يقع في قلب مركز ناسا لمحاكاة المناخ (NCCS) - وهو جزء من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا - هو اكتشاف الكمبيوتر العملاق ، وهو عبارة عن مجموعة من 129000 نواة من المعالجات المستندة إلى Linux. هذا الكمبيوتر العملاق ، القادر على إجراء 6.8 بيتافلوب (6.8 تريليون) عملية في الثانية ، مكلف بتشغيل نماذج مناخية متطورة للتنبؤ بما سيبدو عليه مناخ الأرض في المستقبل.
ومع ذلك ، بدأت NCCS أيضًا بتخصيص بعض من قوة الحوسبة الفائقة لـ Discover للتنبؤ بالظروف التي قد تكون على أي من أكثر من 4000 كوكب تم اكتشافها خارج نظامنا الشمسي. لم تظهر هذه المحاكاة فقط أن العديد من هذه الكواكب يمكن أن تكون صالحة للسكن ، بل هي دليل إضافي على أن مفاهيمنا عن "قابلية السكن" يمكن أن تستخدم إعادة التفكير.
على الرغم من العدد الهائل من اكتشافات الكواكب الخارجية التي حدثت في العقد الماضي أو نحو ذلك ، لا يزال العلماء مجبرين على الاعتماد على النماذج المناخية لتحديد أي منها يمكن أن يكون "صالحًا للسكن". في الوقت الحاضر ، استكشاف هذه الكواكب عبر المركبات الفضائية أمر غير عملي تمامًا بسبب المسافات الهائلة.
كما تناولنا في مقال سابق ، سيستغرق الوصول إلى أقرب نظام نجمي (Alpha Centauri) ما بين 19000 و 81000 سنة باستخدام الأساليب والتكنولوجيا الحالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المراقبة المباشرة للكواكب الخارجية ممكنة فقط في حالات نادرة باستخدام مقاريب اليوم ، والتي تتضمن عادةً كواكب ضخمة تدور حول نجومها على مسافة كبيرة. تميل هذه الكواكب إلى أن تكون عمالقة غازية ، وبالتالي فهي ليست مرشحة للسكن.
على أي حال ، وجد علماء الفلك أن جميع الكواكب التي تم رصدها خارج نظامنا الشمسي انتقائية تمامًا في طبيعتها. بالنسبة للجزء الأكبر ، كانت الكواكب الخارجية التي تم تأكيدها حتى الآن 4،108 إما عمالقة غازية تشبه نبتون (1375) أو عمالقة غاز شبيهة بالمشتري (1293) أو سوبر إيرث (1273). فقط 161 كوكبًا خارجيًا كانت أرضية (تعرف أيضًا بالصخرية أو "شبيهة بالأرض") في الطبيعة ، وكلها وجدت حول نجوم من النوع M (قزم أحمر).
كما أوضحت إليسا كوينتانا - عالمة الفيزياء الفلكية التابعة لوكالة ناسا التي قادت الفريق المسؤول عن اكتشاف Kepler-186f 2014 ، أول كوكب بحجم الأرض في منطقة صالحة للسكن (HZ):
"لفترة طويلة ، كان العلماء يركزون حقًا على إيجاد أنظمة شبيهة بالشمس والأرض. هذا كل ما نعرفه. لكننا اكتشفنا أن هناك هذا التنوع المجنون في الكواكب. وجدنا كواكب صغيرة مثل القمر. وجدنا كواكب عملاقة. ووجدنا بعضًا يدور حول نجوم صغيرة ونجوم عملاقة ونجوم متعددة ".
كان اكتشاف الكواكب الأرضية التي تدور حول HZs للأقزام الحمراء مصدرًا للإثارة الكبيرة في البداية. ليست هذه النجوم فقط هي الأكثر شيوعًا في كوننا - حيث تمثل 85٪ من النجوم في مجرة درب التبانة وحدها - ولكن تم العثور على العديد من النجوم التي تدور حول النجوم القريبة جدًا من النظام الشمسي.
وهذا يشمل الكواكب الثلاثة التي تدور حول HZ لـ TRAPPIST-1 (على بُعد 39.46 سنة ضوئية) و Proxima b ، أقرب كوكب خارجي إلى الأرض (على بُعد 4.24 سنة ضوئية). لسوء الحظ ، تم إجراء العديد من الدراسات في السنوات الأخيرة التي أشارت إلى أن هذه الكواكب سوف تجد صعوبة في الحفاظ على جو قابل للحياة مع مرور الوقت.
