30.3: البحث عن الحياة خارج الأرض

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197092

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

حدد ما تعلمناه من استكشاف البيئة على المريخ
حدد أين من المرجح أن تكون الحياة في النظام الشمسي مستدامة ولماذا
وصف بعض المهام الرئيسية ونتائجها في بحثنا عن الحياة خارج نظامنا الشمسي
اشرح استخدام المؤشرات الحيوية في البحث عن أدلة على وجود حياة خارج نظامنا الشمسي

يواصل علماء الفلك وعلماء الكواكب البحث عن الحياة في النظام الشمسي والكون ككل. في هذا القسم، نناقش نوعين من عمليات البحث. الأول هو الاستكشاف المباشر للكواكب داخل نظامنا الشمسي، وخاصة المريخ وبعض الأقمار الجليدية للنظام الشمسي الخارجي. ثانيًا، المهمة الأكثر صعوبة المتمثلة في البحث عن أدلة على الحياة - علامة بيولوجية - على الكواكب التي تدور حول النجوم الأخرى. في القسم التالي، سوف ندرس SETI، البحث عن الذكاء خارج كوكب الأرض. كما سترى، فإن الأساليب المتبعة في هذه الحالات الثلاث مختلفة تمامًا، على الرغم من أن هدف كل منها هو نفسه: تحديد ما إذا كانت الحياة على الأرض فريدة من نوعها في الكون.

الحياة على المريخ

إن احتمال استضافة المريخ للحياة أو استضافتها له تاريخ غني يعود إلى «القنوات» التي ادعى بعض الناس أنهم يرونها على سطح المريخ في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين. مع فجر عصر الفضاء، ظهرت إمكانية معالجة هذا السؤال عن قرب من خلال تقدم الرحلات إلى المريخ التي بدأت بأول رحلة جوية ناجحة لمركبة فضائية روبوتية في عام 1964 وأدت إلى نشر روفر كيوريوسيتي التابع لناسا، والذي هبط على سطح المريخ في عام 2012.

قدمت البعثات الأولى إلى المريخ بعض التلميحات إلى أن الماء السائل - أحد متطلبات الحياة الأساسية - ربما يكون قد تدفق مرة واحدة على السطح، وقد عززت البعثات اللاحقة هذا الاستنتاج. وصلت طائرات ناسا فايكنغ لاندرز، التي كان الغرض منها البحث مباشرة عن أدلة على الحياة على المريخ، إلى المريخ في عام 1976. لم تجد أدوات الفايكنج الموجودة على متن السفينة أي جزيئات عضوية (الأشياء التي تُصنع منها الحياة)، ولا يوجد دليل على النشاط البيولوجي في تربة المريخ التي قامت بتحليلها.

هذه النتيجة ليست مفاجئة بشكل خاص لأنه على الرغم من الأدلة على تدفق المياه السائلة في الماضي، فإن المياه السائلة على سطح المريخ ليست مستقرة بشكل عام اليوم. في معظم أنحاء المريخ، تكون درجات الحرارة والضغوط على السطح منخفضة جدًا بحيث تتجمد المياه النقية أو تغلي (تحت ضغوط منخفضة جدًا، سيغلي الماء عند درجة حرارة أقل بكثير من المعتاد). والأسوأ من ذلك، على عكس الأرض، لا يحتوي المريخ على مجال مغناطيسي وطبقة أوزون لحماية السطح من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية الضارة والجسيمات النشطة. ومع ذلك، لم تذكر تحليلات فايكنغ للتربة شيئًا عما إذا كانت الحياة قد وجدت في الماضي البعيد للمريخ، عندما كانت المياه السائلة أكثر وفرة. نحن نعلم أن الماء على شكل جليد موجود بكثرة على المريخ، وليس عميقًا جدًا تحت سطحه. بخار الماء هو أيضًا أحد مكونات الغلاف الجوي للمريخ.

منذ زيارة فايكنغ، تعمق فهمنا للمريخ بشكل مذهل. قدمت المركبات الفضائية المدارية صورًا أكثر تفصيلاً من أي وقت مضى للسطح واكتشفت وجود معادن كان من الممكن أن تتشكل فقط في وجود الماء السائل. وقد أكدت بعثتان جريئتان على السطح، وهما مركبة استكشاف المريخ «سبيريت أند أوبورتمنت» (2004)، تليها مركبة كيوريوسيتي روفر الأكبر حجمًا (2012)، بيانات الاستشعار عن بُعد هذه البيانات وجدت جميع المركبات الجوالة الثلاثة أدلة وفيرة على تاريخ سابق للمياه السائلة، لم يتم الكشف عنها فقط من خلال معادن الصخور التي قاموا بتحليلها، ولكن أيضًا من الطبقات الفريدة للتكوينات الصخرية.

