این موضوع به‌وضوح در گزارش «بررسی نجوم و اخترفیزیک ۲۰۲۰» (Astro2020) بیان شده است. در این گزارش، جست‌وجوی جهان‌های قابل‌سکونت به‌عنوان یکی از اهداف کلیدی در مسیر «رسیدن به جهان‌های قابل‌سکونت» معرفی شده است.
درک و شناسایی سیارات قابل‌سکونت، بدون شناخت تحول جوّ آن‌ها، از جمله پدیده‌ی «فرار جوّی» (Atmospheric Escape) ممکن نیست. فرار جوّی بخشی طبیعی از تکامل سیارات است و در طول تاریخ زمین نیز رخ داده؛ گرچه امروزه این پدیده بسیار کُند و محدود است، اما در گذشته‌های دور زمین به‌دلیل تابش پرانرژی خورشید و برخوردهای پرتکرار سیارک‌ها و دنباله‌دارها، بسیار شدیدتر بوده است.
از آن‌جا که فرار جوّی در سال‌های آغازین عمر سیارات بسیار فعال‌تر است، می‌تواند نقش تعیین‌کننده‌ای در آیندهٔ قابل‌سکونت بودن آن‌ها داشته باشد. این موضوع محور اصلی پژوهشی تازه است که قرار است در نشست علمی آینده با عنوان «به‌سوی رصدخانه‌ی جهان‌های قابل‌سکونت: علمی آینده‌نگر و فناوری تحول‌آفرین» در واشنگتن دی‌سی ارائه شود.
این پژوهش، که با عنوان «مشاهدات فرار جوّی سیارات فراخورشیدی با استفاده از رصدخانهٔ جهان‌های قابل‌سکونت» منتشر شده، توسط لئوناردو دوس سانتوس از مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی (STScI) و دانشگاه جانز هاپکینز، و اریک لوپز از مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا نوشته شده است.
رصدخانهٔ HWO فعلاً در حد یک پیشنهاد است، و با توجه به شرایط سیاسی کنونی در آمریکا، آیندهٔ آن در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. با این حال، دانشمندان همچنان در حال توسعهٔ مفهومی آن هستند و بررسی می‌کنند چگونه می‌توان از قدرت رصدی آن بهره برد. این رصدخانه، تلسکوپی فضایی با توانایی رصد در طیف نوری، فروسرخ و فرابنفش خواهد بود و احتمالاً آینه‌ای تا قطر ۸ متر خواهد داشت. طراحی آن ممکن است شامل “سایه‌بان ستاره‌ای” (starshade) نیز باشد که ده‌ها هزار کیلومتر از تلسکوپ فاصله دارد.
نویسندگان می‌نویسند:
«با بهره‌گیری از توانایی‌های فرابنفش HWO، می‌توان از روش طیف‌سنجی گذر برای رصد فرار جوّی سیارات فراخورشیدی استفاده کرد، فرآیندهای مؤثر بر تکامل آن‌ها را بررسی کرد، توانایی سیارات کوچک برای حفظ جوّشان را سنجید، و نشانه‌هایی از جوهای شبیه به زمین جست‌وجو نمود.» آن‌ها تأکید دارند که این تلسکوپ باید دارای طیف‌سنج فرابنفش با محدودهٔ ۱۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر باشد.
روش‌های کنونی ما در کشف سیارات فراخورشیدی، عمدتاً سیاراتی را شناسایی می‌کند که به ستاره‌هایشان بسیار نزدیک‌اند. این سیارات گاه هزاران برابر بیشتر از زمین در معرض تابش پرانرژی هستند، و این تابش شدید می‌تواند جوّ آن‌ها را به فضا بپراکند و امکان زیست‌پذیری را از بین ببرد.
به همین دلیل، پژوهشگران یک پرسش بنیادی مطرح می‌کنند:
«سیارات تا چه اندازه می‌توانند جوّ خود را حفظ کنند و در نتیجه قابل‌سکونت باقی بمانند؟»
برخلاف سیارات منظومه شمسی که دیگر نشانه‌ای از تبخیر شدید جوّی در آن‌ها مشاهده نمی‌شود، سیارات فراخورشیدی فرصت خوبی برای مشاهدهٔ این پدیده به‌صورت زنده فراهم می‌کنند. پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که نیاز به یک پایش گسترده از سیاراتی داریم که در حال تجربهٔ فرار جوّی هستند تا بتوان الگوی دقیقی از این فرایند تهیه کرد.
دو هدف اصلی برای این پایش در نظر گرفته شده:
۱. بررسی اینکه آیا سیارات سنگی گذرنده در ناحیهٔ قابل‌سکونت، اگزوسفری شبیه به زمین دارند یا نه
اگزوسفر، خارجی‌ترین لایهٔ جو است که چگالی ذرات در آن بسیار پایین است، به‌طوری که برخورد بین ذرات نادر است، اما هنوز هم می‌توان از طریق خطوط طیفی خاص آن را شناسایی کرد. اگزوسفر زمین بیشتر از اتم‌های خنثی هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده، و از این نظر در میان سیارات سنگی منظومه شمسی منحصربه‌فرد است.
