برای تعداد معدودی از سیارات که ممکن است قابل سکونت باشند، تنها با بررسی جو آنها می‌توانیم تعیین کنیم که آیا شرایط زندگی وجود دارد یا خیر. دستگاه LIFE، که یک تداخل‌سنج بزرگ برای سیارات فراخورشیدی است، می‌تواند به ما در این زمینه کمک کند.
جستجو برای امضاهای زیستی در سیارات فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت در حال داغ شدن است. JWST با موفقیت برخی از طیف‌های جوی را از اتمسفر سیارات فراخورشیدی جمع‌آوری کرده است، اما کارهای زیادی برای انجام دادن دارد و رصد زمان بسیار مورد تقاضا است. یک تلسکوپ فضایی برنامه ریزی شده به نام LIFE برای یافتن امضاهای زیستی سیارات فراخورشیدی اختصاص داده شده است و اخیراً محققان آزمایشی را برای آن انجام داده اند: آیا می تواند امضاهای زیستی زمین را شناسایی کند؟
به عنوان یک تداخل سنج، LIFE از پنج تلسکوپ مجزا تشکیل شده است که به طور هماهنگ برای گسترش اندازه کاری تلسکوپ کار می کنند. LIFE توسط ETH Zurich (موسسه فدرال فناوری زوریخ) در سوئیس در حال توسعه است. LIFE در مادون قرمز میانی مشاهده خواهد کرد، جایی که خطوط طیفی از مواد شیمیایی شاخص زیستی مهم ازن، متان و اکسید نیتروژن را می توان یافت.
LIFE در Lagrange Point 2، حدود ۱.۵ میلیون کیلومتر (۱ میلیون مایل) دورتر، جایی که JWST نیز قرار دارد، قرار خواهد گرفت. از آن مکان، فهرستی از اهداف سیارات فراخورشیدی را به امید یافتن نشانه‌های زیستی مشاهده خواهد کرد.
ساشا کوانز، پروفسور سیارات فراخورشیدی و زیست پذیری در ETH زوریخ، که ابتکار LIFE را رهبری می کند، توضیح داد: ‘هدف ما شناسایی ترکیبات شیمیایی در طیف نور است که به حیات در سیارات فراخورشیدی اشاره می کند.’
LIFE هنوز فقط یک مفهوم است و محققان می خواستند عملکرد آن را آزمایش کنند. از آنجایی که هنوز ساخته نشده است، تیمی از محققان از جو زمین به عنوان یک مورد آزمایشی استفاده کردند.
آنها با زمین به گونه ای برخورد کردند که گویی یک سیاره فراخورشیدی است و روش های LIFE را در برابر طیف شناخته شده جو زمین در شرایط مختلف آزمایش کردند. آنها از ابزاری به نام LIFEsim برای کار با داده ها استفاده کردند. محققان اغلب از داده های شبیه سازی شده برای آزمایش قابلیت های ماموریت استفاده می کنند، اما در این مورد از داده های واقعی استفاده می کنند.
نتایج آنها در مجله نجوم منتشر شده است. این تحقیق با عنوان “تداخل‌سنج بزرگ برای سیارات فراخورشیدی (LIFE)” نامگذاری شده است. XII. قابلیت شناسایی علائم زیستی Capstone در فروسرخ میانی – استشمام گاز خنده فراسیاره‌ای و هالوژن‌های متیله. نویسنده اصلی، دکتر دانیل آنگرهاوزن، اخترفیزیکدان و اخترزیست‌شناس در ETH در زوریخ است.
در یک سناریوی دنیای واقعی، زمین فقط یک ذره دور و تقریبا غیرممکن است. تمام چیزی که LIFE می بیند طیف جوی سیاره است که در طول زمان بسته به نماهایی که تلسکوپ گرفته است و به طور بحرانی، برای مدت زمانی که آن را رصد کرده است، تغییر می کند.
این طیف‌ها در طول زمان جمع‌آوری می‌شوند و این منجر به یک سوال مهم می‌شود: هندسه رصدی و تغییرات فصلی چگونه بر مشاهدات LIFE تأثیر می‌گذارند؟
خوشبختانه برای تیم تحقیقاتی، ما مشاهدات زیادی از زمین داریم تا با آنها کار کنند. محققان با سه هندسه رصدی مختلف کار کردند: دو نما از قطب ها و یکی از منطقه استوایی. از این سه دیدگاه، آنها با داده های جوی ژانویه و جولای کار کردند که بیشترین تغییرات فصلی را به خود اختصاص می دهد.
اگرچه اتمسفر سیاره‌ای می‌تواند بسیار پیچیده باشد، اخترزیست‌شناسان بر جنبه‌های خاصی تمرکز می‌کنند تا پتانسیل سیاره برای میزبانی حیات را آشکار کنند. مواد شیمیایی N2O، CH3Cl و CH3Br (اکسید نیتروژن، کلرومتان و برومومتان) از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند که همه آنها می توانند به صورت بیوژن تولید شوند.