لقد تجاوز الفضول الأدلة على المياه وأكد وجود بيئات صالحة للسكن على المريخ القديم. لا يعني مصطلح «صالح للسكن» وجود الماء السائل فحسب، بل إنه كان من الممكن أيضًا تلبية متطلبات الحياة من الطاقة والمواد الخام الأولية. جاء أقوى دليل على وجود بيئة قديمة صالحة للسكن من تحليل صخرة دقيقة جدًا تسمى الحجر الطيني - وهو نوع من الصخور منتشر على الأرض ولكنه لم يكن معروفًا على المريخ حتى وجده كيوريوسيتي (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يمكن للحجر الطيني أن يخبرنا كثيرًا عن البيئات الرطبة التي تشكلت فيها.

بديل — الشكل:\(\PageIndex{1}\) مودستون. تظهر الثقوب الأولى التي حفرتها مركبة كيوريوسيتي مارس التابعة لناسا في حجر طيني، مع وجود أعمدة حفر «جديدة» حول الثقوب. لاحظ الفرق في اللون بين سطح المريخ الأحمر القديم ومسحوق الصخور الرمادي المكشوف حديثًا الذي جاء من ثقوب الحفر. يبلغ قطر كل ثقب حفر حوالي 0.6 بوصة (1.6 سم).

سمحت لنا خمسة عقود من الاستكشاف الآلي بتطوير صورة لكيفية تطور المريخ عبر الزمن. شهد المريخ المبكر حقبًا من الظروف الأكثر دفئًا ورطوبة والتي كان من شأنها أن تساعد على الحياة على السطح. ومع ذلك، فقد المريخ في النهاية الكثير من غلافه الجوي المبكر وبدأت المياه السطحية تجف. كما حدث ذلك، أصبحت خزانات المياه السائلة المتقلصة باستمرار على سطح المريخ أكثر ملوحة وأكثر حمضية، حتى لم يكن السطح أخيرًا يحتوي على مياه سائلة كبيرة وتم غمره بالإشعاع الشمسي القاسي. وهكذا أصبح السطح غير صالح للسكن، ولكن قد لا يكون هذا هو الحال بالنسبة للكوكب بشكل عام.

يمكن أن تظل خزانات الثلج والمياه السائلة موجودة تحت الأرض، حيث تجعلها ظروف الضغط ودرجة الحرارة مستقرة. هناك أدلة حديثة تشير إلى أن المياه السائلة (ربما تكون مياه مالحة جدًا) يمكن أن تتدفق أحيانًا (ولفترة وجيزة) على السطح حتى اليوم. وبالتالي، قد يكون للمريخ ظروف صالحة للسكن في يومنا هذا، ولكن من نوع مختلف كثيرًا عما نفكر به عادةً على الأرض.

تكشف دراستنا للمريخ عن كوكب له تاريخ رائع - كوكب شهد تضاؤل قدرته على استضافة الحياة السطحية منذ مليارات السنين، ولكن ربما سمح للحياة بالتكيف والبقاء في مجالات بيئية مواتية. حتى لو لم تنجو الحياة، نتوقع أننا قد نجد دليلاً على الحياة إذا ما ترسخت على المريخ. إذا كانت موجودة، فهي مخبأة في القشرة، وما زلنا نتعلم أفضل السبل لفك شفرة تلك الأدلة.

الحياة في النظام الشمسي الخارجي

من المؤكد أن الكواكب العملاقة الغازية والجليدية الضخمة في النظام الشمسي الخارجي - المشتري وزحل وأورانوس ونبتون - ليست صالحة للسكن مدى الحياة كما نعرفها، ولكن بعض أقمارها قد تكون كذلك (الشكل\(\PageIndex{2}\)). على الرغم من أن هذه العوالم في النظام الشمسي الخارجي تحتوي على مياه وفيرة، إلا أنها تتلقى القليل جدًا من ضوء الشمس الدافئ في مداراتها البعيدة لدرجة أنه كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنها ستكون كرات «ميتة جيولوجيًا» من الجليد والصخور شديدة التجمد. ولكن، كما رأينا في الفصل الخاص بالحلقات والأقمار وبلوتو، وجدت البعثات إلى النظام الشمسي الخارجي شيئًا أكثر إثارة للاهتمام.

