טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א בוחן כוכבי לכת פוטנציאליים הניתנים למגורים בגלקסיה שלנו, תוך התמקדות בכוכבי לכת קטנים שיכולים לתמוך בחיים בשל מיקומם באזור המגורים. זיהוי אטמוספרות, שלא לדבר על חתימות ביולוגיות המעידות על חיים, הוא מאתגר ביותר בשל גודלם הזעיר של האותות מכוכבי הלכת הללו וההפרעות מהכוכבים המארחים שלהם. קרדיט: twoday.co.il.com
ה טלסקופ החלל ג'יימס ווב חוקר באופן פעיל כוכבי לכת אקסו-פלנטים קטנים שעלולים למגורים, תוך שימוש בספקטרוסקופיה של שידור כדי לנתח את הרכב האטמוספירה שלהם. התהליך מסובך בגלל גדלי אותות זעירים והצורך בזמני תצפית נרחבים, מה שהופך את זיהוי החתימות הביולוגיות של החיים למשימה תובענית.
כוכבי לכת אקסו-כוכבים נפוצים בגלקסיה שלנו, וחלקם אף מסתובבים במה שנקרא אזור המגורים של הכוכב שלהם. טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א היה עסוק בתצפית על כמה מכוכבי הלכת הקטנים הללו, שעלולים להתגורר בהם, ואסטרונומים עובדים כעת במרץ על ניתוח נתוני ווב. אנו מזמינים את דר. קניקול קולון וכריסטופר סטארק, שני מדעני פרויקט Webb במרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א, לספר לנו יותר על האתגרים בחקר העולמות האחרים הללו.
הגדרת כוכבי לכת שניתן למגורים
"כוכב לכת פוטנציאלי למגורים מוגדר לעתים קרובות ככוכב הלכת הדומה בגודלו לכדור הארץ שמסתובב ב'אזור המגורים' של הכוכב שלו, מיקום שבו כוכב הלכת הָיָה יָכוֹל יש טמפרטורה שבה מים נוזליים הָיָה יָכוֹל קיים על פני השטח שלו. אנו יודעים כיום על כ-30 כוכבי לכת שעשויים להיות כוכבי לכת קטנים וסלעיים כמו כדור הארץ ומסתובבים באזור המגורים.
"עם זאת, אין ערובה לכך שכוכב לכת שמסתובב באזור המגורים אכן ראוי למגורים (הוא יכול לתמוך בחיים), שלא לדבר על מיושב (כיום הוא תומך בחיים). בזמן כתיבת שורות אלה, ידוע רק כוכב לכת אחד ראוי למגורים ומיושב – כדור הארץ!
אינפוגרפיקה זו משווה את המאפיינים של שלוש מחלקות כוכבים בגלקסיה שלנו: כוכבים דמויי שמש מסווגים ככוכבי G; כוכבים פחות מסיביים וקרירים יותר מהשמש שלנו הם K גמדים; וכוכבים חלשים וקרירים אפילו יותר הם הגמדים M אדמדמים. גודלו של אזור המגורים שונה עבור כל מחלקה של כוכבים. במערכת השמש שלנו, אזור המגורים מתחיל ממש מעבר למסלול נוגה וכמעט מקיף את מאדים. קרדיט: נאס"א, ESA ו-Z. Levy (STScI)
אתגרים של התבוננות באטמוספירות של כוכבי לכת
"העולמות הפוטנציאליים למגורים בווב צופה הם כולם כוכבי לכת מעבר, כלומר המסלולים שלהם הם כמעט קצה כך שהם עוברים מול הכוכבים המארחים שלהם. ווב מנצל את הכיוון הזה כדי לבצע ספקטרוסקופיה של שידור כאשר כוכב הלכת חולף מול הכוכב שלו. כיוון זה מאפשר לנו לבחון את אור הכוכבים המסונן דרך האטמוספרות של כוכבי הלכת כדי ללמוד על ההרכבים הכימיים שלהם.
"עם זאת, כמות אור הכוכבים שנחסמה על ידי האטמוספירה הדקה של כוכב לכת סלעי קטן היא זעירה, בדרך כלל קטנה בהרבה מ-0.02%. פשוט לזהות אווירה סביב העולמות הקטנים האלה הוא מאתגר מאוד. זיהוי נוכחותם של אדי מים, שעשוי לחזק את האפשרות למגורים, קשה עוד יותר. מחפש אחר חתימות ביולוגיות (גזים המיוצרים ביולוגית) זה קשה בצורה יוצאת דופן, אבל גם מאמץ מרגש.
