در جست‌وجوی زندگی فرازمینی: آیا وجود حیات در سیاره‌های دیگر امکان‌پذیر است؟

ستاره‌شناسان در حال جست‌و‌جوی کیهان برای یافتن ساکنان دیگر جهان هستند و آن‌ها به نقشه راه نیاز دارند. اما کدام سیارات به احتمال زیاد حیات را در خود جای داده‌اند؟

این همان جایی است که تخیل دانشمندان علوم زمین وارد عمل می‌شود. آن‌ها با استفاده از دانش خود در مورد کارکرد جهان ما و آن‌چه باعث رشد زندگی می‌شود، شرایطی مساعد برای زندگی و تشکیل زیست‌کره روی سیاره‌های دیگر را بازنمایی می‌کنند. تحقیقات جدید نشان می‌دهند که برای داشتن یک زندگی زمینی حتما نیازی به سیاره مشابه زمین نداریم. برای دهه‌ها، دانشمندان تنها منطقه گلدیلاکس «Goldilocks» را برای یافتن حیات فرازمینی مورد بررسی قرار می‌دادند زیرا در آن منطقه دما برای مایه حیات «به صورت مایع» کاملاً مناسب است.

برخی دانشمندان می‌گویند اکنون وقت آن است که خارج از منطقه گلدیلاکس فکر کنیم. مکانیسم‌های غیر زمینی می‌توانند سطح گازهای گلخانه‌ای را در سیاره‌های کنترل شده و گرم در سردترین قسمت‌های منظومه شمسی حفظ کنند. همین موضوعات می‌توانند نقشی برجسته در زیست‌پذیری پایدار یک سیاره داشته باشند. «رابین وردزورث»، محقق علوم سیارات در دانشگاه هاروارد می‌گوید: «هنوز فرصت بسیاری برای کشف حقایق سیاره‌ها وجود دارد و منطقه گلدیلاکس تنها یکی از آن‌هاست؛ ما باید در این فرصت شگفت‌انگیز ذهن خود را آزاد بگذاریم تا بتواند حقایق شگفت‌انگیز دیگر را نیز مشاهده کند.»

مایه حیات

وقتی می‌خواهیم از سکونت در سیاره‌های دیگر حرف بزنیم، اولین موضوع وجود آب مایع به عنوان مایه حیات است؛ پس اولین چیزی که برای کشف حیات در سیارات دیگر به دنبال آن هستیم، وجود آب است. اگر سیاره به یک ستاره مثل خورشید بسیار نزدیک باشد، آب‌های آن تبخیر می‌شود و اگر زیاد از آن دور باشد یخ می‌بندد. منطقه گلدیلاکس منطقه‌ای در بین انجماد و تبخیر است، جایی که آب می‌تواند مایع بماند.

هر ارگانیسم شناخته شده در دوره‌ای از چرخه زندگی خود به آب مایع نیاز دارد. «کالین گلدبلات»، دانشمند علوم سیارات از دانشگاه ویکتوریا در کانادا‌ می‌گوید: «ممکن است بتوانیم در جایی به غیر از سیاره زمین ساکن شویم اما برای این کار باید با توجه به دانشی که از زمین داریم شروع به جست‌و‌جو کنیم.»

دانشمندان با تلسکوپ‌های پیشرفته، برای یافتن سیاراتی که مشکوک به حضور آب هستند، تلاش می‌کنند؛ اما این موضوع همیشه ساده نیست و برای پیدا کردن آب تنها تلسکوپ‌های پیشرفته نمی‌توانند چراغ راه ما باشند زیرا آب می‌تواند به صورت زیرسطحی در سیارات دیگر وجود داشته باشد و با تلسکوپ نمی‌توان آن‌ها را مشاهده کرد؛ به عنوان مثال، این همان اتفاقی است که در قمر اروپای مشتری رخ می‌دهد. از طرفی هر حیاتی که مشهود و سطحی نباشد، به طور معمول جو را تغییر نمی‌دهد و در این صورت احتمالاً قابل تشخیص نخواهد بود.

