هنگامی که دانشمندان به دنبال حیات در کیهان هستند (شاخه‌ای از علم که به آن زیست‌اخترشناسی گفته می‌شود)، از روش‌های گوناگونی استفاده می‌کنند. برای مثال، یکی از روش‌ها «دنبال‌کردن آب» است؛ یا جستجوی نشانه‌هایی از گاز اکسیژن، دی‌اکسید کربن، متان، آمونیاک و سایر ترکیباتی که روی زمین با حیات مرتبط هستند. به این نشانه‌ها به‌طور کلی «زیست‌امضا» (biosignature) یا «نشانگر زیستی» گفته می‌شود؛ یعنی شواهدی از فعالیت‌ها و فرایندهای زیستی.
این جستجو با ابزارهای نسل جدید مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) تقویت شده است و در آینده ابزارهای بیشتری نیز در راه هستند. از جمله آن‌ها می‌توان به «رصدخانه سیارات قابل‌سکونت» (Habitable Worlds Observatory یا HWO) اشاره کرد که نخستین تلسکوپ طراحی‌شده به‌طور خاص برای مأموریت‌های زیست‌اخترشناسی است و قرار است تا دهه ۱۴۱۹ پرتاب شود.
در همین راستا، دانشمندان در حال بهبود روش‌های شناسایی زیست‌امضاها در سیارات فراخورشیدی هستند. در مقاله‌ای تازه، زمین‌فیزیک‌دانانی از دانشگاه شیکاگو شبیه‌سازی‌هایی انجام داده‌اند تا ببینند تلسکوپ‌هایی مانند HWO چگونه می‌توانند گازهای اکسیژن (O₂) و اُزون (O₃) را از طریق تصویربرداری مستقیم شناسایی کنند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که برخلاف تصور رایج، حضور ابرها ممکن است توانایی آشکارسازی این نشانه‌های زیستی را افزایش دهد.
این پژوهش به رهبری «هوانژو یانگ»، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دپارتمان علوم زمین‌شناسی دانشگاه شیکاگو انجام شده است. او در این تحقیق با «میشل هو» از گروه فیزیک اتمی و مولکولی دانشگاه و همچنین پروفسور «دوریان ابوت» همکاری داشته است. مقاله‌ی مربوط به این تحقیق به‌تازگی به‌صورت آنلاین منتشر شده و قرار است به‌زودی در نشریه اخترفیزیک (Astrophysical Journal) چاپ شود.
طی ۲۰ سال گذشته، حوزه پژوهش در سیارات فراخورشیدی با رشدی چشمگیر همراه بوده و تاکنون بیش از ۵۹۰۰ سیاره‌ی تأییدشده کشف شده‌اند. بیشتر این سیارات با روش‌های غیرمستقیم کشف شده‌اند، از جمله روش گذر (Transit) و روش سرعت شعاعی (Doppler). در حال حاضر، تنها حدود ۱.۴ درصد از سیارات از طریق روش تصویربرداری مستقیم (Direct Imaging) شناسایی شده‌اند.
با این حال، این روند در حال تغییر است؛ به‌ویژه با ورود نسل جدیدی از تلسکوپ‌ها مانند جیمز وب و رصدخانه‌های فضایی و زمینی آینده نظیر HWO که به کرونوگراف و طیف‌سنج مجهز هستند. کرونوگراف‌ها نور ستاره میزبان را مسدود می‌کنند تا امکان مشاهده نور بازتاب‌شده از جو یا سطح سیارات فراخورشیدی فراهم شود. طیف‌سنج‌ها نیز امکان شناسایی ترکیب شیمیایی را از طریق ویژگی‌های جذب طیفی فراهم می‌کنند که در نتیجه، شناخت دقیق‌تری از شرایط زیست‌پذیری سیارات به دست می‌دهد.