كشف قمر المشتري يوروبا عن نفسه لمهمتي فوياجر وغاليليو كعالم نشط يخفي سطحه الجليدي على ما يبدو محيطًا بعمق عشرات وربما مائة كيلومتر. عندما يدور القمر حول كوكب المشتري، تتسبب الجاذبية الهائلة للكوكب في حدوث المد والجزر في أوروبا - تمامًا كما تخلق جاذبية القمر لدينا المد والجزر في محيطنا - ويؤدي احتكاك كل هذا الدفع والسحب إلى توليد حرارة كافية للحفاظ على الماء في شكل سائل (الشكل\(\PageIndex{2}\)). تعمل المد والجزر المماثلة على الأقمار الأخرى إذا كانت تدور بالقرب من الكوكب. يعتقد العلماء الآن أن ستة أو أكثر من الأقمار الجليدية للنظام الشمسي الخارجي قد تؤوي محيطات المياه السائلة لنفس السبب. ومن بين هؤلاء، كانت يوروبا وإنسيلادوس، قمر زحل، حتى الآن موضع اهتمام كبير لعلماء الأحياء الفلكية.

ربما كانت أوروبا تمتلك محيطًا لمعظم تاريخها أو كله، لكن الصلاحية للسكن تتطلب أكثر من مجرد الماء السائل. تتطلب الحياة أيضًا طاقة، ولأن ضوء الشمس لا يخترق القشرة الجليدية التي يبلغ سمكها كيلومترات في أوروبا، يجب أن تكون هذه طاقة كيميائية. تتمثل إحدى السمات الرئيسية لأوروبا من منظور البيولوجيا الفلكية في أن محيطها على الأرجح على اتصال مباشر بغطاء صخري كامن، وأن التفاعل بين الماء والصخور - خاصة في درجات الحرارة المرتفعة، كما هو الحال داخل أنظمة التهوية الحرارية المائية للأرض - ينتج عنه كيمياء مختزلة (حيث تميل الجزيئات إلى التخلي عن الإلكترونات بسهولة) وهو ما يشبه نصف البطارية الكيميائية. يتطلب إكمال البطارية وتوفير الطاقة التي يمكن استخدامها مدى الحياة أن تكون الكيمياء المؤكسدة (حيث تميل الجزيئات إلى قبول الإلكترونات بسهولة) متاحة أيضًا. على الأرض، عندما تلتقي سوائل التهوية المختزلة كيميائيًا بمياه البحر المحتوية على الأكسجين، فإن الطاقة التي تصبح متاحة غالبًا ما تدعم المجتمعات المزدهرة من الكائنات الحية الدقيقة والحيوانات في قاع البحر، بعيدًا عن ضوء الشمس.

وجدت بعثة غاليليو أن سطح يوروبا الجليدي يحتوي على وفرة من المواد الكيميائية المؤكسدة. وهذا يعني أن توافر الطاقة لدعم الحياة يعتمد إلى حد كبير على ما إذا كانت كيمياء السطح والمحيطات يمكن أن تختلط، على الرغم من الكيلومترات من الجليد بينهما. إن ظهور القشرة الجليدية في أوروبا «شابة» جيولوجيًا (يبلغ عمرها عشرات الملايين من السنين فقط، في المتوسط) ونشاطها يجعل من المثير التفكير في أن مثل هذا الاختلاط قد يحدث بالفعل. سيكون فهم ما إذا كان التبادل يحدث بين سطح ومحيط أوروبا ومقدار هذا التبادل هدفًا علميًا رئيسيًا للبعثات المستقبلية إلى أوروبا، وخطوة رئيسية إلى الأمام في فهم ما إذا كان هذا القمر يمكن أن يكون مهدًا للحياة.

في عام 2005، قامت بعثة كاسيني بالتحليق عن قرب لقمر صغير (قطره 500 كيلومتر) لزحل، إنسيلادوس (الشكل\(\PageIndex{4}\))، وحققت اكتشافًا رائعًا. كانت أعمدة الغاز والمواد الجليدية تنبعث من المنطقة القطبية الجنوبية للقمر بمعدل جماعي يبلغ حوالي 250 كيلوجرامًا من المواد في الثانية. تشير العديد من الملاحظات، بما في ذلك اكتشاف الأملاح المرتبطة بالمواد الجليدية، إلى أن مصدرها هو محيط مائي سائل تحت عشرات الكيلومترات من الجليد. على الرغم من أنه لا يزال يتعين إثبات ما إذا كان المحيط محليًا أم عالميًا، عابرًا أم طويلًا، إلا أنه يبدو أنه يتلامس مع الداخل الصخري ويتفاعل معه. كما هو الحال في أوروبا، ربما يكون هذا شرطًا ضروريًا - وإن لم يكن كافيًا - للصلاحية للسكن. لكن ما يجعل إنسيلادوس جذابًا جدًا لعلماء الكواكب هو تلك الأعمدة من المواد التي يبدو أنها تأتي مباشرة من محيطه: توجد عينات من الداخل لأخذها من قبل أي مركبة فضائية يتم إرسالها وهي تحلق عبرها. بالنسبة لمهمة مستقبلية، يمكن لمثل هذه العينات أن تقدم أدلة ليس فقط على ما إذا كانت إنسيلادوس صالحة للسكن ولكن أيضًا على ما إذا كانت موطنًا للحياة.

