با این حال، تصویربرداری مستقیم از یک سیاره فراخورشیدی و تمام ویژگیهای شگفتانگیز آن، به دلیل فاصلههای نجومی بسیار زیاد از زمین، همچنان دستنیافتنی باقی مانده است. به همین دلیل، اخترشناسان به کاوش جو سیارات فراخورشیدی روی آوردهاند و به دنبال نشانههای حیات، معروف به بیوساینچرها (biosignatures)، هستند. این کار در حال حاضر با تحلیل نور ستارهای که از جو سیاره عبور میکند انجام میشود؛ روشی به نام طیفنگاری عبوری (transmission spectroscopy) که وقتی سیاره از جلوی ستارهاش عبور میکند (ترانزیت) اتفاق میافتد.
اما پیشرفتها همچنان ادامه دارد تا کاوش جو سیارات فراخورشیدی دقیقتر و مؤثرتر شود، بهویژه در زمینه پاکسازی دادههای پرنویز و آشفته. حالا یک پژوهشگر از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ (LMU) در آلمان، مدل جدیدی برای بررسی جو سیارات فراخورشیدی معرفی کرده است. یافتههای او در مطالعهای اخیر که در مجله The Astrophysical Journal منتشر شده، مورد بحث قرار گرفته است.
مدلهای قدیمی و سنتی، به دلیل محدودیتهای ریاضیاتیشان، دادههای جوی محدودی در اختیار دانشمندان قرار میدادند. اما این مطالعه جدید، عملاً شکافهای موجود در مدلسازی ریاضی را پر میکند و روشهای بهبودیافتهای برای مشاهده مجموعههای داده جوی جدید ارائه میدهد، در حالی که دادههای ضروری را از میان نویزها جدا و شفاف میسازد.
دکتر لئوناردوس گکوولیس (Dr. Leonardos Gkouvelis)، فیزیکدان دانشگاه LMU و تنها نویسنده این مطالعه، میگوید: «این راهحل تحلیلی، در را به روی نسل جدیدی از تکنیکهای تحلیل و بازیابی جوی باز میکند که بسیار سریعتر، شفافتر و واقعگرایانهتر هستند. این تکنیکها برای به حداکثر رساندن بازده علمی مأموریتهای کنونی و آینده مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و آریل (ARIEL) ضروری خواهند بود و به پیشرفت در توصیف دقیق جهانهای بالقوه قابل سکونت فراتر از منظومه شمسی کمک میکنند.»
همانطور که اشاره شد، طیفنگاری عبوری امروزه برای مطالعه جو سیارات فراخورشیدی به کار میرود و نور عبوری از جو را هنگام عبور سیاره از جلوی ستاره تحلیل میکند. اخترشناسان بیش از ۲۰۰ سال است که از طیفنگاری استفاده میکنند؛ ابتدا برای مطالعه خورشید و سپس دیگر ستارگان. اما تلسکوپ جیمز وب (JWST) این روش را به سطح کاملاً جدیدی رسانده است. JWST توانسته مولکولهای کلیدی را در جو سیارات سنگی و گازی شناسایی کند؛ از سیاراتی که جو ندارند تا مواردی که مولکولهای متنوعی در جوشان وجود دارد.
برای مثال، در مطالعهای که در سال ۲۰۲۳ در مجله Nature منتشر شد، JWST در جو سیاره گازی WASP-39b (واسپ-۳۹بی) آب، دیاکسید کربن، مونوکسید کربن و سدیم را شناسایی کرد. این سیاره که شعاعش حدود ۲۵ درصد بزرگتر از مشتری است، در فاصله تقریبی ۷۰۰ سال نوری از زمین قرار دارد و به عنوان اولین آزمایش رسمی JWST برای مطالعه جو سیارات فراخورشیدی شناخته میشود.
از سوی دیگر، JWST جو سیارات سنگی را نیز بررسی کرده است؛ بهویژه سیستم TRAPPIST-1 که شامل هفت سیاره به اندازه زمین است و چندین سیارهاش (مانند TRAPPIST-1 e، f و g) در منطقه قابل سکونت ستارهشان قرار دارند و توجه زیادی را به خود جلب کردهاند.
با این حال، مطالعات اخیر هنوز نتوانستهاند نتیجه قطعی درباره وجود جو در این سه سیاره بگیرند. برای نمونه:
- مطالعهای در سال ۲۰۲۵ در The Astrophysical Journal Letters درباره TRAPPIST-1 e بحث کرد.
- مجموعهای از مقالات درباره TRAPPIST-1 f منتشر شد.
- مطالعهای که در نشست انجمن نجوم آمریکا (AAS Meeting #241) در سال ۲۰۲۳ ارائه شد، پیشنهاد کرد که TRAPPIST-1 g ممکن است جوی حاوی آب، دیاکسید کربن و متان داشته باشد، اما نتایج همچنان غیرقطعی هستند.