پژوهشگران می‌نویسند: «اگر بتوان اگزوسفری بزرگ و غنی از هیدروژن در اطراف یک سیارهٔ گذرنده شناسایی کرد، می‌توان آن را نشانه‌ای قوی از شباهت به زمین دانست.» همچنین، جوّ زمین تا فاصلهٔ زیادی در فضا امتداد یافته و همین امر تشخیص آن را آسان‌تر می‌کند.
الف) چگونه اگزوسفر گسترده و غنی از هیدروژن زمین، فوتون‌های لایمن-آلفا را که از خورشید می‌آیند پراکنده می‌کند و باعث ایجاد درخششی به‌نام «شب‌تاب ژئوکورونایی» می‌شود.
ب) هندسهٔ تابش خورشید به زمین را نشان می‌دهد.
اگزوسفر بزرگ زمین باعث می‌شود که مشاهدهٔ آن با طیف‌سنجی گذر آسان‌تر باشد.
اعتبار تصویر: دوس سانتوس و لوپز، ۲۰۲۵.
فرار جوّی به‌طور پیوسته اگزوسفر زمین را با هیدروژن تازه تغذیه می‌کند. این هیدروژن از تجزیهٔ نوری مولکول‌های آب در لایه‌های پایین‌تر جو به‌دست می‌آید و منشأ آن‌ها هم آب سطحی زمین است. بنابراین، یافتن سیاره‌ای با اگزوسفری غنی از هیدروژن، می‌تواند نشانه‌ای از وجود اقیانوس و در نتیجه امکان سکونت باشد.
۲. بررسی میزان فرسایش پوشش‌های اولیهٔ H₂-محور توسط فرار هیدرودینامیکی
فرار جوّی نقش مهمی در شناخت ما از شکل‌گیری سیارات و جمعیت‌شناسی آن‌ها دارد. اگر دانشمندان بتوانند میزان از‌دست‌دادن جرم در سیارات کنونی را اندازه‌گیری کنند، می‌توانند ویژگی‌های اولیهٔ آن‌ها مانند جرم جوّ آغازین H/He (که از سحابی اولیه جذب شده) را بازسازی کنند.
اما نویسندگان می‌گویند: «با وجود اهمیت این مسئله، هنوز به‌خوبی نمی‌دانیم که فرار جرم جوّ سیارات چگونه به ویژگی‌های ستاره‌ای (مانند تابش فرابنفش و بادهای ستاره‌ای) و ویژگی‌های خود سیاره (مانند جرم، شعاع، فاصله از ستاره) بستگی دارد.»
برای پر کردن این خلأ، باید پایشی انجام شود که نرخ فرار جوّی را در طیف وسیعی از جرم‌ها و سن‌های سیارات فراخورشیدی بررسی کند. طیف‌سنجی فرابنفش در زمان عبور، اصلی‌ترین روش برای اندازه‌گیری نرخ فرار جوّی در سیارات با مدارهای کوتاه است. پژوهشگران می‌نویسند: «با توجه به سطح مؤثر پیش‌بینی‌شده در فرابنفش، HWO قابلیت بی‌نظیری برای مشاهدهٔ فوتو-تبخیر در گسترهٔ وسیعی از جرم سیارات دارد.»
اعتبار تصویر: دوس سانتوس و لوپز، ۲۰۲۵.
برای بهره‌برداری مؤثر از توانایی‌های HWO، پژوهشگران دو رویکرد پیشنهاد می‌کنند:
- پایش عمقی از نوع «Deep Field» مشابه با آنچه تلسکوپ‌هایی مانند هابل و جیمز وب انجام داده‌اند، اما با تمرکز بر سیارات گذرندهٔ سنگی در ناحیهٔ قابل‌سکونت.
- پایش گسترده از حدود ۵۰ سیارهٔ فراخورشیدی گذرنده، شامل انواع مختلفی از مشتری‌های داغ گرفته تا نپتون‌های خنک. نتایج شبیه‌سازی‌شدهٔ اولیهٔ این طرح، امیدبخش بوده است.
اعتبار تصویر: دوس سانتوس و لوپز، ۲۰۲۵.
در راستای آماده‌سازی برای استفادهٔ علمی از HWO، پژوهشگران مواردی را شناسایی کرده‌اند که نیاز به بهبود دارد؛ از جمله شناخت بهتر منابع جذب (opacity) در طول‌موج‌های فرابنفش در جو سیارات فراخورشیدی. برای مثال، فلزات بخار شده خطوط جذبی نیرومندی در فرابنفش دارند، و مولکول‌هایی مانند متان نیز می‌توانند نقش داشته باشند. ابرها نیز در این جذب مؤثرند.
مفهوم HWO از مدت‌ها پیش مطرح بوده و ریشه در طرح‌های LUVOIR (تلسکوپ بزرگ فرابنفش/نوری/فروسرخ) و HabEx (رصدخانهٔ سیارات قابل‌سکونت) دارد. اما همچون بسیاری از پروژه‌های علمی دیگر، خطر اصلی برای آن، نه فناوری یا برنامه‌ریزی، بلکه ارادهٔ سیاسی است. به گفتهٔ نویسندگان، با توجه به بی‌توجهی رهبری سیاسی فعلی آمریکا نسبت به علم، آیندهٔ این پروژه در هاله‌ای از ابهام قرار دارد.
بنابراین، همچون بسیاری دیگر از تلاش‌های علمی در دنیای امروز، سرنوشت HWO نیز نامعلوم است.