قمر زحل الكبير تيتان مختلف تمامًا عن كل من إنسيلادوس ويوروبا (الشكل\(\PageIndex{5}\)). على الرغم من أنه قد يستضيف طبقة مائية سائلة في أعماق داخله، إلا أن سطح تيتان وكيمياءه غير العادية هي التي تجعل هذا القمر مكانًا مثيرًا للاهتمام. يتكون الغلاف الجوي السميك لتيتان - الوحيد بين أقمار المجموعة الشمسية - في الغالب من النيتروجين ولكن أيضًا من حوالي 5٪ من الميثان. في الغلاف الجوي العلوي، يتفكك ضوء الشمس فوق البنفسجي ويعيد تجميع هذه الجزيئات في مركبات عضوية أكثر تعقيدًا تُعرف مجتمعة باسم الثولين. تكفن الثولين تيتان في ضباب برتقالي، وتظهر الصور المأخوذة من كاسيني ومن مسبار هيغنز الذي نزل إلى سطح تيتان أن الجسيمات الثقيلة تتراكم على ما يبدو على السطح، حتى أنها تشكل «كثبان رملية» يتم قطعها ونحتها بتدفقات الهيدروكربونات السائلة (مثل الميثان السائل). يرى بعض العلماء هذا المصنع الكيميائي العضوي كمختبر طبيعي قد يقدم بعض الأدلة حول الكيمياء المبكرة للنظام الشمسي - وربما حتى الكيمياء التي يمكن أن تدعم أصل الحياة.

في يناير 2005، هبط مسبار Huygens إلى سطح تيتان ونقل البيانات، بما في ذلك صور موقع الهبوط، لمدة 90 دقيقة تقريبًا. يمكنك مشاهدة مقطع فيديو حول نزول Huygens إلى سطح Titan. https://youtu.be/KreECFCGEI0

كواكب صالحة للسكن تدور حول نجوم أخرى

واحدة من أكثر التطورات إثارة في علم الفلك خلال العقدين الماضيين هي القدرة على اكتشاف الكواكب الخارجية - الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى. كما رأينا في الفصل الخاص بتكوين النجوم والكواكب، منذ اكتشاف أول كوكب خارج المجموعة الشمسية في عام 1995، كانت هناك الآلاف من الاكتشافات المؤكدة، والعديد من المرشحين الآخرين الذين لم يتم تأكيدهم بعد. وتشمل هذه عشرات الكواكب الخارجية التي ربما تكون صالحة للسكن. تسمح لنا هذه الأرقام أخيرًا بعمل بعض التنبؤات حول الكواكب الخارجية وإمكانات استضافة الحياة. يبدو أن غالبية النجوم ذات الكتلة المشابهة للشمس تستضيف كوكبًا واحدًا على الأقل، مع أنظمة متعددة الكواكب مثل نظامنا غير المعتاد. كم من هذه الكواكب يمكن أن تكون صالحة للسكن، وكيف يمكننا البحث عن الحياة هناك؟

يعد أرشيف NASA Exoplanet مصدرًا محدثًا للبحث عبر الإنترنت للبيانات والأدوات حول كل ما يتعلق بالكواكب الخارجية. استكشف المعلمات والخصائص النجمية والكواكب الخارجية، واعثر على آخر الأخبار حول اكتشافات الكواكب الخارجية، وارسم بياناتك الخاصة بشكل تفاعلي، واربط بالموارد الأخرى ذات الصلة.

في تقييم آفاق الحياة في أنظمة الكواكب البعيدة، طور علماء الأحياء الفلكية فكرة المنطقة الصالحة للسكن - منطقة حول نجم حيث قد توجد ظروف مناسبة للحياة. يركز هذا المفهوم على متطلبات الحياة من الماء السائل، ويُنظر إلى المنطقة الصالحة للسكن عمومًا على أنها نطاق المسافات من النجم المركزي حيث يمكن أن تتواجد المياه في شكل سائل على سطح الكوكب. في نظامنا الشمسي، على سبيل المثال، تتمتع الزهرة بدرجات حرارة سطحية أعلى بكثير من نقطة غليان الماء والمريخ به درجات حرارة سطحية تكون دائمًا تقريبًا أقل من نقطة تجمد الماء. تبلغ درجة حرارة سطح الأرض، التي تدور بين الاثنين، «مناسبة تمامًا» للحفاظ على الكثير من المياه السطحية في صورة سائلة.

