نقشه برداری تلسکوپ جیمز وب از TRAPPIST-1e و نشان های متان

تلسکوپ فضایی جیمز وبِ ناسا برای اولین بار نمایی دقیق از TRAPPIST-1e، یکی از هفت دنیای هم‌اندازهٔ زمین که به دور یک کوتولهٔ سرخ نزدیک می‌گردند، ارائه کرده است. طیف‌های اولیه نشانه‌هایی از گاز متان را نشان می‌دهند که می‌تواند به‌عنوان یک نشانۀ زیستی (biosignature) یا یک نشانۀ زمین‌ساخت (geosignature) تعبیر شود — اما دانشمندان تأکید می‌کنند که این سیگنال مبهم است و ممکن است منشأ آن خود ستاره یا اثرات ابزارشناختی باشد. در این مقاله تشریح می‌کنیم نتایج جدید چه معنایی دارند، پژوهشگران چگونه احتمال‌های مختلف را آزمایش می‌کنند و چه مأموریت‌ها و روش‌های مشاهده‌ای می‌توانند این سؤال را به‌طور قاطع حل کنند.

چرا TRAPPIST-1e اهمیت دارد: سیاره‌ای کوچک با پتانسیل بزرگ

سامانهٔ TRAPPIST-1 که در فاصلهٔ حدود 39 سال نوری از زمین قرار دارد، شبیه یک نسخهٔ فشرده‌شده از منظومهٔ خورشیدی ماست: هفت سیاره که تقریباً هم‌اندازهٔ زمین هستند در مدارهایی بسیار درونی‌تر از مسیر عطارد قرار گرفته‌اند. در میان آن‌ها، TRAPPIST-1e برجسته است چون در ناحیۀ قابل زیست (یا «منطقۀ گلدیلاکس») ستاره جای دارد، ناحیه‌ای که در صورت وجود جوی مناسب ممکن است دما اجازهٔ وجود آب مایع روی سطح را بدهد.

این ترکیب — اندازهٔ زمین‌مانند، مدار معتدل نسبت به ستارهٔ میزبان و نزدیکی به منظومهٔ شمسی — TRAPPIST-1e را به هدفی اصلی برای تعیین خصوصیات جو تبدیل کرده است. آشکارسازی گازهایی مانند متان، بخار آب، دی‌اکسید کربن یا اکسیژن می‌تواند گامی مهم در شناخت زمین‌شناسی، اقلیم و پتانسیلِ زیست‌پذیری این سیاره باشد. از دیدۀ جامعهٔ پژوهشی، هر دادهٔ طیفی از این نوع که قابل اعتماد باشد می‌تواند چارچوبی برای مدل‌سازی فرایندهای شیمیایی و فیزیکی در جو سیاره فراهم آورد و ارتباط بین پدیده‌های ستاره‌ای و سیاره‌ای را روشن سازد.

چگونه وب به دنبال جو گشت

دانشمندان از طیف‌سنج نزدیک‌فروسرخ تلسکوپ وب، NIRSpec، برای رصد چهار گذر (transit) TRAPPIST-1e استفاده کردند. در یک گذر، سیاره از روبروی قرص ستاره می‌گذرد و بخشی از نور ستاره از میان جو احتمالی سیاره عبور می‌کند؛ این نور در برخی طول‌موج‌ها جذب می‌شود و اثرات جذب مولکولی مشخصی را به‌جای می‌گذارد. با ترکیب و انباشت طیف‌های چندین گذر می‌توان حساسیت به سیگنال‌های ضعیف جوی را افزایش داد و اجزای مولکولیِ محتمل را شناسایی کرد.

طیف‌سنجی گذری: اصول اولیه

• نور ستاره هنگام عبور از جو سیاره در طول‌موج‌هایی که مولکول‌ها جذب می‌کنند کاهش می‌یابد و ردپاهای طیفی (spectral fingerprints) مخصوص هر گاز تولید می‌شود.
• تکرار رصد گذرها به تفکیک ویژگی‌های واقعی سیاره‌ای از نویز تصادفی و اثرات ابزارشناختی کمک می‌کند و پایاییِ آشکارسازی را بالا می‌برد.
• با این حال، وقتی ستارهٔ میزبان یک کوتولۀ M بسیار سرد باشد، ویژگی‌ها و تغییرپذیری‌های طیفی ستاره می‌توانند شبیه یا پوشانندۀِ سیگنال‌های سیاره‌ای شوند و تفسیر را پیچیده سازند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

New JWST Data Narrow the Search for TRAPPIST-1e Atmosphere

داده‌های جدید جیمز وب جستجو برای اتمسفر TRAPPIST-1e را محدود می‌کند سیارهٔ فراخورشیدی هم‌اندازهٔ زمین TRAPPIST-1e...