بكل بساطة ، حقيقة أنها أصغر حجمًا وأكثر برودة تعني أن الأقزام الحمراء بها HZs أقرب كثيرًا إلى أسطحها. وهذا يعني أن أي كوكب يدور مع HZ من قزم أحمر من المحتمل أن يكون مغلقًا بشكل مرتب معهم ، مما يعني أن جانبًا واحدًا يواجه باستمرار نحو النجم وعلى الطرف المستقبل لجميع حرارة النجم ، والإشعاع ، والرياح الشمسية.
وبالتالي ، يعتمد ما إذا كانت هذه الكواكب صالحة للسكن أم لا على عدد من العوامل ، مثل وجود جو كثيف ، ووجود الغلاف المغناطيسي ، والوفرة الكيميائية المناسبة. بدلاً من القدرة على رؤية الكواكب مباشرة والتأكد من وجود هذه المكونات للحياة (المعروف أيضًا باسم التوقيعات الحيوية) ، يعتمد العلماء على نماذج مناخية للمساعدة في البحث عن الكواكب الخارجية "التي يمكن أن تكون صالحة للسكن".
وفقًا لكارل ستابلفلت ، كبير علماء الكواكب الخارجية في وكالة ناسا ومقره في مختبر الدفع النفاث ، فإن القدرة على نمذجة المناخات على الكواكب الأخرى ضرورية للغاية. إلى مستقبل استكشاف الفضاء قال "النماذج تقدم تنبؤات محددة وقابلة للاختبار لما يجب أن نراه". "هذه مهمة جدا لتصميم مناظيرنا المستقبلية واستراتيجيات المراقبة."
ببساطة ، تتضمن النمذجة المناخية إنشاء محاكاة لما سيكون عليه مناخ الأرض (أو كوكب آخر) بناءً على ظروف محددة و / أو تغير بيئي. لسنوات ، تم تنفيذ هذا العمل من قبل أنتوني ديل جينيو ، عالم المناخ الكوكبي المتقاعد حديثًا في معهد جودارد لدراسات الفضاء التابع لناسا. خلال حياته المهنية ، أجرى ديل جينيو محاكاة مناخية تشمل الأرض والكواكب الأخرى (بما في ذلك بروكسيما ب).
للتلخيص ، Proxima b هو تقريبًا نفس حجم الأرض و 1.3 مرة على الأقل مثل الكتلة. يدور حول نجمه (Proxima Centauri) مرة واحدة كل 11.2 يومًا أرضيًا وعلى مسافة 0.05 AU (5 ٪ المسافة بين الأرض والشمس). على هذه المسافة ، من المرجح أن يكون الكوكب مقفلًا بجاذبيته لنجمه ، حيث يتعرض أحد الجانبين باستمرار لإشعاع النجم المكثف بينما يتعرض الآخر لظلام مستمر ودرجات حرارة متجمدة.
ومع ذلك ، قام فريق Del Genio مؤخرًا بمحاكاة مناخات محتملة على Proxima b مرة أخرى لاختبار لمعرفة العدد الذي سينتج عنه بيئة دافئة ورطبة قادرة على دعم الحياة. ومن المثير للاهتمام أن هذه المحاكاة أظهرت أن الكواكب مثل Proxima b يمكن أن تكون صالحة للسكن في الواقع على الرغم من كونها مغلقة بشكل تدريجي وكل الإشعاع الذي يتعرض له جانب واحد.
لإجراء هذه المحاكاة ، استخدم فريق Del Genio الكمبيوتر المكتشف الخارق Discover لتشغيل محاكاة كوكبية طوروها بأنفسهم - تسمى ROCKE-3D. يعتمد هذا المحاكي على نسخة من نموذج مناخ الأرض الذي تم تطويره لأول مرة في السبعينيات من القرن الماضي وقاموا بترقيته بحيث يمكنه محاكاة المناخ على الكواكب الأخرى ، استنادًا جزئيًا إلى أنواع المدارات التي قد تكون لديهم وتكويناتهم الجوية.
لكل محاكاة ، قام فريق Del Genio بتغيير الظروف في Proxima b لمعرفة كيف ستؤثر على مناخه. وشمل ذلك تعديل أنواع وكميات غازات الدفيئة في غلافها الجوي ، وعمق وحجم وملوحة محيطاتها ، ونسبة الأرض إلى الماء. من هذا ، تمكنوا من رؤية كيفية دوران الغيوم والمحيطات وكيف يتفاعل الإشعاع من شمس الكوكب مع الغلاف الجوي وسطح بروكسيما.