يعتمد ما إذا كانت درجات حرارة السطح مناسبة للحفاظ على المياه السائلة على «ميزانية الإشعاع» للكوكب - مقدار طاقة ضوء النجوم التي يمتصها ويحتفظ بها - وما إذا كانت عمليات مثل الرياح ودورة المحيطات توزع هذه الطاقة حول الكوكب أم لا. يعتمد مقدار الطاقة النجمية التي يتلقاها الكوكب، بدوره، على مقدار ونوع الضوء الذي ينبعث منه النجم ومدى بُعد الكوكب عن هذا النجم، ¹ مقدار انعكاسه مرة أخرى إلى الفضاء، ومدى فعالية الغلاف الجوي للكوكب في الاحتفاظ بالحرارة من خلال ظاهرة الاحتباس الحراري (انظر الأرض على أنها كوكب). كل هذه الأمور يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا، وكلها مهمة جدًا. على سبيل المثال، يستقبل كوكب الزهرة حوالي ضعف كمية ضوء النجوم لكل متر مربع مثل الأرض، ولكن بسبب غلافه السحابي الكثيف، يعكس أيضًا حوالي ضعف هذا الضوء الذي يعود إلى الفضاء مثل الأرض. يستقبل المريخ حوالي نصف كمية ضوء النجوم التي تستقبلها الأرض، ولكنه يعكس أيضًا حوالي نصف هذا العدد فقط. وهكذا، على الرغم من اختلاف المسافات المدارية، تمتص الكواكب الثلاثة بالفعل كميات مماثلة من طاقة ضوء الشمس. لماذا إذن يختلفان بشكل كبير؟

كما تعلمنا في عدة فصول عن الكواكب، فإن بعض الغازات التي تشكل الغلاف الجوي الكوكبي فعالة جدًا في حبس ضوء الأشعة تحت الحمراء - نطاق الأطوال الموجية التي تشع بها الكواكب الطاقة الحرارية مرة أخرى إلى الفضاء - وهذا يمكن أن يرفع درجة حرارة سطح الكوكب أكثر قليلاً من سيكون الأمر كذلك بخلاف ذلك. هذا هو نفس «تأثير الاحتباس الحراري» الذي يشكل مصدر قلق كبير للاحتباس الحراري على كوكبنا. إن تأثير الاحتباس الحراري الطبيعي للأرض، والذي يأتي في الغالب من بخار الماء وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، يرفع متوسط درجة حرارة سطحنا بحوالي 33 درجة مئوية مقارنة بالقيمة التي سيكون عليها إذا لم تكن هناك غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي. يتمتع المريخ بغلاف جوي رقيق جدًا وبالتالي القليل جدًا من الاحترار الحراري (تبلغ قيمته حوالي 2 درجة مئوية)، بينما تتمتع كوكب الزهرة بجو هائل من ثاني أكسيد الكربون يؤدي إلى ارتفاع شديد في درجة حرارة الاحتباس الحراري (تبلغ قيمته حوالي 510 درجة مئوية). هذه العوالم أكثر برودة وأكثر سخونة، على التوالي، مما ستكون عليه الأرض إذا تم نقلها إلى مداراتها. وبالتالي، يجب أن نأخذ في الاعتبار طبيعة أي جو وكذلك المسافة من النجم في تقييم نطاق الصلاحية للسكن.

بالطبع، كما تعلمنا، تختلف النجوم أيضًا بشكل كبير في الشدة والطيف (الأطوال الموجية للضوء) التي تنبعث منها. بعضها أكثر سطوعًا وأكثر سخونة (أكثر زرقة)، بينما يكون البعض الآخر أكثر خفتًا وبرودًا (أكثر احمرارًا)، وتختلف مسافة المنطقة الصالحة للسكن وفقًا لذلك. على سبيل المثال، تكون المنطقة الصالحة للسكن حول نجوم M-dwarf أقرب بثلاث إلى 30 مرة من النجوم من النوع G (الشبيهة بالشمس). هناك الكثير من الاهتمام بما إذا كانت هذه الأنظمة صالحة للسكن لأنها - على الرغم من وجود بعض الجوانب السلبية المحتملة لدعم الحياة - فإن نجوم M-Dwarf هي إلى حد بعيد الأكثر عددًا وطويلة العمر في مجرتنا.