دکتر گکوولیس اشاره میکند که مطالعه او میتواند تأثیر مهمی بر مأموریت ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) داشته باشد. ARIEL یک تلسکوپ فضایی برنامهریزیشده توسط آژانس فضایی اروپا (ESA) است که هدف اصلیاش مشاهده و مطالعه حداقل ۱۰۰۰ سیاره فراخورشیدی شناختهشده با روش ترانزیت خواهد بود. این مأموریت ترکیبی از مأموریت بازنشسته کپلر ناسا (که سیارات را با روش ترانزیت کشف کرد) و JWST به شمار میرود، هرچند ARIEL کوچکتر از JWST است و تمرکز اختصاصیاش بر سیارات فراخورشیدی خواهد بود، در حالی که JWST اهداف متنوع غیرسیارهای نیز دارد.
این مدل جدید دقیقاً چگونه به اخترشناسان کمک خواهد کرد تا در سالهای آتی و دهههای آینده جو سیارات فراخورشیدی را کاوش کنند؟ تنها زمان پاسخ این پرسش را خواهد داد. و به همین دلیل است که ما علم را دنبال میکنیم!
چرا تصویربرداری مستقیم سیارات فراخورشیدی اینقدر دشوار است؟
فاصلههای نجومی میان ستارگان و سیاراتشان چنان عظیم است که حتی پیشرفتهترین تلسکوپها هم نمیتوانند سیاره را بهصورت مستقیم و با جزئیات بالا ببینند. نور ستاره مادر معمولاً میلیونها یا میلیاردها برابر درخشانتر از نور بازتابشده سیاره است؛ بنابراین سیاره در درخشش ستاره گم میشود. روشهای تصویربرداری مستقیم (مانند coronagraphy یا starshade) در حال پیشرفت هستند، اما هنوز برای اکثر سیارات فراخورشیدی عملی نیستند.
به همین دلیل، روشهای غیرمستقیم مانند ترانزیت و طیفنگاری عبوری غالب شدهاند. در ترانزیت، وقتی سیاره از جلوی ستاره عبور میکند، بخشی از نور ستاره از جو سیاره عبور میکند و مولکولهای جو نور را در طولموجهای خاص جذب میکنند. این جذبها بهصورت خطوط تاریک در طیف ظاهر میشوند و دانشمندان میتوانند ترکیب شیمیایی جو را استنتاج کنند.
مدلهای قدیمی چه مشکلی داشتند؟
مدل کلاسیک طیفنگاری عبوری اغلب فرض میکرد که جو ایزوباریک (فشار ثابت) و ایزوترمال (دمای ثابت) است. اما در واقعیت، فشار جو با افزایش ارتفاع کاهش مییابد و opacity (کدورت یا جذب) مولکولها با فشار تغییر میکند (اغلب بهصورت توانی). این تغییرات فشار-وابسته در مدلهای قدیمی نادیده گرفته میشد یا با تقریبهای پیچیده و زمانبر شبیهسازی میشد. نتیجه؟ بسیاری از ویژگیهای طیفی «مات» یا ضعیف به نظر میرسیدند، در حالی که در واقعیت ممکن بود قویتر باشند یا اطلاعات مهمی پنهان کنند.
مدل جدید دکتر گکوولیس یک راهحل تحلیلی بسته (closed-form) ارائه میدهد که opacity وابسته به فشار را بهصورت دقیق در نظر میگیرد. این مدل بدون نیاز به شبیهسازیهای عددی سنگین، محاسبات را سریعتر، شفافتر و دقیقتر میکند. او مدل را روی دادههای واقعی زمین (که جو آن را خوب میشناسیم) و سیاره WASP-39b آزمایش کرده و تطابق بسیار بهتری نسبت به مدل ایزوباریک نشان داده است.
ارتباط با JWST و ARIEL JWST در حال حاضر بهترین ابزار برای طیفنگاری عبوری است و توانسته مولکولهایی مانند متان، آمونیاک، آب، CO₂ و حتی ابرهای سولفید در جو سیارات را شناسایی کند. اما تحلیل دادههای JWST اغلب زمانبر است و به مدلهای پیچیده نیاز دارد. مدل جدید میتواند این تحلیل را تسریع کند و دقت را افزایش دهد.
ARIEL که قرار است در دهه ۲۰۳۰ پرتاب شود، بیش از ۱۰۰۰ سیاره را بهصورت سیستماتیک بررسی خواهد کرد. با مدلهای سریعتر و دقیقتر مانند کار گکوولیس، دانشمندان میتوانند ترکیبات جوی را برای تعداد بسیار بیشتری از سیارات استخراج کنند و احتمالاً نشانههای بیولوژیکی (مانند عدم تعادل شیمیایی ناشی از حیات) را بهتر تشخیص دهند.
آینده جستجوی حیات
اگر بیوساینچرهایی مانند اکسیژن + متان همزمان، یا فسفین، یا دیمتیل سولفید در جو سیارهای یافت شود، میتواند نشانه قوی حیات باشد. مدلهای بهتر به ما کمک میکنند تا این سیگنالهای ضعیف را از نویز جدا کنیم و جهانهای بالقوه قابل سکونت را اولویتبندی کنیم.
در نهایت، این پیشرفت ریاضی نشان میدهد که گاهی یک حلقه گمشده در معادلات میتواند کل حوزهای را متحول کند. علم نجوم فراخورشیدی اکنون در آستانه انفجار دادههاست و ابزارهایی مانند این مدل جدید، کلید درک بهتر این دادهها خواهند بود.