با در اختیار داشتن این ابزارهای پیشرفته و هزاران هدف بالقوه، حوزه‌ی سیارات فراخورشیدی از مرحله‌ی کشف به مرحله‌ی شناخت وارد شده است. با این حال، ابرها اغلب به عنوان مانعی برای شناسایی زیست‌امضاها تلقی می‌شوند، که جای تعجب دارد؛ زیرا آن‌ها بخش جدایی‌ناپذیر چرخه آب زمین و شرایط زیست‌پذیری ما هستند.
یانگ می‌گوید:
«تشخیص ترکیبات جوی در سیارات فراخورشیدی بر اساس جذب پرتوی گازها انجام می‌شود که به‌شدت به طول‌موج حساس است و برای هر گاز ویژگی منحصربه‌فردی دارد. اما ویژگی‌های نوری ابرها کمتر به طول‌موج وابسته‌اند، چون عمدتاً ناشی از پراکندگی مای هستند. همچنین، ابرها نسبت به گاز بسیار کدرترند و معمولاً ویژگی‌های جذبی گازها را در همه طول‌موج‌ها می‌پوشانند؛ بنابراین توانایی ما برای شناسایی گازها را کاهش می‌دهند.»
با این حال، یانگ توضیح می‌دهد که این مشکل بیشتر در مشاهدات گذری (transit) دیده می‌شود. اما در مطالعات تصویربرداری مستقیم، ابرها ممکن است به‌جای مانع، تقویت‌کننده سیگنال‌های زیستی باشند. انعکاس بالای نور توسط ابرها باعث می‌شود فوتون‌های بیشتری به تلسکوپ برسند و این می‌تواند اثر پوشانندگی آن‌ها را جبران کند.
برای بررسی این فرضیه، تیم پژوهشی از مدل شبیه‌سازی CARMA برای بازسازی حضور ذرات معلق و ابرها در جو سیارات استفاده کرد. آن‌ها همچنین از ابزار PSG برای شبیه‌سازی طیف‌های منتشرشده از جو و سطح سیارات بهره بردند. در این تحقیق، دو زیست‌امضای ساده و شناخته‌شده یعنی اکسیژن و اُزون انتخاب شدند تا نتایج بتوانند به سایر زیست‌امضاها تعمیم داده شوند.
یانگ می‌گوید:
«امکان شناسایی زیست‌امضایی مانند اکسیژن یا اُزون به عواملی مانند فاصله سیاره، دمای ستاره میزبان، فراوانی زیست‌امضاها، شرایط جوی سیاره (از جمله ابرها) بستگی دارد. پژوهشگران می‌توانند برای برخی از این عوامل تخمین خوبی ارائه دهند، اما ابرها بسیار نامطمئن هستند. برخی مطالعات، شبیه‌سازی‌هایی بدون ابر انجام می‌دهند. اما کار ما نشان می‌دهد این سناریوهای بدون ابر می‌توانند به‌عنوان حداقل مقدار ممکن برای تشخیص زیست‌امضاها در نظر گرفته شوند.»
پیامدهای این پژوهش برای مأموریت‌های آینده از جمله HWO، تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومَن (RST)، و تلسکوپ‌های زمینی مانند ELT، GMT و TMT بسیار مهم است. یانگ می‌گوید یکی از نتایج مهم این پژوهش، افزایش اعتماد به توانایی روش تصویربرداری مستقیم در شناسایی نشانه‌های حیات در سیارات فراخورشیدی است:
«بر خلاف روش‌های گذری که بیشتر سیارات اطراف ستارگان نوع M را هدف می‌گیرند، روش تصویربرداری مستقیم برای مشاهده سیارات بزرگ‌تر اطراف ستارگان داغ‌تر (مانند زمین در منظومه شمسی) مناسب‌تر است. این سیارات بیشتر احتمال دارد که جو داشته باشند و نامزدهای بهتری برای سکونت‌پذیری هستند. همچنین وجود ابرها که مانع تحلیل بیشتر در روش گذری است، در تصویربرداری مستقیم می‌تواند به‌عنوان یک مزیت دیده شود و به پژوهشگران کمک کند اهداف مناسب‌تری را برای بررسی انتخاب کنند.»