تحلیل اولیهٔ تیم وب که در مجلۀ Astrophysical Journal Letters منتشر شد و بخشی از آن به پژوهشگرانی مانند Sukrit Ranjan از دانشگاه آریزونا نسبت داده شده است، نشانه‌هایی از متان را در داده‌های ترکیبی NIRSpec گزارش داد. اما Ranjan و همکارانش فوراً نسبت به نتیجه محتاط بودند: TRAPPIST-1 یک کوتولۀ سرخ بسیار سرد است و فرایندهای اتمسفری و سطحیِ خود ستاره می‌توانند ویژگی‌های طیفی‌ای تولید کنند که مشاهدات گذری را آلوده سازند. بنابراین لازم است تفکیک میان اثرات ستاره‌ای و سیاره‌ای با دقت انجام شود.

متان: نشانهٔ امید یا تقلیدگرِ ستاره‌ای؟

متان (CH4) جذاب است زیرا هم منشأ زیستی و هم غیرزیستی می‌تواند داشته باشد. روی زمین، متان هم به‌واسطۀ فعالیت‌های زیستی (مثلاً میکروب‌ها یا پستانداران) و هم به‌صورت غیرزیستی (مثلاً فرایندهای آتشفشانی یا هیدروترمال) تولید می‌شود. در محیط‌های سرد و غنی از مولکول پیرامون کوتوله‌های M، جذب‌هایی شبیه به متان می‌تواند در لایه‌های خارجیِ خودِ ستاره یا از طریق ترکیبات مولکولی دیگری که در طیف ستاره ظاهر می‌شوند نیز پدید آید؛ همچنین نویز ابزارشناختی و کالبیرِ طیف می‌تواند شکل‌گیریِ چنین ویژگی‌هایی را تسهیل کند.

کار پیگیری Ranjan چندین سناریو را مدل‌سازی کرد که در آنها TRAPPIST-1e ممکن است جو غنی از متان داشته باشد. مشهورترین آنالوگ داخلیِ منظومهٔ شمسی برای چنین جوّی، تیتان قمر زحل است که جو ضخیمِ نیتروژنی و متان فراوانش اثرات طیفی قوی تولید می‌کند. با این حال شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که ترکیب جوّی شبیه تیتان برای TRAPPIST-1e با داده‌های کنونی بعید به‌نظر می‌رسد: در بسیاری از حالات مدل‌شده، ویژگی‌های شبیه متان بیشتر می‌تواند با آلودگی طیفی از طرف ستاره یا نویز مشاهده‌ای توجیه شود تا با یک جو واقعیِ متان‌دار.

Ranjan دربارهٔ اهمیت موضوع گفته است که «اگر سیاره جو داشته باشد، می‌تواند قابل سکونت باشد.» اما او همچنین تأکید کرده که «سؤال پایه‌ای الآن این است که آیا اصلاً جو وجود دارد؟» پاسخ این سؤال هنوز قطعی نیست: سرنخ‌های وب وسوسه‌کننده‌اند اما نهایی نیستند. درک دقیق‌تر منشأ هر ویژگی طیفی نیازمند داده‌های بیشتر و تحلیل‌های عمیق‌تر است.

جداکردن سیاره از ستاره: راهبردهای مشاهده‌ای

از آنجا که کوتوله‌های M کوچک و سرد هستند، طیف آن‌ها خطوط مولکولی و تغییرپذیری‌هایی دارد که طیف‌سنجی گذری را پیچیده می‌کند. برای باز کردن گرهٔ سیگنال‌های سیاره‌ای از اثرات ستاره‌ای، ستاره‌شناسان چند رویکرد را دنبال می‌کنند:

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

مشاهدات جدید JWST جو TRAPPIST-1e را بررسی می کنند

مشاهدات جدید JWST جو TRAPPIST-1e را بررسی می‌کنند دانشمندان به سرپرستی پژوهشگر K. Glidden و همکاران،...