يزداد لمعان النجوم مثل الشمس أيضًا على مدار عمر التسلسل الرئيسي، وهذا يعني أن المنطقة الصالحة للسكن تنتقل إلى الخارج مع تقدم نظام النجوم في العمر. تشير الحسابات إلى أن إنتاج الطاقة من الشمس، على سبيل المثال، قد زاد بنسبة 30٪ على الأقل خلال 4 مليارات سنة الماضية. وهكذا، كانت الزهرة ذات يوم ضمن المنطقة الصالحة للسكن، بينما تلقت الأرض مستوى من الطاقة الشمسية غير كافٍ للحفاظ على الأرض الحديثة (مع غلافها الجوي الحالي) من التجمد. على الرغم من ذلك، هناك الكثير من الأدلة الجيولوجية على وجود الماء السائل على سطح الأرض منذ مليارات السنين. أدت ظاهرة زيادة الإنتاج النجمي والمنطقة الصالحة للسكن المهاجرة خارجيًا إلى مفهوم آخر: يتم تحديد المنطقة الصالحة للسكن باستمرار من خلال نطاق المدارات التي ستبقى داخل المنطقة الصالحة للسكن طوال عمر النظام النجمي. كما قد تتخيل، فإن المنطقة الصالحة للسكن باستمرار أضيق قليلاً من المنطقة الصالحة للسكن في أي وقت في تاريخ النجم. النجم الأقرب إلى الشمس، Proxima Centauri، هو نجم M له كوكب كتلته 1.3 كتلة أرضية على الأقل، ويستغرق مداره حوالي 11 يومًا. على مسافة مثل هذا المدار السريع (0.05 AU)، قد يكون الكوكب في المنطقة الصالحة للسكن لنجمه، على الرغم من أن ما إذا كانت الظروف على مثل هذا الكوكب بالقرب من هذا النجم ملائمة للحياة هي مسألة نقاش علمي كبير.

حتى عندما تدور الكواكب داخل المنطقة الصالحة للسكن لنجمها، فليس هناك ما يضمن أنها صالحة للسكن. على سبيل المثال، ليس لدى كوكب الزهرة اليوم أي ماء تقريبًا، لذلك حتى لو تم نقله فجأة إلى مدار «صحيح تمامًا» داخل المنطقة الصالحة للسكن، فسيظل هناك نقص في المتطلبات الحيوية للحياة.

يعمل العلماء على فهم جميع العوامل التي تحدد المنطقة الصالحة للسكن وصلاحية الكواكب التي تدور داخل تلك المنطقة لأن هذا سيكون دليلنا الأساسي في استهداف الكواكب الخارجية للبحث عن أدلة على الحياة. مع تقدم تقنية اكتشاف الكواكب الخارجية، زادت أيضًا قدرتنا على العثور على عوالم بحجم الأرض داخل المناطق الصالحة للسكن لنجومها الأم. من بين الكواكب الخارجية المؤكدة أو المرشحة المعروفة في وقت كتابة هذا التقرير، يُعتبر ما يقرب من 300 منها مدارًا داخل المنطقة الصالحة للسكن وأكثر من 10٪ منها بحجم الأرض تقريبًا.

استكشف الكون الصالح للسكن في مختبر قابلية السكن الكوكبي عبر الإنترنت الذي أنشأته جامعة بورتوريكو في أريسيبو. شاهد الكواكب الخارجية التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن وغيرها من الأماكن المثيرة للاهتمام في الكون، وشاهد مقاطع الفيديو، واربط بالعديد من الموارد ذات الصلة بالبيولوجيا الفلكية.

المؤشرات الحيوية

تشير ملاحظاتنا بشكل متزايد إلى أن الكواكب بحجم الأرض التي تدور داخل المنطقة الصالحة للسكن قد تكون شائعة في المجرة - تشير التقديرات الحالية إلى أن أكثر من 40٪ من النجوم لديها واحدة على الأقل. ولكن هل أي منها مأهولة؟ مع عدم القدرة على إرسال المجسات إلى هناك لأخذ العينات، سيتعين علينا استخلاص الإجابة من الضوء والإشعاع الآخر الذي يأتي إلينا من هذه الأنظمة البعيدة (الشكل\(\PageIndex{6}\)). ما أنواع الملاحظات التي قد تشكل دليلاً جيدًا للحياة؟