ما از مجموعه‌ای از سناریوهای مشتق‌شده از مدل‌های سینتیک شیمیایی استفاده می‌کنیم که پاسخ اتمسفری سطوح مختلف تولید بیوژنیک N2O، CH3Cl و CH3Br را در جو سیاره‌های زمینی غنی از O2 شبیه‌سازی می‌کند تا مدل‌های رو به جلو برای نرم‌افزار شبیه‌ساز رصدی LIFEsim ما ایجاد کند.
به طور خاص، محققان می خواستند بدانند که آیا LIFE قادر به تشخیص CO2، آب، ازن و متان در سیاره زمین از فاصله حدود ۳۰ سال نوری خواهد بود یا خیر. اینها نشانه هایی از یک جهان معتدل و حامی حیات هستند – به ویژه ازن و متان که توسط حیات روی زمین تولید می شوند – بنابراین اگر LIFE بتواند شیمی بیولوژیکی روی زمین را به این طریق تشخیص دهد، می تواند آن را در جهان های دیگر نیز تشخیص دهد.
LIFE توانست CO2، آب، ازن و متان را روی زمین شناسایی کند. همچنین برخی از شرایط سطحی را شناسایی کرد که نشان دهنده آب مایع است. جالب اینجاست که نتایج LIFE به این بستگی نداشت که از چه زاویه ای به زمین نگاه می شود. این مهم است زیرا ما نمی دانیم که LIFE از چه زاویه ای سیارات فراخورشیدی را رصد خواهد کرد.
نوسانات فصلی موضوع دیگر است و مشاهده آنها به این راحتی نبود. اما خوشبختانه، به نظر می رسد که این یک عامل محدود کننده نخواهد بود. کوانز می گوید: حتی اگر فصلی بودن جو به راحتی مشاهده نشود، مطالعه ما نشان می دهد که مأموریت های فضایی نسل بعدی می توانند ارزیابی کنند که آیا سیارات فراخورشیدی زمینی معتدل نزدیک قابل سکونت هستند یا حتی قابل سکونت هستند یا خیر.
با این حال، شناسایی مواد شیمیایی مورد نظر کافی نیست. بخش مهم این است که چقدر طول می کشد. ساخت تداخل سنج فضایی که این مواد شیمیایی را شناسایی کند اما انجام آن زمان زیادی را صرف کند، عملی یا موثر نخواهد بود.
تیم تحقیقاتی در مقاله خود می نویسد: ‘ما از نتایج برای استخراج زمان های مشاهده مورد نیاز برای تشخیص این سناریوها استفاده می کنیم و آنها را برای تعریف الزامات علمی برای ماموریت به کار می گیریم.’
برای ترسیم تصویری بزرگتر از زمان مشاهده LIFE، محققان فهرستی از اهداف را تهیه کردند. آنها توزیع فاصله سیارات HZ با شعاع بین ۰.۵ تا ۱.۵ شعاع زمین را در اطراف ستاره های M و FGK در فاصله ۲۰ pc از خورشید ایجاد کردند که با LIFE قابل تشخیص هستند. داده های این اهداف از ناسا و سایر تحقیقات قبلی بدست می آید.
نتایج نشان می‌دهد که تنها چند روز برای برخی از اهداف مورد نیاز است، در حالی که برای برخی دیگر، تشخیص فراوانی مربوطه ممکن است تا ۱۰۰ روز طول بکشد.
آنچه تیم «اهداف طلایی» نامیده است، ساده‌ترین مواردی است که می‌توان آنها را مشاهده کرد. سیاراتی که در اطراف پروکسیما قنطورس قرار دارند، نمونه‌ای از این نوع اهداف هستند. تنها چند روز رصد برای این سیارات لازم است. محققان نوشته‌اند که مشاهده ‘سناریوهای استاندارد خاصی مانند سیارات معتدل و زمینی در اطراف ستاره‌های M’ با استفاده از LIFE تقریباً به ده روز رصد نیاز دارد تا در پنج کامپیوتر به تصویر کشیده شود.
چالش برانگیزترین مواردی که هنوز امکان پذیر است سیارات فراخورشیدی هستند که دوقلوهای زمین در فاصله ۵ پارسک قرار دارند. با توجه به نتایج، LIFE بین ۵۰ تا ۱۰۰ روز رصد برای شناسایی علائم زیستی نیاز دارد.
LIFE در این مرحله هنوز فقط یک ماموریت بالقوه است. این اولین ماموریت پیشنهادی نیست که صرفاً بر روی قابلیت سکونت سیارات فراخورشیدی متمرکز است. در سال ۲۰۲۳، ناسا رصدخانه جهان های قابل سکونت (HWO) را پیشنهاد کرد. هدف آن تصویربرداری مستقیم از حداقل ۲۵ جهان بالقوه قابل سکونت و سپس جستجوی امضاهای زیستی در جو آنهاست.
اما، به گفته نویسندگان، نتایج آنها نشان می دهد که LIFE بهترین گزینه است.
آنها نتیجه می‌گیرند: «اگر منظومه‌های فراسیاره‌ای ستاره‌ای از نوع متأخر در همسایگی خورشیدی با سیاراتی وجود داشته باشند که بیوسفرهای جهانی تولیدکننده سیگنال‌های N2O و CH3X را نشان می‌دهند، LIFE بهترین مأموریت آینده برای جستجوی سیستماتیک و در نهایت شناسایی آنها خواهد بود».
