم تا چند دهم واحد نجومی قرار می‌گیرند — یعنی ده‌ها تا صدها برابر نزدیک‌تر از فاصلهٔ زمین تا خورشید.
سیارهها در منطقهٔ قابل سکونت نه آن‌قدر نزدیک‌اند که آب سطحشان به جوش بیاید و نه آن‌قدر دور که یخ بزند. Credit: NASA
قرارگیری در چنین فاصلهٔ نزدیکی چند مسئله ایجاد میکند. اول اینکه نیروهای کشندی از کوتولهٔ سفید قوی‌اند و سیاره‌ای در فاصلهٔ HZ اغلب قفل کشندی خواهد بود (یک نیم‌کره دائماً رو به ستاره قرار دارد) که الگوهای اقلیمی را دگرگون میکند. دوم اینکه هر سیاره‌ای که در آن ناحیه در زمان مرحلهٔ غول سرخِ ستارهٔ پیشین قرار داشته احتمالاً گرفتار یا از نظر فرّاریتها تخلیه شده است. بنابراین برای اینکه سیاره‌ای امروز پیرامون یک کوتولهٔ سفید قابل سکونت باشد، باید یا از رویدادهای تکاملی دراماتیک زنده مانده باشد یا پس از آنکه ستاره به کوتولهٔ سفید تبدیل شد، وارد HZ شده باشد.
گرمایش کشندی، پویایی مداری و بقای فرّاریتها
یک فرآیند فیزیکی غالب برای سیاره‌هایی که نزدیک اجسام فشرده می‌گردند، گرمایش کشندی است. نیروهای کشندی ناشی از این هستند که گرانش از جسم مرکزی (یا دیگر اجسام سنگین نزدیک) در سراسر شعاع سیاره تغییر میکند. این نیروهای متفاوت داخل سیاره را خم میکنند؛ اصطکاک آن انرژی مکانیکی را به گرما تبدیل میکند. در سامانهٔ خورشیدی، قمر آیو از مشتری نمونه‌ای زنده فراهم میکند: پمپ کشندی شدید از سوی مشتری و تعاملات مداری با سایر قمرها آیو را تا حد تولید صدها آتشفشان فعال گرم میکند و وجود آب سطحی پایدار را ناممکن می‌سازد.
از میان چهار قمر بزرگ مشتری، آیو درونی‌ترین است. نیروی گرانش مشتری و سه قمر دیگر به‌صورت متغیر آیو را می‌کشد که آن را گرم میکند. Credit: Lsuanli/Wikimedia Commons, CC BY-SA
در مقابل، اروپا — که آن هم از گرمایش کشندی بهره می‌برد — پوستهٔ یخی ضخیمی را بر روی دریای زیرسطحی جهانی نگه می‌دارد. این دو نمونه نشان می‌دهند که گرمایش کشندی میتواند طیفی از نتایج را ایجاد کند، از بازسازی خشونت‌آمیز سطح تا شرایطی که آب مایع را زیر لایهٔ یخ نگه می‌دارد. برای سیاره‌هایی در HZ کوتولههای سفید، اندازهٔ گرمایش کشندی به بیضویّت مداری، ترکیب سیاره و وجود همراهان بستگی دارد. اگر سیاره‌ای درون‌روی کند یا به‌طور دوره‌ای توسط اجرام همسایه مجبور شود، گرمایش کشندی میتواند سطح را سترون نموده و اقیانوسها را به جوش آورد. اما در رژیم‌های معتدل‌تر میتواند انرژی ژئوترمالی فراهم کند که کمک کند آب زیرسطحی یا حتی سطحی حفظ شود، به‌ویژه در جهان‌های قفل کشندی.
مسیرهای مهاجرت به مدارهای قابل سکونت
از آنجا که مرحلهٔ غول سرخ ستارهٔ پیشین احتمالاً سیارههای درونی را نابود میکند، سیارههای قابل سکونت پیرامون کوتولههای سفید احتمالاً از دوردست‌ها آغاز می‌شوند و پس از شکلگیری کوتولهٔ سفید به سمت داخل حرکت میکنند. چندین مسیر دینامیکی میتواند سیارهها را به مدارهای نزدیک برساند: پراکندگی سیاره-سیاره، تعاملات تدریجی مانند نوسانات کوزای-لیادلوف که توسط همراهی دور ایجاد میشود، یا گرفتار شدن سیارات سرگردان آزاد. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند مهاجرت ممکن است، اما این فرایند میتواند گرمایش کشندی شدیدی تولید کند و گاهی به بلعیده شدن یا بیرون انداختن سیاره منجر شود.