من المؤكد أننا بحاجة إلى البحث عن الغلاف الحيوي القوي (الغلاف الجوي والأسطح و/أو المحيطات) القادرة على إحداث تغيير على نطاق الكوكب. تستضيف الأرض مثل هذا المحيط الحيوي: يختلف تكوين الغلاف الجوي وطيف الضوء المنعكس من كوكبنا بشكل كبير عما يمكن توقعه في غياب الحياة. في الوقت الحاضر، الأرض هي الجسم الوحيد في نظامنا الشمسي الذي ينطبق عليه هذا، على الرغم من احتمال أن تسود الظروف الصالحة للسكن في باطن سطح المريخ أو داخل الأقمار الجليدية للنظام الشمسي الخارجي. حتى لو كانت الحياة موجودة في هذه العوالم، فمن غير المحتمل جدًا أن تؤدي إلى تغييرات على مستوى الكوكب يمكن ملاحظتها تلسكوبيًا ومن الواضح أنها بيولوجية في الأصل.

ما يجعل الأرض «مميزة» بين العوالم التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن في نظامنا الشمسي هو أنها تتمتع بمحيط حيوي ضوئي. يتطلب ذلك وجود ماء سائل على سطح الكوكب، حيث تتمتع الكائنات الحية بإمكانية الوصول المباشر إلى ضوء الشمس. يركز مفهوم المنطقة الصالحة للسكن على هذا المطلب للمياه السائلة السطحية - على الرغم من أننا نعلم أن الظروف الصالحة للسكن تحت سطح الأرض يمكن أن تسود في مدارات أبعد - بالضبط لأن هذه العوالم ستحتوي على أجواء حيوية يمكن اكتشافها من مسافة بعيدة.

في الواقع، تتواجد النباتات والكائنات الدقيقة التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي بكثرة على سطح الأرض لدرجة أنها تؤثر على لون الضوء الذي يعكسه كوكبنا إلى الفضاء - فنحن نبدو أكثر خضرة في الأطوال الموجية المرئية ونعكس المزيد من ضوء الأشعة تحت الحمراء القريب مما كنا نفعله بخلاف ذلك. علاوة على ذلك، أدى التمثيل الضوئي إلى تغيير الغلاف الجوي للأرض على نطاق واسع - أكثر من 20٪ من غلافنا الجوي يأتي من منتج نفايات التمثيل الضوئي، الأكسجين. سيكون من الصعب جدًا تفسير هذه المستويات العالية في غياب الحياة. كما تم اقتراح الغازات الأخرى، مثل أكسيد النيتروز والميثان، عند العثور عليها في وقت واحد مع الأكسجين، كمؤشرات محتملة للحياة. عندما تكون وفيرة بشكل كافٍ في الغلاف الجوي، يمكن اكتشاف هذه الغازات من خلال تأثيرها على طيف الضوء الذي ينبعث منه الكوكب أو يعكسه. (كما رأينا في الفصل الخاص بالكواكب الخارجية، بدأ علماء الفلك اليوم في امتلاك القدرة على اكتشاف طيف الغلاف الجوي لبعض الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى.)

وهكذا خلص علماء الفلك إلى أنه، في البداية على الأقل، يجب أن يركز البحث عن الحياة خارج مجموعتنا الشمسية على الكواكب الخارجية التي تشبه الأرض قدر الإمكان - الكواكب بحجم الأرض تقريبًا التي تدور في المنطقة الصالحة للسكن - والبحث عن وجود الغازات في الغلاف الجوي أو الألوان في الطيف المرئي. التي يصعب تفسيرها إلا بوجود علم الأحياء. بسيط، أليس كذلك؟ في الواقع، يشكل البحث عن حياة الكواكب الخارجية العديد من التحديات.

كما قد تتخيل، فإن هذه المهمة أكثر صعوبة للأنظمة الكوكبية البعيدة، ومن الناحية العملية، سيقصر هذا بحثنا على العوالم الصالحة للسكن الأقرب إلى عالمنا. إذا اقتصرنا على عدد صغير جدًا من الأهداف القريبة، فسيصبح من المهم أيضًا مراعاة صلاحية الكواكب التي تدور حول الأقزام M التي ناقشناها أعلاه.

إذا تمكنا من فصل إشارة نظيفة عن الكوكب والعثور على بعض الميزات في طيف الضوء التي قد تدل على الحياة، فسنحتاج إلى العمل بجد للتفكير في أي عملية غير بيولوجية قد تكون مسؤولة عنها. أشار عالم الفلك كارل ساجان إلى أن «الحياة هي فرضية الملاذ الأخير»، مما يعني أنه يجب علينا استنفاد جميع التفسيرات الأخرى لما نراه قبل الادعاء بأننا وجدنا أدلة على وجود بيولوجيا خارج كوكب الأرض. يتطلب هذا بعض الفهم للعمليات التي قد تعمل على عوالم لن نعرف عنها سوى القليل نسبيًا؛ ما نجده على الأرض يمكن أن يكون بمثابة دليل ولكن لديه أيضًا القدرة على ضللنا (الشكل\(\PageIndex{7}\)).

