جستوجو برای نشانههای حیات فراتر از منظومه شمسی با آغاز عملیات تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) ناسا، به یک دوران کاملاً تحولآفرین وارد شده است. دانشمندان برای نخستین بار در تاریخ، به جای حدس و گمان درباره دنیاهای بیگانه، ترکیب شیمیایی جو سیارات فراخورشیدی را با دقتی بیسابقه تحلیل میکنند. هدف اصلی این مأموریت علمی، کشف زیستنشانگرها (Biosignatures) است؛ گازهایی نظیر اکسیژن یا متان که میتوانند شاخصی قطعی از فعالیتهای زیستی باشند. اما یافتن این گازها در اعماق کیهان، به سادگی پیدا کردن یک گاز جادویی نیست و نیازمند همافزایی دقیق میان رصدهای نجومی، دادههای آزمایشگاهی و مدلسازی پیشرفته جوی است.
طیفسنجی انتقالی؛ پنجرهای رو به جو سیارات دوردست
تلسکوپ جیمز وب برای بررسی اتمسفر سیارات فراخورشیدی، از تکنیکی قدرتمند به نام «طیفسنجی انتقالی» (Transmission Spectroscopy) بهره میبرد. زمانی که یک سیاره از میان دیدگاه ما و ستاره میزبانش عبور میکند، بخشی از نور ستاره از لایه نازک جو آن عبور کرده و به سمت زمین سفر میکند. گازهای مختلف موجود در جو سیاره، طول موجهای مشخصی از نور فروسرخ را جذب میکنند.
تلسکوپ با تجزیه نور جمعآوریشده به طول موجهای منفرد و مقایسه آنها با دادههای قبل و بعد از عبور سیاره، طیفی کاملی از جو به دست میآورد. این طیف دقیقاً مشخص میکند که کدام طول موجها مسدود شدهاند و در نتیجه، چه عناصر و گازهایی در اتمسفر سیاره حضور دارند.
آزمایش سخت کیهانی در سیاره WASP-39 b
قابلیتهای فروسرخ پیشرفته تلسکوپ جیمز وب، در 10 ژوئیه 2022 یک آزمایش عملی مهم را پشت سر گذاشت. پژوهشگران این تلسکوپ غولپیکر را به سمت WASP-39 b نشانه رفتند؛ یک غاز گازی با جرمی مشابه زحل و دمای سطحی سوزان حدود 900 درجه سانتیگراد. با وجود اینکه این دمای بهمنگیرنده هیچ امکانی برای حیات نمیگذارد، این سیاره بستر فوقالعادهی برای آزمایش قدرت تشخیص جیمز وب بود.
در حدود 8 ساعت، آینههای تلسکوپ فوتونهای فروسرخ را جمعآوری کردند. طیف نهایی به ستارهشناسان اجازه داد تا حضور بخار آب (H₂O)، مونوکسید کربن (CO)، دیاکسید کربن (CO₂) و گاز سدیم (Na) را با قطعیت در جو این سیاره شناسایی کنند.
کارآگاهی مولکولی و رازهای جذب نور
شناسایی گازها در طیف نوری یک سیاره فراخورشیدی، ارتباط تنگاتنگی با دادههای پایهای طیفسنجهای مولکولی در آزمایشگاههای زمینی دارد. مولکولها ساختارهای پیچیدهای دارند و نور فروسرخ را در فرکانسهایی جذب میکنند که با ارتعاشات پیوندهای شیمیاییشان مطابقت دارد. در دماهای بسیار بالا، حرکات چرخشی مولکولها گسترش یافته و شناسایی اثر انگشت آنها در طیف نوری را دشوارتر میکند.
تا به امروز، دانشمندان فرکانسهای ارتعاشی حدود 100 مولکول مختلف را با موفقیت ثبت کردهاند. به عنوان مثال، مشخص است که دیاکسید کربن نور را در طول موج 4.26 میکرون جذب میکند. جاناتان تنیسون، طیفسنج مولکولی از کالج دانشگاهی لندن، توضیح میدهد که محاسبات معمولاً بر اساس جذب نور در دمای اتاق انجام میشود و سپس باید برای دماهای سوزان سیاراتی نظیر WASP-39 b توسعه یابد.
یکی از جذابترین کشفیات در WASP-39 b، کمنور شدن جزئی و غیرمنتظره در طول موج حدود 4.05 میکرون بود. هیچیک از مدلهای اولیه جوی، جذب نور در این طول موج خاص را پیشبینی نکرده بودند. با تکرار این سیگنال در طیف دوم تلسکوپ، جیکوب بین، ستارهشناس دانشگاه شیکاگو، و تیمش پی بردند که با یک پدیده واقعی روبرو هستند. پس از جستوجوی دقیق، متهم رد شده به دیاکسید گوگرد (SO₂) رسید؛ مولکولی که تا آن زمان هرگز در اتمسفر هیچ سیاره فراخورشیدی شناسایی نشده بود.
مشاهدات تلسکوپ جیمز وب تنها یک گام نخست بود. تیم پژوهش برای درک چرایی تولید این گاز، به مدلسازی پیشرفته جوی روی آورد. مدلها نشان دادند که یک مکانیسم حیاتی در حال کار است: فوتونهای پرانرژی فرابنفش ساطعشده از ستاره میزبان، به مولکولهای هیدروژن سولفید (H₂S) برخورد کرده و با شکستن پیوندهای شیمیایی آنها، دیاکسید گوگرد تولید میکنند. این کشف نشان داد که شیمی جوی سیارات فراخورشیدی چقدر میتواند پویا و وابسته به تابشهای ستارهای باشد. این موفقیت بزرگ، مسیر تلسکوپ وب را برای شناسایی زیستنشانگرهای ظریفتر در سیارات صخرهای و قابل سکونت هموار میکند و روز را به زمانی نزدیک میکند که بشر شاید برای نخستین بار، همسایه کیهانی خود را پیدا کند.