زمانبندی حیاتی است. اگر مهاجرت در حالی رخ دهد که کوتولهٔ سفید هنوز بسیار داغ و پرنور است (بلافاصله پس از شکلگیری)، تابش ستارهای شدید به‌همراه گرمایش کشندی میتواند جوها را از بین ببرد و اقیانوسها را تبخیر کند. اگر مهاجرت دیرتر، پس از آنکه کوتولهٔ سفید خنک و کم‌نور شده رخ دهد، سیاره ممکن است فرّاریتها را حفظ یا دوباره به‌دست آورد و آب سطحی را نگه دارد. بنابراین هر دو تاریخچهٔ مداری و تکامل گرمایی کوتولهٔ سفید به‌طور مشترک چشم‌اندازهای قابلیت زیستپذیری را تعیین میکنند.
پیش‌بینی‌های رصدی و آشکارسازی نشانگرهای زیستی
یکی از مزایای قانع‌کنندهٔ سیارههای کوتولهٔ سفید از منظر رصدی، هندسی است: سیاره‌ای به اندازهٔ زمین که از مقابل کوتوله‌ای به اندازهٔ زمین عبور کند، بخش بزرگی از نور ستاره را مسدود میکند. طیفسنجی عبوری از لبهٔ اتمسفر در طول این رویدادها میتواند، از لحاظ نظری، ویژگی‌های جذب مولکولی (H2O، O2، O3، CH4، CO2) را با تلسکوپهای کوچک‌تر یا زمان یکپارچه‌سازی کوتاه‌تر از سیارههای اطراف ستاره‌های بزرگ‌تر آشکار کند.
ستاره‌شناسان به‌دنبال حیات فرازمینی با پایش سیارهها زمانی هستند که از مقابل ستارهٔ میزبانشان از دید ما عبور میکنند. وقتی نور ستاره از جو سیاره عبور کند، دانشمندان میتوانند با استفاده از اصول فیزیکی پایه تعیین کنند چه نوع مولکولهایی حاضرند.
با این حال آشکارسازی چالش‌برانگیز است. اندازهٔ فیزیکی کوچک کوتولههای سفید به این معنی است که گذرها کوتاه و از دید ما نادرند؛ احتمال عبور کم است مگر اینکه مدارهای سیاره‌ای به‌دقت هم‌راستا باشند. بررسی‌های زمینی و ماموریت‌های فضایی مانند TESS برای یافتن این گذرهای کوتاه‌مدت و هدف‌های کوچک بهینه نشده‌اند، هرچند میتوانند در این زمینه مشارکت داشته باشند. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و تلسکوپهای بسیار بزرگ زمینی آینده (ELTs) برای مشخصهیابی جو کاندیداهای عبوری از طریق طیفسنجی فروسرخ مناسب‌ترند. از سال 2020 به بعد، چند سامانهٔ جالب — از جمله نخستین نامزدهای سیارهٔ سالم مرتبط با یک کوتولهٔ سفید — نشان داده‌اند که سیارهها میتوانند پیرامون این ستاره‌های مرده زنده بمانند یا دوباره ظاهر شوند و این امر انگیزه‌ای برای پیگیری‌های عمیق‌تر فراهم کرده است.
زمینهٔ علمی، پیامدها و مأموریت‌های آینده
قابلیت زیستپذیری پیرامون کوتولههای سفید با چندین رشتهٔ علمی تلاقی دارد: تکامل ستارهای، پویایی سیاره‌ای، شیمی جو و زیست‌شناسی فضایی. اگر حیات بتواند بر سیاره‌ای دور کوتولهٔ سفید وجود داشته باشد (یا قبلاً وجود داشته باشد)، درک ما از تاب‌آوری زندگی و گسترهٔ محیط‌های قابل سکونت گسترش می‌یابد. برای مثال، حیات زیرسطحی که از گرمایش کشندی پشتیبانی میشود میتواند حتی زمانی که شرایط سطحی خصمانه است ادامه یابد. از سوی دیگر، حیات سطحی ممکن است بر جهان‌هایی شکوفا شود که مدت‌ها پس از مرگ ستاره وارد یک HZ پایدار شده‌اند.
ابزارها و راهبردهای پیمایشی آینده توانایی ما را برای آزمودن این فرضیات شکل خواهند داد. JWST حساسیت لازم برای آشکارسازی ویژگی‌های طیفی در سامانه‌های عبوری مساعد را دارد؛ ELTها (GMT، TMT، E-ELT) طیفسنجی با وضوح بالا و حساسیت بهتر را در باندهای بصری و نزدیک به فروسرخ فراهم خواهند کرد. ماموریت‌های فضایی که میتوانند میدان‌های وسیع را با گام‌نمونه‌برداری بالا و دقت دنبال کنند نرخ کشف گذرهای کوتولهٔ سفید را افزایش می‌دهند. کارهای آزمایشگاهی و نظری دربارهٔ بقای جو، اتلاف کشندی و تحویل فرّاریتها پارامترهای فضای حالات قابل سکونت را دقیق‌تر خواهند کرد.