تذكر، على سبيل المثال، أنه سيكون من الصعب للغاية حساب وفرة الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض إلا بوجود علم الأحياء. ولكن تم افتراض أن الأكسجين يمكن أن يتراكم إلى مستويات كبيرة على الكواكب التي تدور حول نجوم M- القزم من خلال عمل الأشعة فوق البنفسجية على الغلاف الجوي - دون الحاجة إلى علم الأحياء. سيكون من الأهمية بمكان أن نفهم أين قد توجد مثل هذه «الإيجابيات الكاذبة» في إجراء بحثنا.

نحن بحاجة إلى فهم أننا قد لا نكون قادرين على اكتشاف الغلاف الحيوي حتى لو كانت موجودة. ازدهرت الحياة على الأرض ربما لمدة 3.5 مليار سنة، لكن «البصمات الحيوية» في الغلاف الجوي التي من شأنها اليوم أن توفر دليلًا جيدًا على الحياة لعلماء الفلك البعيدين لم تكن موجودة طوال ذلك الوقت. الأكسجين، على سبيل المثال، تراكم إلى مستويات يمكن اكتشافها في الغلاف الجوي منذ ما يزيد قليلاً عن 2 مليار سنة. هل كان من الممكن اكتشاف الحياة على الأرض قبل ذلك الوقت؟ يعمل العلماء بنشاط لفهم الميزات الإضافية التي قد تكون قدمت دليلًا على الحياة على الأرض خلال ذلك التاريخ المبكر، وبالتالي تساعد فرصنا في العثور على حياة أبعد من ذلك.

ملخص

يوفر البحث عن الحياة خارج الأرض العديد من الأهداف المثيرة للاهتمام. يبدو أن المريخ كان أكثر تشابهًا مع الأرض خلال تاريخه المبكر مما هو عليه الآن، مع وجود أدلة على وجود مياه سائلة على سطحه القديم وربما حتى الآن تحت الأرض. توفر إمكانية الوصول إلى سطح المريخ إلى مركبتنا الفضائية إمكانية مثيرة لفحص العينات القديمة والحديثة مباشرة بحثًا عن أدلة على الحياة. في النظام الشمسي الخارجي، من المحتمل أن يستضيف القمران Europa و Enceladus محيطات شاسعة تحت الجليد قد تتصل مباشرة بالصخور الكامنة - وهي بداية جيدة في توفير ظروف صالحة للسكن - بينما يقدم تيتان مختبرًا رائعًا لفهم أنواع الكيمياء العضوية التي قد توفر في النهاية مواد للحياة. والعقد الأخير من البحث عن الكواكب الخارجية يقودنا إلى الاعتقاد بأنه قد تكون هناك مليارات الكواكب الصالحة للسكن في مجرة درب التبانة. توفر دراسة هذه العوالم إمكانية العثور على مؤشرات حيوية تشير إلى وجود الحياة.

الحواشي

¹ تتناقص كمية ضوء النجوم التي يتم استقبالها لكل وحدة مساحة من سطح الكوكب (لكل متر مربع، على سبيل المثال) مع مربع المسافة من النجم. وهكذا، عندما تتضاعف المسافة المدارية، تنخفض الإضاءة بمقدار 4 مرات (2 ²)، وعندما تزيد المسافة المدارية عشرة أضعاف، تنخفض الإضاءة بمقدار 100 مرة (10 ²). يدور كوكب الزهرة والمريخ حول الشمس عند حوالي 72٪ و 152٪ من المسافة المدارية للأرض، على التوالي، لذلك يستقبل كوكب الزهرة حوالي 1/ (0.72) ² = 1.92 (حوالي مرتين) والمريخ حوالي 1/ (1.52) ² = 0.43 (حوالي النصف) نفس القدر من الضوء لكل متر مربع من سطح الكوكب مثل الأرض.

مسرد المصطلحات

المؤشرات الحيوية: دليل على وجود الحياة، وخاصة المؤشر العالمي للحياة على كوكب يمكن اكتشافه عن بُعد (مثل تكوين الغلاف الجوي غير العادي)

منطقة صالحة للسكن: المنطقة المحيطة بالنجم حيث يمكن أن توجد المياه السائلة على سطح الكواكب ذات الحجم الأرضي، وبالتالي فهي المكان الأكثر احتمالاً للبحث عن الحياة في النظام الكوكبي للنجم