כאשר א אקסופלנט עובר ישירות בין הכוכב המארח שלו לבין הצופה, אנו אומרים שכוכב הלכת עובר לפני הכוכב המארח שלו. מעבר זה מעמעם את אור הכוכב בכמות הניתנת למדידה, ואור הכוכבים מסונן גם דרך האטמוספירה של כוכב הלכת החיצוני אם יש לו. אנימציה זו מציגה כוכב לכת בודד ואת השינוי המתאים ברמות האור במהלך המעבר. אַשׁרַאי: נאס"אהמעבדה להנעת סילון של
"כיום יש רק קומץ של עולמות קטנים, בעלי פוטנציאל למגורים, הנחשבים נגישים לאפיון אטמוספרי עם Webb, הכולל את כוכבי הלכת LHS 1140 b ו-TRAPPIST-1 e.
אתגרים טכניים באיתור חתימות ביולוגיות
"כמה עבודות תיאורטיות עדכניות שחוקרות את יכולת הזיהוי של מולקולות גזים באטמוספירה של כוכב הלכת הסופר-כדור הארץ LHS 1140 b מדגישה כמה אתגרים בחיפוש אחר חתימות ביולוגיות. העבודה מציינת כ-10-50 מעברים של כוכב הלכת סביב הכוכב המארח שלו, שווה ערך ל-40-200 שעות של זמן צפייה עם Webb, כדי לנסות לזהות ביולוגיות פוטנציאליות, כגון אמוניה, פוספין, כלורומתאן ו. חמצן דו חנקניבתרחיש הטוב ביותר של אווירה ברורה ונטולת עננים.
ספקטרום העברה מדומה של אטמוספירה דמוית כדור הארץ מראה אורכי גל של אור שמש שמולקולות כמו אוזון (O3), מים (H2O), פחמן דו חמצני (CO2) ומתאן (CH4) סופגות. (שימו לב שבגרף זה, ציר ה-y מראה כמות אור שנחסמה על ידי האטמוספירה של כוכב הלכת דמוי כדור הארץ ולא בהירות של אור השמש שעובר באטמוספירה: הבהירות פוחתת מלמטה למעלה.) ספקטרום השידור של המודל מליסה קלטנגר וזיפן Lin 2021 ApJL 909. קרדיט: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)
המורכבות של לוחות תצפית אקסופלנטים
"בהתחשב בכך ש-Webb לא יכול לראות את מערכת ה-LHS 1140 כל השנה בגלל מיקומה של המערכת בשמיים, ייקח מספר שנים אם לא קרוב לעשור כדי לאסוף 50 תצפיות מעבר של LHS 1140 b. חיפוש אחר חתימות ביולוגיות עשוי לדרוש אפילו יותר מ-50 תצפיות מעבר אם האטמוספירה של כוכב הלכת מעוננת.
"לרוב כוכבי הלכת הקטנים יש עננים או אובך שמבליטים או מסתירים את האות שמחפשים. האותות האטמוספריים של גזים ביולוגיים אלה נוטים גם לחפוף לאותות אטמוספריים צפויים אחרים (למשל עקב מתאן גז או פחמן דו חמצני), כך שההבחנה בין האותות השונים היא אתגר נוסף.
כוכבי לכת Hycean: שדרה חדשה למחקר
"דרך פוטנציאלית בחיפוש אחר חתימות ביולוגיות היא בחקר כוכבי לכת Hycean, שהם מחלקה תיאורטית של כוכבי לכת בגודל כדור הארץ עם אטמוספירה דקה יחסית עשירה במימן ואוקיינוס מים נוזליים משמעותיים. כדור-העל K2-18 b הוא מועמד לכוכב הלכת היקאני שניתן למגורים בהתבסס על נתונים עדכניים מ-Webb ומצפי כוכבים אחרים.
"עבודה שפורסמה לאחרונה השתמשה ב- NIRSpec ו- NIRISS כדי לזהות מתאן ופחמן דו חמצני באטמוספירה של K2-18 b, אך לא מים. משמעות הדבר היא שההצעה ש-K2-18 b הוא עולם היקאני עם שרידי מים נוזליים המבוססים על מודלים תיאורטיים, ללא עדות תצפית ישירה עדיין. מחברי העבודה רמזו גם על נוכחות אפשרית של ה-biosignature הפוטנציאלי דימתיל סולפיד באטמוספירה של K2-18 b, אך האות הפוטנציאלי של דימתיל גופרתי חלש מדי לזיהוי חד משמעי בנתונים הנוכחיים.