• رصد گذرهای دوتایی: مشاهدهٔ سامانه در زمانی که دو سیاره هم‌زمان در حالت گذر قرار می‌گیرند و از ترکیب آن‌ها یک سیارهٔ درونی بدون جو (به‌عنوان کنترل) را شامل می‌شود، کمک می‌کند اثرات ستاره‌ای را از هر جوّ سیاره‌ای جدا کنیم.
• پایش طولانی‌تر و رصد گذرهای بیشتر: جمع‌آوری تعداد زیادی گذر نسبت سیگنال به نویز را افزایش می‌دهد و مشخص می‌کند آیا ویژگی‌های مشاهده‌شده در گذرهای مختلف پایدار می‌مانند یا متغیرند.
• کمپین‌های چندابزاری و چندطولی‌موج: ترکیب مشاهدات وب با دیگر تلسکوپ‌ها و ابزارها خطرِ آن را کاهش می‌دهد که خطاها یا سیستماتیک‌های مخصوص یک ابزار، نتیجه‌گیری را تحت‌الشعاع قرار دهند.

به‌عنوان نمونه، اگر یک ویژگی طیفی در نوار طول‌موجی که یک ابزار خاص حساسیتِ بیشتری دارد دیده شود اما در ابزار دیگر یا در طول‌موج‌های متمایز ظاهر نشود، آنگاه احتمالِ اینکه آن ویژگی ناشی از سیستماتیکِ ابزار باشد افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، ثبات یک ویژگی در طول زمان و در ابزارهای مختلف، شواهد قوی‌تری به نفع منشأ سیاره‌ای ارائه می‌دهد. علاوه بر این، مدل‌سازی دقیقِ ستاره — شامل لکه‌های ستاره‌ای (starspots)، نواحی فعال و تغییرات تابشیِ کوتاه‌مدت — باید در فرایند بازیابیِ ویژگی‌های جوی لحاظ شود تا از گمراه‌شدن جلوگیری شود.

ابزارهای آینده: پاندره و بهبود روش‌ها

وب به‌طور مشخص برای مطالعهٔ سیاره‌های کوچک شبیه زمین طراحی نشده بود؛ این تلسکوپ دهه‌ها قبل از اینکه گستردگی این نوع سیاره‌ها شناخته شود طراحی و ساخته شد. با این حال حساسیت بالای وب آن را به بهترین ابزار موجود برای مطالعات اولیهٔ اتمسفری تبدیل کرده است. برای تکمیلِ قابلیت‌های وب، ناسا در حال توسعهٔ مأموریت‌های کوچک‌تری است که هدف‌شان عمدتاً شناسایی و پایش ستاره‌های میزبانِ سیارات فراخورشیدی است تا آلودگیِ ستاره‌ای را بهتر مدل‌سازی کنند.

یکی از این مأموریت‌ها Pandora است که به رهبری Daniel Apai در دانشگاه آریزونا مدیریت می‌شود و قرار بود در میانه‌های دهۀ 2020 پرتاب شود. Pandora یک ماهوارهٔ کوچک و اختصاصی است که برای پایش مداوم ستاره‌های میزبان و گذرهای آن‌ها طراحی شده و اندازه‌گیری‌هایی با تکرار زمانی بالا (high-cadence) از تغییرپذیریِ ستاره پیش از گذر، در حین گذر و پس از آن را فراهم می‌آورد. با مشخص کردن مستقیم نقش آلودگیِ ستاره‌ای، Pandora می‌تواند اطمینانِ آشکارسازی‌های جوی برای سیاراتی مانند TRAPPIST-1e را افزایش دهد و زمینه را برای تحلیل‌های ترکیبی با داده‌های وب مهیا سازد.

در همین حال، تیم رصدی وب برنامهٔ کارِ گسترش‌یافته‌ای را پیش‌بینی کرده که شامل مشاهدات گذر دوتایی است؛ در این طرح TRAPPIST-1e با همسایهٔ داخلی‌اش TRAPPIST-1b که احتمالاً بدون جو است، جفت می‌شود تا نقش ستاره بهتر جدا شود. مجموعهٔ داده‌های ترکیبی و تکنیک‌های تحلیل پیچیده‌تر — از جمله روش‌های بازیابی طیفی (retrieval) که ضمن در نظر گرفتن عدم قطعیت‌های ستاره‌ای، بهترین ترکیب مولکولی ممکن را استخراج می‌کنند — باید به روشن‌شدن اینکه آیا ویژگی شبیه متان منشأ سیاره‌ای دارد یا ستاره‌ای کمک کند.

