اخترشناس ETAMU به بررسی اینکه چرا بسیاری از جهانهای بیگانه ممکن است ماههای خود را از دست بدهند و این برای حیات فرازمینی چه معنایی دارد، میپردازد
توسط تری رایت
ستارگان رایجترین در کهکشان شاید یک عامل کلیدی برای حیات را از دست دادهاند: ماههای طولانیعمر.
اکثریت ستارگان در کهکشان ما کوچک و سرد هستند؛ ستارگان‑نوع M‑دورف (M‑dwarfs) که اغلب اخترشناسان هنگام جستجوی سیارات محتمل برای حیات به آنها توجه میکنند. اما پژوهش جدیدی از دانشگاه ایست تکزاس ایاند ام نشان میدهد این جهانها ممکن است یک عنصر مهم را از دست بدهند: ماههای طولانیعمر. دکتر بیلی کوارلز، استادیار در بخش فیزیک و اخترشناسی، بهتازگی مطالعهای در The Astronomical Journal منتشر کرده است که نشان میدهد ماهها در اطراف سیارات ستارگان M‑دورف ممکن است به اندازه کافی طولانی نباشند تا سیاره را تثبیت کنند یا شرایط اولیه برای حیات را فراهم نمایند.
این کشف میتواند روش جستجوی دانشمندان برای جهانهای واقعی شبیه به زمین را در سایر نقاط کیهان بازتعریف کند.
این مقاله جدید بر پایه پیشرفتهای حاصل از مشارکت قبلی کوارلز در کشف سیارهای محتمل در سامانه نزدیک آلفا قنطریس ساخته شده است؛ پروژهای که نقش فزاینده دانشگاه ایست تکزاس ایاند ام را در اخترفیزیک مدرن نشان داد. اکنون کار او به پرسشی میپردازد که آیا سیارات اطراف رایجترین ستارگان کهکشان میتوانند ماههای خود را به اندازه کافی نگه دارند تا شرایطی شبیه به زمین را فراهم کنند. به گفته کوارلز و همکارانش، این پاسخ میتواند تأثیرات عمیقی بر جستجوی حیات در جهان داشته باشد.
برای درک بهتر این مطالعه و آنچه برای دانشآموزانی که به اخترشناسی، فیزیک یا علم سیارات علاقهمندند معنی میدهد، با کوارلز درباره اکسومونها، نیروهای جزر و مد و اینکه چرا ماه خودمان شاید از آنچه تصور میکنیم ویژهتر است، صحبت کردیم. متن گفتگو در ادامه آمده است.
چگونه وارد اخترشناسی شدید؟
من در روستا بزرگ شدم؛ جایی که آسمان شب بهطرزی تاریک و پرستاره بود. بیرون بودن، بهویژه از طریق پیشاهنگی، کنجکاوی طبیعیام را نسبت به آنچه در بالای سرمان است، برانگیخت. همچنین در اوایل دههٔ ۹۰ بهدوران نوجوانی رسیدم، زمانیکه همه شبهای شنبه «ستارگان دلاور: نسل بعد» را تماشا میکردند. صحنهٔ افتتاحیهٔ آن—با تمام سیارات—خیال من را به پرواز درآورد و مرا به تفکر دربارهٔ جهانهای فراتر از زمین واداشت.
در دوران دبیرستان، در علوم و ریاضیات موفق بودم، و خواهرم زمانی قصد داشت فیزیک سیاهچالهها را مطالعه کند. او مسیر دیگری را اختیار کرد، اما علاقهاش باعث شد من بهجدیتر به اخترشناسی نگاه کنم. تا زمان تحصیلات تکمیلی نمیدانستم دقیقاً به کدام بخش از اخترشناسی میخواهم بپردازم، وقتی که متوجه شدم به کار بر روی سیارات، ماهها و سامانههای ستارهای پیچیده علاقهمندم. مسیر من خطی مستقیم نبود، اما سرانجام جایی که باید بود پیدا کردم.
در ابتدا چه چیزی شما را به مطالعهٔ ماههای خارج از سامانهٔ شمسی سوق داد و چه چیزی دربارهٔ آنها برایتان جذاب است؟
در حدود سال ۲۰۰۸ که دورهٔ دکترا را آغاز کردم، پژوهشگری را مشاهده کردم که پیشنهاد کرد از دادههای تلسکوپ فضایی کپلر برای جستجوی اکسومونها—ماههایی که دور سیارات خارج از سامانه شمسی میچرخند—استفاده شود. فکر میکردم این ایده غیرممکن است و برای رد کردن او بهعمق پژوهش فرو رفتم. اما در نهایت فهمیدم که این ایده منطقی است.
در آن زمان، کپلر بهطور مستمر سیارات جدیدی کشف میکرد و بهنظر میرسید کشف ماهها گام بعدی بزرگ باشد. در سال ۲۰۱۲ پس از دفاع از رسالهام، آن پژوهشگر، دکتر دیوید کیپینگ، را ملاقات کردم و صادقانه معتقد بودم او میتواند در کمتر از یک سال اولین اکسومون را پیدا کند. این اتفاق نیفتاد، اگرچه او چندین کاندیدای امیدبخش یافت و سرانجام مرا برای همکاری در یکی از آنها دعوت کرد.
چیزی که مرا مجذوب کرد و نهایتاً این مقاله جدید را بهوجود آورد، این بود که ناظران همچنان بهدنبال ماهها در اطراف ستارگان M‑دورف میگشتند اما هیچیک را نیافته بودند. ما میخواستیم دلیل این وضعیت را بفهمیم. پژوهش ما نشان میدهد که در بسیاری از این سامانهها، ماههای بزرگ بهسادگی انتظار نمیرود که بهمدت کافی بقا یابند تا کشف شوند.
مروری کلی بر مقالهای که در مجله Astronomical Journal منتشر میکنید ارائه دهید
این مقاله چند ایدهٔ مهم را ترکیب میکند. در نگاه اولستارگان M‑دورف بهنظر میرسند که مکانهای ایدهآلی برای جستجوی اکسومونها هستند، زیرا سیارات در ناحیه حیات آنها بهسرعت میچرخند. مدارهای سریعتر بهمعنی عبورهای بیشتری (ترانسیت) است که به اخترشناسان فرصتهای بیشتری برای شناسایی یک ماه هنگام عبور پیش یا پشت سیارهاش میدهد.
اما آنچه برای ناظران خوب است، لزوماً برای ماهها خوشایند نیست. زمانی که یک سیاره نزدیک به یک ستارهٔ کوچک میچرخد، کشش جزر و مد ستارهای بهویژه قوی میشود—چنین نیرویی که در سامانهٔ زمین‑ماه خود نداریم. در زمین، ماه حدود دو برابر نیروی جزر و مد خورشید را تولید میکند که بهصورت تدریجی ماه را بهسمت بیرون میکشد. اگر این همان ترکیب را بهنزدیکی ستاره ببریم، جزر و مد ستارهای میتواند صدها یا حتی هزاران برابر قویتر باشد.
این جزر و مدهای قدرتمند همانند موتوری عمل میکنند که ماه را بهسرعت بهسمت بیرون میرانند تا در نهایت ناپایدار شود و فرار کند. ما پیشبینی کردیم که این ممکن است طول عمر ماه را از میلیاردها سال به حدود یک میلیارد سال کاهش دهد. اما شبیهسازیهای ما نشان میدهند که در اطراف اکثر ستارگان M‑دورف، ماههای بزرگ تنها ۱۰ تا ۱۰۰ میلیون سال دوام میآورند.
این موضوع مهم است زیرا حیات بر روی زمین برای شکلگیری زمان بیشتری نیاز داشت. بنابراین حتی اگر سیارات در ناحیهٔ حیات دور ستارگان M‑دورف وجود داشته باشند، احتمالاً ماههای بزرگشان مدت طولانی پیش از شروع حیات از دست دادهاند.
یک ستاره را چه چیزی بهعنوان ستارهٔ M‑dwarf تعریف میکند؟
ستارگان بر اساس دمای سطحشان طبقهبندی میشوند. خورشید ما حدود ۵۸۰۰ کلوین دما دارد، در حالی که ستارگان M‑dwarf تقریباً بین ۲۸۰۰ تا ۴۵۰۰ کلوین قرار دارند. آنها سردتر هستند، بنابراین نور کمتری ساطع میکنند—مانند آتشی که کمسوزی است و روشنایی کمتری دارد.
بهدلیل کمنورتر و کوچکتر بودن، هر سیارهای که در ناحیهٔ حیات آن قرار گیرد، باید بسیار نزدیکتر به ستاره بچرخد تا بهاندازه کافی گرم شود تا آب مایع وجود داشته باشد. ستارگان M‑dwarf نیز شایعترین ستارگان در کهکشان ما هستند. حدود ۷۵٪ از تمام ستارگان تشکیلشده، ستارگان M‑dwarf هستند و انتظار میرود نسبت مشابهی در سراسر جهان وجود داشته باشد.
چرا نتایج شما—که سیارات دور ستارگان M‑dwarf احتمالاً نمیتوانند ماههای بزرگ را برای مدت طولانی نگه دارند—برای جستجوی حیات در جهان مهم است و از دست دادن یک ماه برای سیارهای مانند زمین چه معنایی دارد؟
این نتیجه مهم است زیرا ماههای بزرگ ممکن است نقش مهمی در قابل سکونتکردن واقعی یک سیاره ایفا کنند. برخی دانشمندان بر این باورند جزر و مدهای اولیهٔ زمین—که عمدتاً توسط ماه ایجاد میشدند—به ایجاد دورههای خشک و مرطوب کمک کردهاند که امکان ترکیبات شیمیایی پیچیده و شاید حتی پیدایش حیات را فراهم کردهاند. ماه همچنین از محور چرخش زمین تثبیت میکند. بدون این اثر تثبیتی، محور چرخش یک سیاره میتواند بهطور مداوم تغییر کند، همانطور که در مریخ مشاهده میشود که از حدود ۰ درجه تا ۶۰ درجه میچرخد. چنین تغییرات شدیدی میتوانند فصول، الگوهای دمایی و پایداری طولانیمدت آب و هوای سیاره را بهطرز چشمگیری تغییر دهند.
اگر یک سیاره ماه خود را از دست بدهد، اثرات بلافاصله ظاهر میشوند. در زمین، جزر و مد بهطور چشمگیری ضعیف میشود؛ این موضوع میتواند اکوسیستمهای ساحلی و صنایع صید که بهدورههای جزر و مد قابل پیشبینی وابستهاند، را مختل کند. بسیاری از حشرات، پرندگان و حیوانات شبزی نیز برای جهتیابی یا زمانبندی برخی رفتارها به نور ماه—بهویژه در شبپُرماه—تکیه میکنند. از دست دادن این منبع نور ثابت میتواند این اکوسیستمها را پیش از آنکه بهتدریج وفق پیدا کنند، بههم بزند.
به همین دلیل این مطالعه مهم است: یک سیاره میتواند در ناحیهٔ حیات قرار بگیرد، اما بدون ماهی با عمر طولانی، ممکن است برای همیشه قابلیت سکونت را از دست بدهد. تغییرات در زمین بهطور چشمگیری رخ میدهد.
اما بدون ماه، دیگر ماهپُر نخواهد بود، و بنابراین دیگر گرگموشی نخواهد بود.
دقیقاً، دیگر گرگموشی نخواهد بود.
آیا در طول پژوهش لحظهای پیش آمد که چیزی غیرمنتظره در دادهها ظاهر شد؟
در ابتدا، متوجه شدیم که بین دو روش مختلف اجرای مدلها ناسازگاری وجود دارد. یک روش نیروها را در هر گام زمانی کوچک محاسبه میکرد، در حالی که روش قدیمیتر نیروها را بهصورت متوسط بر تمام مدار ماه محاسبه میکرد. این دو رویکرد باید توافق داشته باشند، اما اینگونه نبود—مدل با دقت بالا نشان داد که ماه بسیار سریعتر از حد انتظار میلغزد.
متوجه شدیم که مشکل ناشی از خطای کوچک در کد جزر و مد بود؛ یک فاکتور نصفی که در کد وجود نداشت. این کد توسط دکتر دانیل تامایو در کالج هاروی ماد نگهداری میشود، نه توسط ما، و پس از شناسایی این اختلاف، آن را اصلاح کردیم و نتایجمان را بازکالیبره کردیم.
حتی پس از اصلاح، ماهها همچنان زودتر از حد انتظار ناپدید میشدند. ما پیشبینی کرده بودیم که طول عمر تقریباً یک میلیارد سال باشد، اما شبیهسازیها نشان دادند که خیلی زودتر از این ناپدید میشوند. در آن زمان درک کردیم که رزونانسهای میانمداری در کار هستند.
یک رزونانس همانند فشار پیستون بهصورت منظم بر یک نوسانبند عمل میکند—فشاری مکرر که بهتدریج افزوده میشود. در این مورد، ستاره بهطور مداوم اوربیت ماه را تغییر میداد، که باعث شد مدار ماه کشیدهتر شود. این نزدیکتر شدن به سیاره نیروهای جزر و مد را بهطور چشمگیری تقویت کرد، که توجیه میکرد چرا ماهها اینقدر سریع از دست میرفتند.
وقتی ماه دیگر وجود ندارد یا از سیاره جدا میشود، در واقع چه اتفاقی میافتد؟
زمانی که یک ماه بهطور دینامیکی ناپایدار میشود، بهسادگی از گرانش سیاره فرار میکند. در بسیاری از موارد، آن جسم بهدور ستاره باقی میماند—فقط بهدور ستاره میچرخد. این اجرام بهدلیل شروع بهعنوان ماه اما عملکردشان شبیه به یک سیاره کوچک، «پلوونت» نامیده میشوند.
همچنین این امکان وجود دارد که ماه فرار کرده به سیارهٔ دیگری برخورد کند. بسیاری از سامانههای M‑dwarf چندین سیارهٔ نزدیک بههم دارند، بنابراین یک ماه در حال خروج چند هدف ممکن دارد. در هر صورت، پس از جدایی، آن دیگر بهعنوان ماه رفتار نمیکند.
از آنجا که این مطالعه نشان میدهد ماههای بزرگ در این ستارگان نادرند، این به چه معناست برای شانس یافتن جهانهای واقعاً شبیه به زمین در جای دیگری؟
زمانی که مأموریتهایی مانند کپلر بهدنبال شبیهسازهای زمین میگشتند، بهدنبال یک سیارهٔ با اندازهٔ زمین و دورهٔ یکساله دور ستارهای شبیه به خورشید میگشتند. اما ستارگان شبیه خورشید یا ستارگان نوع G در واقع نسبتا نادرند—فقط حدود ۸٪ از ستارگان در این دسته قرار میگیرند. در مقابل، حدود ۷۵٪ ستارگان M‑dwarf هستند.
اگر ماههای بزرگ و طولانیعمر نتوانند در اطراف M‑dwarfها بقا یابند، ما عملاً سهچهارم تمام ستارگان را ازنظر امکان وجود سیستم زمین‑ماه مانند خودمان حذف کردهایم. این به این معنی نیست که حیات در جایی دیگر غیرممکن است، اما قلمرو جستجو را محدود میکند. اگر داشتن یک ماه بزرگ یکی از شرایطی باشد که به ظهور یا پایداری حیات کمک میکند، در این صورت زمین ممکن است نسبت به آنچه تصور میکردیم، خاصتر باشد.
حتی اگر حیات تنها یک مورد از یک میلیارد باشد، همچنان میلیاردها ستاره وجود دارند. اما حذف ۷۵٪ از آنها از میدان جستجو، باعث میشود جهانهای شبیه به زمین در برّی کمتر یافت شوند. در نتیجه، جستجوی حیات پیچیدهتر میشود.
در مورد همکاران خود بگویید و این همکاری چگونه پیش رفت
همکاران من همگی از دانشگاه تگزاس در آرلینگتون (UTA) هستند. آخرین نویسنده مقاله در واقع هممشاور دکتری من، دکتر مانفرد کانتز، بود؛ بنابراین این پروژه یک دایرهٔ کامل شد. نویسندهٔ اصلی، شآن پاتل، در ۱۱ نوامبر پایاننامهاش را دفاع کرد و بهزودی دکتر پاتل خواهد شد. این مطالعه بخش عمدهای از کار دکترای او را تشکیل میداد. او پیشتر مقالاتی دربارهٔ دینامیک ماهها منتشر کرده بود، از جمله مقالهای که بر روی سیارهٔ K2‑18b متمرکز بود، و این پروژه جدید این کار را برای سامانههای M‑dwarf گسترش داد.
سهم سوم ما، دکتر نوین واینبرگ، عضو تازهوارد هیئت علمی در UTA و متخصص در تعاملات جزر و مد، بهویژه بین ستارگان و «ژوپیتهای داغ» (hot Jupiters) است. تجربهٔ او به ما کمک کرد تا پیشبینی کنیم مدلهای ما چگونه رفتار میکنند و نتایج را بهدرستی تفسیر کنیم.
در نتیجه، این همکاری خوب پیش رفت زیرا هر یک از ما قوتهای متفاوتی داشتند: تجربه در دینامیک ماهها؛ تخصص در فیزیک جزر و مد؛ و انگیزهٔ عملی یک دانشجوی دکتری که بهسوی گام بعدی در حرفهٔ خود پیش میرود.
برای دانشجویانی که به فضا علاقهمندند و میخواهند سیارات را مطالعه کنند، چه دورهها یا مهارتهایی را توصیه میکنید که تمرکز کنند؟
دانشجویان علاقهمند به فضا باید بهطور فراوان بر ریاضیات و فیزیک تمرکز کنند. در ایالات متحده، دریافت مدرک کارشناسی مخصوصاً در رشتهٔ اخترشناسی بسیار نادر است. اکثر اخترشناسان و علوم سیارهای با مدرکهای فیزیک یا مهندسی شروع میکنند و سپس به حوزههای مرتبط با فضا میپیوندند. دکترای من نیز در فیزیک و فیزیک کاربردی است، نه اخترشناسی، چرا که این برنامهها بهطور گستردهای همپوشانی دارند.
در ETAMU، دورههایی مانند زندگی در جهان و علوم سامانهٔ شمسی ارائه میدهیم که دانشجویان را با موضوعات سیارهای و زیستشناسی نجومی آشنا میکند. با رشد برنامهمان، در حال بررسی امکان ارائهٔ دورهای پیشرفته در زیستشناسی نجومی (آستروبیولوژی) نیز هستیم.
خود آستروبیولوژی بسیار گسترده است؛ برخی محققان از رشتهٔ زیستشناسی میآیند، دیگران از شیمی، فیزیک یا مهندسی. این حوزه علوم مختلف را بههم پیوند میدهد؛ بنابراین داشتن پایهٔ قدرتمندی در چندین حوزه، مزیت واقعی است.
همانگونه که پژوهشگران به بررسی فیزیک جهانهای دور ادامه میدهند، مطالعاتی دربارهٔ چگونگی شکلگیری، مهاجرت و ناپدید شدن ماهها در اطراف ستارگان دیگر نشان میدهد که هنوز چیزهای زیادی برای کشف وجود دارد—و مؤسسی همچون ETAMU در پیشبرد این مرزها نقش مهمی ایفا میکند. برای دانشجویان مشتاق کاوش در کیهان، کار دکتر کوارلز یادآوری میکند که کشفهای بزرگ اغلب با پرسشهای ساده آغاز میشوند و با تمایل به پیگیری شواهد، به نتایج رسیده میشود.
منبع مقاله: پاتریک سی. هریسون سوم – بازاریابی و ارتباطات ETAMU
عکس: دکتر بیلی کوارلز دادههای تلسکوپی را از یک رصدخانهٔ شیلی نظارت میکند در ساختمان علمی مکفارلند. | اعتبار تصویر: جیسن کانِل، بازاریابی و ارتباطات ETAMU