با وجود اعزام کاوشگر به مریخ، دانشمندان هنوز نمی‌توانند به طور قطعی تشخیص دهند که آیا آب‌های زیرزمینی مریخ میزبان حیات هستند یا خیر. به عبارتی برای اینکه زندگی فرازمینی‌ها از دور قابل مشاهده باشد، آب مایع باید به صورت سطحی وجود داشته باشد نه اینکه فقط در زیر زمین پنهان شود. ستاره‌شناسان بیش از ۵۰ سال پیش، وجود آب سطحی را به عنوان یکی از معیارهای اصلی وجود حیات برای فرازمینی‌ها در نظر گرفتند.

چرخه کربن

تحقیقات اولیه روی محدوده گلدیلاکس نشان داد که این منطقه در فاصله‌ای از 0.95 تا 1.01 برابری میانگین ​​فاصله زمین از خورشید قرار دارد. اما پس از آن دانشمندان با پدیده شگفت‌آوری به نام چرخه کربن مواجه شدند که می‌توانست دمای هوا را تا حد خوبی کنترل کند، در این چرخه، کربن از جو به زمین منتقل شده و سپس از آن‌جا دوباره به جو بازمی‌گردد.

چرخه‌های کربنی به نوعی علل ایجاد تعادل در سیاره زمین هستند. اگر کربن زیادی به اتمسفر تزریق شود، به مرور سیاره زمین گرم و گرم‌تر می‌شود تا جایی که مانند سیاره خواهر خود، ناهید تبدیل به کوره‌ای سوزان می‌شود. ذخیره بیش از حد کربن در سنگ‌ها نیز باعث می‌شود زمین پتوی گرمی را از دست دهد و کم‌کم بسان برادر کوچک‌تر خود یعنی سیاره مریخ، سرد و غیرقابل سکونت شود. تعادل در چرخه کربنی همچون ترموستاتی عظیم عمل کرده و دمای متعادل را برای زمینیان به ارمغان می‌آورد.

مطالعه نقطه آغازین چرخه کند کربنی را در واقع می‌توان از بارش باران شروع کرد. جایی که باران دی‌ اکسید کربن موجود در اتمسفر را شسته و با خود به اعماق زمین یا دل دریاها می‌برد. دی‌ اکسید کربن حل شده در آب باران، اسید کربنیک رقیقی تولید می‌کند که سنگ‌های سطح زمین و کف اقیانوس‌ها را در خود حل کرده و این‌گونه وارد چرخه حیات ابتدایی دریاها شده و در نهایت در اعماق زمین ذخیره می‌شود. هر از چند گاهی آتشفشان‌ها یا حرکات صفحات تکتونیکی زمین باعث آزاد شدن حجم بزرگی از این کربن‌های ذخیره‌ شده می‌شوند و بدین روش بخشی از کربن ذخیره‌ شده در چرخه کند کربنی زمین وارد چرخه سریع می‌شود.

اگر آب و هوا هرگز بیش از حد سرد شود، چرخه کربن می‌تواند با افزایش کربن دی اکسید آن را جبران کند؛ به عنوان مثال اگر دما کاهش یابد و بارندگی کم شود، کربن دی اکسید در جو تجمع می‌یابد و در حالی که آتشفشان‌ها به آهستگی  به آزاد کردن کربن دی اکسید اضافی ادامه می‌دهند، دما افزایش پیدا می‌کند و باران بیشتر می‌شود. اگر هوا به حدی گرم شود که یخچال‌ها ذوب شوند و میزان بارندگی افزایش یابد، با تسریع در هوازدگی و پایین آمدن کربن دی اکسید بیشتری از جو، این سیاره سرد می‌شود. البته گیاهان و ارگانیسم‌های دیگر نیز در جذب کربن دی اکسید یا آزادسازی آن در هوا نقش دارند.