دیدگاهِ کارشناسی

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

نقشه سه بعدی ویرانگر جو WASP-18b توسط تلسکوپ جیمز وب

تلسکوپ فضایی جیمز وب اولین نقشه سه‌بعدی از جو یک سیاره فراخورشیدی را منتشر کرده است...

دکتر مایا هرناندز، طیف‌سنجِ سیارات فراخورشیدی در یک دانشگاه پژوهشی معتبر که در مقالات تیم وب دخالتی نداشته است، در این‌باره اظهار داشته است: «این همان نوع احتیاط علمی است که در مرز دانش انتظارش را داریم. وب حساسیتی بی‌سابقه در اختیار ما قرار داده، اما کوتوله‌های M چالش‌برانگیزند. سرنخ‌های متان هیجان‌انگیزند چون می‌توانند نشان‌دهندۀ فعالیت زمین‌ساختی یا حتی زیستی باشند، اما موضع پیش‌فرض فعلاً باید شک‌گرایانه باشد. گام‌های بعدی — گذرهای بیشتر، مشاهدهٔ هم‌زمان چند سیاره و پایش متمرکزِ ستارۀ میزبان توسط مأموریت‌هایی مثل Pandora — تعیین‌کننده خواهند بود.»

تا زمانِ انجامِ مشاهدات قاطع، TRAPPIST-1e همچنان یک مورد امیدبخش ولی حل‌نشده باقی می‌ماند. داده‌های اولیهٔ وب یک نقطهٔ عطف مهم را علامت‌گذاری می‌کنند: برای اولین بار می‌توانیم ردپاهای اتمسفریِ یک سیارۀ هم‌اندازۀ زمین را در اطراف یک کوتولۀ سرخ نزدیک بررسی کنیم. ابهام در سیگنال متان نه یک شکست، بلکه وضعیت طبیعیِ کشف علمی است؛ این ابهام مسیرِ به‌سوی رصدهای هوشمندتر، مدل‌سازی بهتر و ابزارهای دقیق‌تر را نشان می‌دهد.

پژوهشگران و ناظرین در سراسر جهان در سال‌های آینده با دقت TRAPPIST-1 را رصد خواهند کرد و هر گذر جدید تصویر را شفاف‌تر می‌سازد. صرف‌نظر از اینکه در نهایت مشخص شود TRAPPIST-1e جوی غنی از متان دارد، سطحی نازک و بی‌هوا دارد یا وضعیتی کاملاً متفاوت را نشان می‌دهد، تلاش‌های جاری روش‌های ما برای جستجوی محیط‌های قابل سکونت فراتر از منظومۀ شمسی را به‌طور قابل‌توجهی ارتقا خواهد داد.

از منظر فنی، پیشرفت در بازیابی طیفی، بهبود مدل‌های ستاره‌ای و افزایش شمارۀ گذرهای رصدشده از عناصر کلیدی برای تأیید هرگونه نشانۀ مولکولی خواهند بود. همچنین ترکیب داده‌ها از طول‌موج‌های مختلف — از فروسرخ نزدیک تا فروسرخ میانی — و استفاده از تلسکوپ‌های زمینیِ بسیار بزرگ (ELTها) جهت رصد هم‌زمان می‌تواند به کاهش ابهام کمک کند. در نهایت، مجموعه‌ای از مشاهدات پیوسته و تحلیل‌های بین‌رشته‌ای است که به ما اجازه می‌دهد ادعاهای بزرگ دربارۀ وجود گازهایی مثل متان را با درجهٔ اطمینان بالاتر مطرح کنیم.

به‌عنوان جمع‌بندی، کشفِ اولیهٔ وب دربارهٔ TRAPPIST-1e پنجره‌ای نو به‌سوی مطالعهٔ جوهای سیارات هم‌اندازۀ زمین در اطراف کوتوله‌های سرخ گشوده است. کلیدِ قدم‌های بعدی در دستِ ترکیب مشاهدات طولانی‌مدت، فناوری‌های جدید و تفسیر دقیقِ تعامل میان ستاره و سیاره است — و مأموریت‌هایی مانند Pandora و برنامه‌های گسترش‌یافتۀ وب نقش محوری در این مسیر خواهند داشت.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

دنیای بی‌نظیر تایلوس: بررسی سیاره فراخورشیدی افراطی WASP-121b

مقدمه: معرفی تایلوس؛ سیاره‌ای بی‌نظیر در میان ستارگان در میان هزاران سیاره فراخورشیدی که به دور...