תפיסת אמן של טלסקופ החלל ג'יימס ווב. קרדיט: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
"המושג והמחקר של מחלקה של כוכבי לכת Hycean הם חדשים מאוד, כך שפירושים חלופיים לתרחיש של אוקיינוס מים נוזליים (ולכן לפוטנציאל של סביבה ראויה למגורים) עדיין נחקרות. תצפיות ווב הקרובות עם מכשירי NIRSpec ו-MIRI אמורות לשפוך אור נוסף על אופיו של כוכב הלכת ההיקאני הפוטנציאלי K2-18 b ועל הנוכחות האפשרית של דימתיל גופרתי באטמוספירה שלו.
גורמים מבלבלים בנתוני תצפית
"גורם מבלבל נוסף שהופך את המחקר של ווב על עולמות קטנים שעלולים למגורים למאתגר הוא שה מנחה כוכבים יכול להראות גם סימנים של אדי מים. זה נחקר בתצפיות אחרונות של Webb על כוכב הלכת הסלעי המכונה GJ 486 b. לכן יש לנו את האתגר הנוסף לקבוע אם אדי המים שזוהה על ידי ווב הם למעשה מהאטמוספירה של כוכב לכת ולא מהכוכב שלו.
מסקנה: העתיד של חקר כוכבי הלכת
"זיהוי של חתימות ביולוגיות באטמוספרות של כוכבי לכת מעבר קטנים, שעלולים למגורים, המקיפים כוכבים קרירים הוא מאמץ מאתגר ביותר, הדורש בדרך כלל תנאים אידיאליים (למשל, אטמוספרות נטולות עננים) או הנחה של סביבות כדור הארץ מוקדמות (כלומר, שונות מכדור הארץ המודרני אנחנו מכירים את זה), זיהוי אותות הקטנים משמעותית מ-200 חלקים למיליון, כוכב מתנהג היטב ללא אדי מים משמעותיים בכתמי כוכבים, וכמות משמעותית של זמן טלסקופ כדי להגיע למספיק אות לרעש.
"חשוב גם לזכור שזיהוי של חתימה ביולוגית אחת בכל אמצעי אינו מהווה גילוי חיים. גילוי חיים על כוכב לכת ידרוש ככל הנראה קבוצה גדולה של חתימות ביולוגיות שזוהו באופן חד משמעי, נתונים ממשימות ומצפיות מרובות, ומאמצי מודלים אטמוספריים נרחבים, תהליך שצפוי להימשך שנים.
"הכוח של ווב הוא בכך שיש לו את הרגישות לזהות ולהתחיל לאפיין את האטמוספרות של קומץ מכוכבי הלכת המבטיחים ביותר שיש להם פוטנציאל למגורים המקיפים כוכבים קרירים. לווב במיוחד יש את היכולת לזהות מגוון של מולקולות חשובות לחיים, כמו אדי מים, מתאן ופחמן דו חמצני. המטרה שלנו היא ללמוד כמה שיותר על עולמות שעלולים להיות ראויים למגורים, גם אם איננו יכולים לזהות באופן סופי חתימות ראויות למגורים עם ווב.
"תצפיות Webb, בשילוב עם מחקרים על כוכבי לכת על ידי טלסקופ החלל הרומאי ננסי גרייס הקרוב של נאס"א, יכניסו בסופו של דבר את הבסיס למצפה העתידי של Habitable Worlds, שיהיה המשימה הראשונה של נאס"א שנועדה לצלם ולחפש ישירות עקבות כימיות שנגרמו על ידי חיים על כוכבי לכת דמויי כדור הארץ סביב כוכבים דמויי שמש."
על המחברים:
קניקול קולון הוא אסטרופיזיקאי במרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א בגרינבלט, מרילנד, ומשמש כסגן מדען פרויקט טלסקופ החלל ג'יימס ווב למדע אקסופלנט.
כריסטופר סטארק הוא אסטרופיזיקאי במעבדת כוכבי לכת וכוכבי לכת במרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א בגרינבלט, מרילנד, ומשמש כסגן מדען פרויקט מצפה הכוכבים של טלסקופ החלל ג'יימס ווב.