این عمل متعادل‌سازی می‌تواند به نگه داشتن سیارات در یک محدوده مناسب برای زندگی کمک کند؛ بنابراین ما تا فواصل طولانی‌تری از خورشید هم می‌توانیم به حیات خود روی زمین ادامه دهیم. «جیمز کاستینگ»، دانشمند و زمین‌ شناس از ایالت پن می‌گوید: «به لطف چرخه کربن، زمین حتی اگر به مدار مریخ هم رانده شود، ممکن است هنوز قابل سکونت باشد.»

از سمتی هر سیاره‌ای که در منطقه قابل سکونت باشد هم لزوماً سازگار با زندگی نیست. با برخی تعاریف زهره و مریخ در منطقه قابل سکونت قرار دارند، اما هیچکدام از آب و هوای قابل زیست سطحی برخوردار نیستند. عوامل دیگر مانند تکتونیک صفحه‌ای ممکن است یک سیاره را قابل سکونت یا غیرقابل سکونت کند. تکتونیک عامل مهمی در چرخه کربن و کنترل کننده دماست؛ زیرا پوسته متحرک کربن را به داخل زمین منتقل می‌کند که بعدا کربن دوباره از آتشفشان‌ها فوران می‌کند. برخی دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که سیاره‌های مشابه زهره و مریخ که فاقد شرایط زمین ساختی صفحه هستند، باید از "فهرست اکتشافات" حذف شوند.

«لیندی الکینز-تانتون»، دانشمند علوم سیارات در دانشگاه ایالتی آریزونا در تمپه، با این نظر مخالف است. او در دسامبر گذشته در جلسه اتحادیه ژئوفیزیک آمریکا در سانفرانسیسکو گفت در سیارات فراخورشیدی، سایر فرایندها می‌توانند کار تکتونیک صفحه‌ای را انجام دهند. او می گوید: «ما باید تصورات خود را در مورد چرخه کربن و فرآیندهای این‌چنینی گسترش دهیم؛ در حال حاضر تمام تصوراتی که از این فرآیندها در ذهن بسیاری وجود دارد، منحصر به قوانین زمینی است.»

یک گزینه دیگر می‌تواند از بین رفتن لایه‌های بیرونی یک سیاره باشد به گونه‌ای که نیازی به پوسته‌های متحرک عظیم نداشته باشد. الکینز-تانتون پیشنهاد می‌کند حتی فقط یک درصد تغییر چگالی می‌تواند گلوله‌هایی از مواد را به اندازه کافی متراکم برای غوطه‌ور شدن در اعماق سیاره تولید کند و نیرومحرکه ایجاد چرخه کربن باشد.

با غرق شدن مواد، میزانی از آب مانند عمل فشردن اسفنج آزاد می‌شود. این آب حاوی کربن است که به سمت سطح آزاد می‌شود. وجود آب باعث پایین آمدن نقطه ذوب سنگ می‌شود. اگر آب کافی جمع شود، چاله‌های مذاب تشکیل شده و فوران‌های آتشفشانی ایجاد می‌شود. این مکانیزم‌ها می‌توانند با هم جایگزین تکتونیک صفحه‌ای زمینی در چرخه کربن شوند. درست است که روند کار بسیار کندتر از تکتونیک صفحه‌ای است، اما می‌تواند آب و هوای برخی سیارات را قابل زندگی نگه دارد.

دمای بالای هوا

البته، چرخه کربن فقط در صورتی مهم است که کربن دی اکسید محرک اصلی جوی باشد که یک سیاره را برای آب مایع مناسب نگه می‌دارد. بسیاری از گازهای گلخانه‌ای دیگر، مانند اوزون یا اکسید نیتروژن، می‌توانند سیاره‌های فراخورشیدی را تا حد خوبی متعادل نگه دارند. یکی از این گازها به شدت کمک‌کننده خواهد بود: هیدروژن.

زمین قبلاً در جو خود هیدروژن بسیار بیشتری داشت. در سال 2013 وردزورث و محقق دیگری از علوم سیارات، «ریموند پیرهومبرت» که اکنون در دانشگاه آکسفورد است، اظهار داشتند که هیدروژن می‌تواند زمین را هنگامی که خورشید خنک است، گرم نگه دارد. آن‌ها در تلاش بودند تا با عنوان کردن این موضوع، پارادوکس تابش ضعیف خورشید را برطرف کنند .

در اوایل تاریخ زمین، حدود 3.8 میلیارد سال پیش، خورشید 20 تا 30 درصد کمتر از اکنون می‌درخشید و گرم نگه داشتن سیاره تازه‌ تشکیل مشکل بود. وردزورث و پیرهومبرت پیشنهاد کردند که اگر هیدروژن با نیتروژن فراوان موجود در جو ترکیب شود، می‌تواند به عنوان یک گاز گلخانه‌ای این مشکل را حل کند. وقتی مولکول‌های هیدروژن و نیتروژن در هوا برخورد می‌کنند، مولکول‌های هیدروژن شروع به لرزیدن می‌کنند؛ این تکانه‌ها دامنه طول موج‌های نوری را که مولکول‌های هیدروژن جذب می‌کنند، افزایش می‌دهد و اثر گلخانه‌ای را تقویت می‌کند. هیدروژن با گذشت زمان از جو زمین فرار کرد. اما در سیاره‌های سنگی بزرگ‌تر با قدرت جاذبه قوی‌تر، این هیدروژن به دام می‌افتد.

با داشتن هیدروژن و نیتروژن کافی، یک سیاره می‌تواند در خارج از منطقه گلدیلاکس مستقر شود. برخی سیارات با توجه به فاصله آن‌ها از خورشید می‌توانند تا حد زیادی یخ زده بمانند مثل پلوتو. از سمت دیگر برخی سیارات در کیهان به تنهایی و بدون هیچ ستاره اصلی ممکن است آنقدر گرم باشند که از حیات پشتیبانی کنند؛ این‌گونه ممکن است حیات روی سیاره‌های دیگر بتواند به شکلی غیر زمینی وجود داشته باشد.

با این حال، مسئله این است که این سیارات برای تنظیم دقیق غلظت هیدروژن و جلوگیری از بیش از حد گرم شدن یا بیش از حد سرد شدن به چیزی شبیه به چرخه کربن نیاز دارند. اشکال حیاتی در حال ظهور می‌توانند هیدروژن سیاره فراخورشیدی را از بین ببرند. بنابراین این سیارات ممکن است به اندازه کافی قابل سکونت باشند تا زندگی پیشرفته تکامل یابد.

پارادوکس سکونت

«دوریان ابوت»، دانشمند علوم سیارات از دانشگاه شیکاگو در جلسه AGU در دسامبر پیشنهاد کرد که میکروارگانیسم‌ها می‌توانند برای حضور هیدروژن در دیگر سیارات مفید باشند. دمای بالاتر باعث سرعت کار آنزیم‌ها و فعالیت میکروب‌ها می‌شود. اگر دما افزایش یابد  میکروب‌های هیدروژن‌دار، هیدروژن بیشتری از جو می‌گیرند و سیاره را خنک می‌کنند. اگر دما بیش از حد کاهش یابد، فعالیت میکروب‌ها هم کاهش پیدا می‌کند و سطح هیدروژن تثبیت می‌شود. گلدبلات در همان جلسه عنوان کرد که توانایی زندگی می‌تواند در آب و هوا و ترکیبات شیمیایی یک سیاره موثر باشد. اینکه بتوان حیات را روی سیاره‌های دیگر یافت و چرخه‌های حیاتی زندگی زمینی را در آن‌ها جست‌وجو کرد کار بسیار سختی است.

گلدبلات افزود: «راه‌های زیادی وجود دارند که یک سیاره بتواند از حیات پشتیبانی کند یا نه، اما روش‌های فهمیدن این موضوعات محدود هستند و انسان شاید نتواند تمام راه‌های ممکن را تجربه کند؛ هدف ما از مطالعات سیارات این است که بتوانیم آن‌ها را رصد کنیم و چیز‌هایی را کشف کنیم که تا به حال تصوری از آن‌ها نداشته‌ایم.»