دیدگاه یک کارشناس
«سیارههای کوتولهٔ سفید به ما یادآوری میکنند که قابلیت زیستپذیری یک وضعیت واحد نیست بلکه فرایندی است که به زمانبندی، پویایی و منابع انرژی وابسته است،» می‌گوید دکتر مارا الیسون، یک دانشمند سیاره‌ای تخیلی که در پویایی سیاره‌ای تخصص دارد. «حتی اگر جهانی در مرحلهٔ غول سرخ آب سطحی خود را از دست بدهد، مهاجرت بعدی یا تحویل دنباله‌دارها میتواند فرّاریتها را بازگرداند. و گرمایش کشندی میتواند تیغه‌ای دو لبه باشد: در سطوح بالا مخرب، اما در رژیم‌های معتدل منبع انرژی حیاتی برای حفظ زیستگاههای زیرسطحی.»
کشف‌های کلیدی و پیامدهای آن‌ها
چندین شاخهٔ شواهد از ایدهٔ بقای مادهٔ سیاره‌ای یا بازتجمع آن پیرامون کوتولههای سفید پشتیبانی میکنند. رصد آلودگی فلزی جو کوتولههای سفید نشان‌دهندهٔ بارش بقایای سیاره‌ای است. گاه‌به‌گاه گذر موادِ آوار و نامزدهای سیارهٔ سالم نشان می‌دهد اجسام جامد میتوانند باقی بمانند یا به مدارهای نزدیک منتقل شوند. این کشفیات دلالت بر آن دارند که سامانه‌های سیاره‌ای با مرگ ستاره به‌طور ناگهانی خاتمه نمی‌یابند — آن‌ها به تکامل خود ادامه می‌دهند و گاهی محیط‌هایی بسیار متفاوت از دوران ردهٔ اصلی ستاره تولید میکنند.
از منظر زیست‌شناسی فضایی، پیامد مرکزی این است که فهرست زیستگاههای بالقوه برای زندگی باید شامل بازماندگان ستارهای نیز باشد. اگر زندگی بتواند در این جهان‌ها آغاز شود یا زنده بماند، پنجرهٔ زمانی قابلیت زیستپذیری تا دوره‌هایی بسیار قدیمی‌تر از آنچه در اغلب مطالعات فراخورشیدی فعلی برجسته میشود، گسترش می‌یابد.
چالش‌ها، پرسش‌های باز و اولویت‌های پژوهشی
پرسش‌های مهمی همچنان بازند. چه کسری از کوتولههای سفید میزبان سیاره‌هایی در مدارهای پایدار و قابل سکونت هستند؟ مکانیسم‌های مهاجرت چقدر مکرر فرّاریتها را به آن سیارهها می‌رسانند؟ آیا جوها میتوانند ترکیب تابش و گرمایش کشندی را آن‌قدر دوام بیاورند که زندگی پدید آید؟ برای پاسخ به این سوالات به کارهای نظری هماهنگ، جستجوهای هدفمند برای گذرها پیرامون کوتولههای سفید شناخته‌شده، و مشخصهیابی جو هر نامزد با طیف‌نگارهای قدرتمند نیاز داریم.
اولویت‌های پژوهشی کلیدی عبارت‌اند از:
- نظرسنجی‌های گذر با گام‌نمونه‌برداری بالا متمرکز بر کوتولههای سفید برای افزایش نرخ کشف.
- مدل‌های تفصیلی تکامل کشندی که پویایی مداری، اتلاف داخلی و فرار جوی را couple میکنند.
- مطالعات آزمایشگاهی و مدل‌سازی تولید گازهای نشانگر زیستی و قابلیت آشکارسازی آن‌ها در محیط‌های تابشی نامتعارف نسبت به زمین.
- پیگیری‌های طیفی با JWST و ELTها برای جستجوی آب، اکسیژن، متان و دیگر نشانگرهای بالقوهٔ زیستی.
نتیجه‌گیری
سیاره‌هایی که پیرامون کوتولههای سفید می‌گردند یک کلاس جذاب و غیرمتداول از جهان‌های بالقوهٔ قابل سکونت را نمایان می‌سازند. ترکیب HZهای بسیار نزدیک، نیروهای کشندی قوی و تاریخچه‌های دینامیکی پیچیده، قابلیت زیستپذیری آن‌ها را به پرسشی ظریف و پیچیده تبدیل میکند تا یک پاسخ سادهٔ بله یا خیر. در شرایط مساعد — مهاجرت دیرهنگام به HZ یک کوتولهٔ سفید خنک، گرمایش کشندی معتدل، و حفظ یا تجدید آب — چنین سیاره‌هایی میتوانند آب مایع و شاید زندگی را در خود جای دهند.
پیشرفت‌های رصدی در دههٔ آینده، به‌ویژه با هدایت JWST، ELTها و نظرسنجی‌های دقیق‌تر گذر، نقش قاطع در آزمون این ایده‌ها خواهند داشت. تأیید حتی یک سیارهٔ معتدل دارای جو پیرامون یک کوتولهٔ سفید دامنهٔ محیط‌های سیاره‌ای قابل زیست را گسترش می‌دهد و درک ما از تکامل سامانه‌های سیاره‌ای پس از مرگ ستاره را بازتعریف خواهد کرد.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات