فیزیکدان نجومی ETAMU بررسی میکند چرا بسیاری از جهانهای بیگانه ممکن است قمرهای خود را از دست دهند و این برای حیات فراتر از زمین چه معنایی دارد
ستارۀهای رایجترین کهکشان ممکن است یک عنصر کلیدی برای حیات را از دست داده باشند: قمرهای طولانیعمر.
اکثریت ستارۀهای کهکشان ما کوچک و خنک هستند؛ آنها معمولاً نوع M‑dwarf (ستارۀ نوکخاکی) نامیده میشوند که اخترشناسان اغلب برای جستجوی سیارۀهایی که ممکن است حیات را میزبانی کنند، به آنها رجوع میکنند. اما پژوهش جدیدی از دانشگاه ایستتکساس ایاندام نشان میدهد این جهانها ممکن است یک عنصر مهم را از دست داده باشند: قمرهای طولانیعمر. دکتر بیلی کوارلس، استادیار در بخش فیزیک و ستارهشناسی، بهتازگی مطالعهای در مجلهٔ نجومی منتشر کرده که نشان میدهد قمرهای اطراف سیارۀهای نوکخاکی ممکن است به اندازه کافی طولانی زندگی نکنند تا به تثبیت سیاره کمک کنند یا شرایط اولیه برای حیات را فراهم سازند.
این کشف میتواند نحوهٔ جستجوی دانشمندان برای جهانهای کاملاً شبیه به زمین را در سرتاسر کیهان بازتعریف کند.
مقالهٔ جدید بر پایهٔ پیشرفتهای حاصل از مشارکت قبلی کوارلس در کشف سیارۀ احتمالی در سامانهٔ نزدیک آلفا قنطورس است؛ پروژهای که نقش رو به رشد دانشگاه ایستتکساس ایاندام را در نجوم مدرن برجسته کرد. اکنون کار او به سؤال این میپردازد که آیا سیارۀهای اطراف رایجترین ستارۀهای کهکشان میتوانند قمرهای خود را به اندازه کافی طولانی نگه دارند تا شرایطی که ممکن است شبیه به زمین باشد را پشتیبانی کنند. بر پایهٔ اظهارات کوارلس و همکارانش، این پاسخ میتواند پیامدهای عمیقی برای جستجوی حیات در کیهان داشته باشد.
برای درک بهتر این مطالعه و معنای آن برای دانشآموزانی که به نجوم، فیزیک یا علم سیارات علاقه دارند، با کوارلس دربارهٔ قمرهای فراستارهای، نیروهای جزر و مدی و اینکه چرا ماه خودمان ممکن است بمراتب خاصتر از آنچه تصور میکنیم باشد، گفتگو کردیم. در ادامه گفتوگوی ما آورده شده است.
چگونه به نجوم وارد شدید؟
من در روستا بزرگ شدم که آسمانهای شب بهطرز شگفتانگیزی تاریک بودند. بودن در فضای باز، بهویژه از طریق پیشاهنگی، کنجکاوی طبیعیم نسبت به آنچه در بالای سرمان است برانگیخت. همچنین در اوایل سالهای ۹۰ عصر، زمانی که همه «ستارگان تجسس: نسل بعدی» را در شبهای شنبه تماشا میکردند، همان توالی افتتاحیه—با تمام سیارۀها—بهطور عمیقی تخیل مرا شعلهور کرد و من را به فکر جهانهای فراتر از زمین انداخت.
در دبیرستان در علوم و ریاضی موفق بودم و خواهرم زمانی برنامهریزی کرده بود که فیزیک سیاهچالهها را مطالعه کند. او در نهایت مسیر دیگری را انتخاب کرد، اما علاقهاش مرا به فکر جدیتر کردن نجوم وادار کرد. تا دورهٔ تحصیلات تکمیلی نمیدانستم دقیقاً کدام بخش از نجوم را میخواهم بررسی کنم، اما وقتی به این نتیجه رسیدم که کار بر روی سیارۀها، قمرها و سامانههای ستارهای پیچیده برایم جذاب است، مسیرم روشن شد. مسیر من خطی مستقیم نبود، اما در نهایت جای خود را یافتم.
چه چیزی ابتدا شما را به مطالعهٔ قمرهای فراستارهای خارج از منظومهخورشیدی ترغیب کرد و چه چیزی دربارهٔ آنها شما را مسحور میکند؟
وقتی حدود سال ۲۰۰۸ دکترا را آغاز کردم، متوجه پژوهشگری شدم که پیشنهاد داده بود از دادههای تلسکوپ فضایی کیلر برای جستجوی قمرهای فراستارهای—قمرهایی که پیرامون سیارۀهای خارج از منظومهخورشیدی میگردند—استفاده کند. فکر میکردم این ایده غیرممکن است، بنابراین بهدنبال اثبات اشتباه او فرو رفتم. در عوض، پی بردم که این ایده در واقع منطقی است.
در آن زمان، کیلر بهطور مستمر سیارۀهای جدیدی کشف میکرد و بهنظر میرسید که کشف قمرها گام بزرگ بعدی باشد. در سال ۲۰۱۲، پس از دفاع از رسالهام، با آن پژوهشگر دکتر دیوید کیپینگ آشنا شدم و صادقانه باور داشتم که او در عرض یک سال اولین قمر فراستارهای را پیدا خواهد کرد. این اتفاق نیفتاد، اما او چندین کاندیدای امیدوارکننده یافت و در نهایت از من دعوت کرد تا در یکی از آنها همکاری کنم.
چیزی که ابتدا من را مسحور کرد و در نهایت محرک این مقاله جدید شد این بود که ناظران همچنان بهدنبال قمرهایی در اطراف ستارۀهای نوکخاکی (M‑dwarf) میگشتند اما هیچکدام را نیافتند. ما میخواستیم دلیل آن را درک کنیم. پژوهش ما نشان میدهد که، در بسیاری از این سامانهها، قمرهای بزرگ بهراحتی انتظار نمیرود که بقا یابند به اندازه کافی طولانی برای یافتن.
مروری کلی بر مقالهای که در مجله «Astronomical Journal» منتشر میشود
مقاله چند ایده مهم را با هم ترکیب میکند. در نگاه اول ستارۀهای نوکخاکی (M‑dwarf) بهنظر میرسند که مکانهای ایدهآلی برای جستجوی قمرهای فراستارهای هستند چون سیارۀهای در حوزهٔ قابل سکونت آنها بهسرعت میچرخند. سرعت بالاتر بهمعنی عبورهای بیشتری (پدیدهٔ عبور) است که برای ستارهشناسان فرصتهای بیشتری برای رصد قمرهایی که درست قبل یا پس از سیاره عبور میکنند، فراهم میآورد.
اما آنچه برای ناظران مفید است، لزوماً برای قمرها مفید نیست. هنگامی که یک سیاره بهطور بسیار نزدیک به یک ستارهٔ کوچک میچرخد، نیروی جزر و مدی ستاره به طرز فوقالعادهای قوی میشود—به مراتب قویتر از هر چیزی در سیستم زمین‑ماه ما. در زمین، ماه نیرؤ جزر و مدی تقریباً دوبرابر نیروی خورشید تولید میکند که بهتدریج ماه را بهسمت بیرون رانده میشود. اگر همین سیستم را نزدیکتر به ستاره میگذارید، جزر و مدی ستاره به صدها یا حتی هزاران برابر قویتر خواهد شد.
این جزر و مدهای قدرتمند شبیه موتوری عمل میکنند که قمر را بهسرعت به بیرون رانده تا در نهایت ناپایدار شود و فرار کند. انتظار داشتیم این مسأله طول عمر قمر را از میلیاردها سال به حدود یک میلیارد سال کاهش دهد. اما شبیهسازیهای ما نشان میدهد که در بیشتر ستارۀهای نوکخاکی، قمرهای بزرگ تنها ۱۰ تا ۱۰۰ میلیون سال دوام میآورند.
این نکته مهم است زیرا حیات در زمین برای شکلگیری زمان بسیار طولانیتری نیاز داشت. بنابراین حتی اگر سیارۀهای در ناحیهٔ قابل سکونت اطراف ستارۀهای نوکخاکی وجود داشته باشند، احتمالاً قمرهای بزرگ خود را مدتها پیش از آنکه حیات فرصتی برای آغاز پیدا کند، از دست دادهاند.
ستارهای چه ویژگیای دارد که آن را ستارهٔ نوکخاکی (M‑dwarf) میکند؟
ستارۀها بر اساس دمای سطحشان طبقهبندی میشوند. خورشید ما حدود ۵۸۰۰ کلوین دما دارد، اما ستارۀهای نوکخاکی (M‑dwarf) در حدود ۲۸۰۰ تا ۴۵۰۰ کلوین قرار دارند. اینها سردتر هستند، بنابراین نور کمتری ساطع میکنند—مانند آتشگاه کوچکی که بهنشان کمرو و کمنور میسوزد.
بهدلیل کمروشنایی و کوچکبودن، هر سیارۀ در ناحیهٔ قابل سکونت باید بسیار نزدیکتر به ستاره بچرخد تا دمای کافی برای وجود آب مایع داشته باشد. همچنین، ستارۀهای نوکخاکی بهطور اتفاقی رایجترین ستارۀهای کهکشان ما هستند. حدود ۷۵٪ تمام ستارۀهای تشکیلشده، نوکخاکی (M‑dwarf) هستند و انتظار میرود این نسبت در سراسر کیهان نیز مشابه باشد.
چرا نتایج شما—که احتمالاً سیارۀهای اطراف ستارۀهای نوکخاکی نمیتوانند قمرهای بزرگ را برای مدت طولانی نگه دارند—برای جستجوی حیات در کیهان مهم است و از دست دادن یک قمر برای سیارۀ همچون زمین چه معنایی دارد؟
این نتایج مهم است زیرا قمرهای بزرگ میتوانند نقش مهمی در تبدیل یک سیاره بهگونهای که واقعاً قابل سکونت باشد، ایفا کنند. برخی دانشمندان بر این عقیدهاند که جزر و مدهای اولیهٔ زمین—که عمدتاً توسط ماه ایجاد میشدند—بهوجود آمدن چرخههای خشک و مرطوب شدن را که امکان شیمی پیچیده و احتمالاً حیات را فراهم میکرد، یاری کردند. علاوه بر این، ماه سطح انحنای محور زمین را ثابت میکند. بدون این اثر تثبیتکننده، انحنای محور یک سیاره میتواند بهمرور زمان بهصورت شدید تغییر کند، همانطوری که در مریخ میبینیم؛ از تقریباً ۰ درجه تا تا ۶۰ درجه. این نوع نوسانات میتوانند بهطور اساسی فصول، الگوهای دمایی و پایداری بلندمدت اقلیم یک سیاره را تغییر دهند.
اگر یک سیاره قمر خود را از دست بدهد، اثراتش بهسرعت ظاهر میشود. بر روی زمین، جزر و مدها بهطور چشمگیری ضعیف میشوند که باعث اختلال در اکوسیستمهای ساحلی و صنایع ماهیگیری میشود که بهدورانیهای پیشبینیپذیر جزر و مد وابستهاند. بسیاری از حشرات، پرندگان و جانوران شبزی نیز به نور ماه—بهویژه در شبهای کامل—برای جهتیابی یا زمانبندی رفتارهای خاص خود وابستهاند. از دست دادن این منبع نور ثابت، این اکوسیستمها را قبل از اینکه بتوانند بهتدریج سازگار شوند، ناآرام میکند.
به همین دلیل این مطالعه مهم است: یک سیاره میتواند بهراحتی در ناحیهٔ قابل سکونت قرار گیرد، اما بدون یک ماه طولانیمدت، ممکن است برای حفظ حیات بهکل سختی داشته باشد. تغییرات روی زمین نیز بهطرز چشمگیری خواهد بود.
اما بدون ماه، دیگر ماه کامل نخواهد بود، بنابراین دیگر گرگنارسان هم نخواهند بود.
دقیقا، دیگر گرگنارسان نیستند.
آیا در طول پژوهش لحظهای پیش آمد که چیز غیرمنتظرهای در دادهها ظاهر شد؟
در ابتدا، عدم تطابقی بین دو روش مختلف برای اجرای مدلها مشاهده کردیم. یک روش نیروها را در هر قدم زمانی ریز محاسبه میکرد، در حالی که روش قدیمیتر نیروها را بهصورت میانگینگیری در تمام دور قمر محاسبه میکرد. این دو رویکرد باید با هم همخوانی داشته باشند، اما اینطور نبود؛ مدل با دقت بالا نشان داد که ماه بسیار سریعتر از حد انتظار در حال جابجا شدن است.
متوجه شدیم که مشکل خطای کوچکی در کد جزر و مد بود، یک عامل نصفشده که در کد گم شده بود. این کد توسط دکتر دانیل تامایو در کالج هاروی مد نگهداری میشود، نه توسط ما، و پس از شناسایی این اختلاف، آن را تصحیح کردیم و نتایج خود را بازکالیبر کردیم.
حتی پس از رفع مشکل، قمرها هنوز زودتر از حد انتظار ناپدید میشدند. ما پیشبینی کرده بودیم که طول عمرشان حدود یک میلیارد سال باشد، اما شبیهسازیها نشان دادند که بسیار زودتر از این ناپدید میشوند. در همین لحظه فهمیدیم که رزونانسهای میان‑دورهای در کار هستند.
یک رزونانس مانند پمپ کردن پاهای شما در یک تاب است—یک «فشار» منظم که بهمرور زمان جمع میشود. در این مورد، ستاره بهمدار ماه فشار میکرد، بهگونهای که مدار آن کشیدهتر شد. این نزدیک شدن بیشتر به سیاره نیروهای جزر و مدی را بهشدت تقویت کرد که توضیح میدهد چرا قمرها اینچقدر سریع از دست میرفتند.
وقتی ماه از وجود خود میگذرد یا از سیاره جدا میشود، در واقع چه میگذرد؟
بهمحض اینکه یک ماه بهطور دینامیکی ناپایدار شود، بهسادگی از گرانش سیاره فرار میکند. در بسیاری از موارد، از سامانهٔ ستارهای خارج نمیشود؛ بلکه بهصورت مدار حول ستاره ادامه میدهد. این اجسام بهنام «پلونتها» (پلانیتهای ماهی) شناخته میشوند؛ چرا که ابتدا بهعنوان ماهها شروع شدهاند اما در نهایت مانند سیارۀهای کوچک رفتار میکنند.
همچنین احتمال دارد که ماه فرار کرده به سیارۀ دیگری برخورد کند در همان سامانه. بسیاری از سامانههای نوکخاکی دارای چندین سیارۀ فشرده و نزدیک به هم هستند، بنابراین یک ماه خروجی چندین هدف محتمل دارد. بههر حال، پس از جدایی، ماه دیگر بهعنوان ماه رفتار نمیکند.
از آنجا که این پژوهش نشان میدهد قمرهای بزرگ در اطراف این ستارۀها نادر هستند، این برای شانس یافتن جهانهای واقعا شبیه به زمین در نقاط دیگر چه معنی دارد؟
زمانی که مأموریتهایی مانند کیلر بهدنبال شبیهسازهای زمین میگشتند، بهدنبال سیارۀ با اندازهٔ زمین در یک مدار یکساله اطراف ستارۀ شبیه به خورشید بودند. اما ستارۀهای شبیه به خورشید یا از نوع G در واقع نسبتاً نادر هستند—تنها حدود ۸٪ از ستارۀها در این دسته قرار میگیرند. در مقابل، حدود ۷۵٪ نوکخاکی (M‑dwarf) هستند.
اگر قمرهای بزرگ و طولانیمدت نمیتوانند در اطراف ستارۀهای نوکخاکی بقا یابند، ما عملاً سهچهارم تمام ستارۀها را از مکانهای ممکن برای وجود یک سیستم زمین‑ماه شبیه به ما حذف کردهایم. این بدان معنا نیست که حیات در جاهای دیگر غیرممکن است، اما حوزهٔ جستجو را محدود میکند. اگر داشتن قمر بزرگ یکی از شروطی باشد که به شکلگیری یا پایداری حیات کمک میکند، آنگاه زمین ممکن است از آنچه تصور میکردیم، شگفتانگیزتر باشد.
حتی اگر حیات یک اتفاق یکدر‑میلیار باشد، هنوز میلیاردها ستاره وجود دارد. اما حذف ۷۵٪ آنها از بررسی، باعث میشود جهانهای واقعاً شبیه به زمین در کیهان نادرتر شوند. در نتیجه، جستجو برای حیات پیچیدهتر میشود.
دربارهٔ همکارانتان بگویید و بیان کنید همکاری چگونه انجام شد.
همکاران من همگی از دانشگاه تگزاس در آرلینگتون هستند. نویسندهٔ آخر مقاله در واقع مشاور مشترک دکتر مقطع دکتری من، دکتر مانفرد کنتز بود، بنابراین این پروژه یک حلقه کامل ایجاد کرد. نویسندهٔ اصلی، شین پاتل، رسالهٔ خود را در ۱۱ نوامبر دفاع کرد، بنابراین بهزودی دکتر پاتل خواهد شد. این مطالعه بخش عمدهای از کار دکتری او را تشکیل داد. او پیش از این مقالاتی دربارهٔ دینامیک قمرها منتشر کرده بود، از جمله مقالهای که بر سیاره K2‑18b متمرکز بود، و این پروژهٔ جدید همان کار را به سامانههای نوکخاکی بهطور کلی گسترش داد.
همکار سوم ما، دکتر نوین واینبرگ، عضو جدید هیئت علمی در دانشگاه تگزاس در آرلینگتون است و متخصص در تعاملات جزر و مدی، بهویژه بین ستارۀها و جسپترهای داغ است. تجربهٔ او به ما کمک کرد تا پیشبینی کنیم مدلهایمان چگونه رفتار کنند و نتایج را بهدرستی تفسیر کنیم.
بنابراین همکاری به خوبی انجام شد، چرا که هر یک از ما قابلیتهای متفاوتی به ارمغان آورد: تجربه در دینامیک قمرها، تخصص در فیزیک جزر و مد و انگیزهٔ عملی یک دانشجوی تحصیلات تکمیلی که بهسوی گام بعدی در مسیر شغلیاش پیش میرود.
برای دانشآموزانی که به فضا علاقهمندند و میخواهند سیارۀها را مطالعه کنند، چه نوع دروس یا مهارتهایی را پیشنهاد میکنید که تمرکز کنند؟
دانشآموزانی که به فضا علاقهمندند، باید بهطور عمده بر ریاضیات و فیزیک تمرکز کنند. در ایالات متحده، دریافت مدرک کارشناسی بهطور خاص در رشتهٔ نجوم اتفاقاً معمول نیست. اکثر ستارهشناسان و علمیدانهای سیارهای با مدرک فیزیک یا مهندسی شروع میکنند و سپس به حوزههای فضایی میپیوندند. دکترای من در فیزیک و فیزیک کاربردی است، نه نجوم، زیرا این برنامهها به شدت همپوشانی دارند.
در دانشگاه ایستتکساس ایاندام، دورههای مانند زندگی در کیهان و علم منظومهٔ خورشیدی را ارائه میدهیم که دانشآموزان را با موضوعات سیارۀها و زیستشناسی نجومی آشنا میکند. با رشد برنامهمان، در حال بررسی امکان ارائهٔ دورهٔ پیشرفته زیستشناسی نجومی نیز هستیم.
زیستشناسی نجومی بهخودی بسیار گسترده است؛ برخی پژوهشگران از رشتهٔ زیستشناسی، دیگران از شیمی، فیزیک یا مهندسی میآیند. این حوزه چندین علم را در بر میگیرد، بنابراین داشتن پایهٔ قوی در چندین حوزه یک مزیت واقعی به حساب میآید.
همزمان با ادامهٔ مطالعات پژوهشگران دربارهٔ فیزیک جهانهای دوردست، مطالعات دربارهٔ نحوهٔ شکلگیری، جابجایی و ناپدید شدن قمرها در اطراف ستارۀهای دیگر نشان میدهد که چقدر هنوز چیزهای زیادی برای کشف باقی مانده است—و اینکه مؤسسی مثل دانشگاه ایستتکساس ایاندام چگونه به پیشبرد این مرز علمی کمک میکند. برای دانشآموزانی که به کاوش کیهان علاقهمندند، کار دکتر کوارلس یادآور این است که کشفهای بزرگ اغلب با سؤالات ساده آغاز میشوند و تمایل به دنبال کردن شواهد به هر سمتی که میروند، مهم است.
منبع مقاله: Patrick C. Harrison III – ETAMU Marketing and Communications
عکس: دکتر بیلی کوارلس دادههای تلسکوپی را از یک رصدخانه شیلی در ساختمان علمی مکفارلند نظارت میکند. | اعتبار عکس: جیسون کونل، ETAMU Marketing and Communications