ما وجدوه هو أن طبقة السحابة الافتراضية لـ Proxima b ستعمل كدرع ، مما يعمل على صرف أشعة الشمس من السطح وخفض درجة الحرارة على الجانب الذي يواجه الشمس من Proxima b. ويتوافق هذا مع البحث الذي أجراه العلماء Sellers Exoplanet En بيئة Collaboration (SEEC) في وكالة ناسا جودارد التي أظهرت كيف يمكن لـ Proxima b أن تشكل غيومًا ضخمة جدًا بحيث تغطي السماء بأكملها.
كما أوضح ذلك رافي كوبارابو ، وهو عالم الكواكب في وكالة ناسا جودارد ، والذي يصمم أيضًا المناخات المحتملة للكواكب الخارجية:
"إذا كان الكوكب مغلقًا بالجاذبية ويدور ببطء على محوره ، تتشكل دائرة من السحب أمام النجم ، تشير دائمًا نحوه. ويرجع ذلك إلى القوة المعروفة باسم تأثير كوريوليس ، الذي يسبب الحمل الحراري في الموقع حيث يقوم النجم بتسخين الغلاف الجوي. تظهر النمذجة لدينا أن Proxima b يمكن أن تبدو هكذا ".
إلى جانب دوران المحيطات ، تعني هذه الدائرة من الغيوم أيضًا أن الهواء الدافئ والماء قادران على الانتقال إلى الجانب المظلم للكوكب ، وبالتالي تحقيق نقل الحرارة وجعل الكوكب بأكمله أكثر كرمًا. قال ديل جينيو: "لذا لا تحمي الغلاف الجوي على الجانب الليلي من التجمد فحسب ، بل تصنع أجزاء على الجانب الليلي تحافظ بالفعل على الماء السائل على السطح ، على الرغم من أن هذه الأجزاء لا ترى أي ضوء.
بالإضافة إلى تداول الحرارة والحفاظ عليها ، فإن الأجواء وتيارات المحيطات مسؤولة أيضًا عن توزيع الغازات والعناصر الكيميائية الضرورية للحياة كما نعرفها - على سبيل المثال. غاز الأكسجين ، وثاني أكسيد الكربون ، والميثان ، إلخ. تُعرف هذه باسم "التواقيع الحيوية" لأنها إما ضرورية للحياة هنا على الأرض أو ترتبط بالعمليات البيولوجية.
ومع ذلك ، "كما نعرفها" هي الكلمة الرئيسية هنا. في الوقت الحاضر ، تبقى الأرض الكوكب الوحيد المعروف للسكن ، وأشكال الحياة المختلفة التي تدعمها هي الأمثلة الوحيدة التي نعرفها. على هذا النحو ، يقتصر البحث عن الحياة خارج الأرض حاليًا على البحث عن التواقيع الحيوية اللازمة (والمرتبطة بأشكال الحياة المعروفة). هذا ما نسميه "نهج الفاكهة المنخفضة".
والأكثر من ذلك ، أن الأرض تطورت بشكل كبير على مدار المليارات القليلة الماضية ، كما تطورت أشكال الحياة التي أطلق عليها اسم المنزل. في حين أن غاز الأكسجين ضروري اليوم لمخلوقات الثدييات ، فإنه سيكون سامًا لبكتيريا التمثيل الضوئي التي ازدهرت في جو ثاني أكسيد الكربون وغاز النيتروجين الذي كان موجودًا على الأرض منذ مليارات السنين.
لذا ، في حين أن هذا النوع من النمذجة لا يمكن أن يقول على وجه اليقين إذا كان الكوكب مأهولًا ، إلا أنه يمكن أن يساعد بالتأكيد في تضييق البحث من خلال إظهار المرشحين الواعدين لأهداف متابعة المتابعة. قال ديل جينيو: "في حين أن عملنا لا يمكنه إخبار المراقبين إذا كان أي كوكب صالحًا للسكن أم لا ، يمكننا أن نقول لهم ما إذا كان الكوكب يتقشر في المدى المتوسط من المرشحين الجيدين لإجراء مزيد من البحث".
سيكون هذا مفيدًا بشكل خاص في السنوات القادمة عندما ينتقل الجيل التالي من المقاريب إلى الفضاء. وتشمل هذه تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، الذي من المقرر إطلاقه في عام 2021 ، وتلسكوب الفضاء تحت الأحمر الواسع النطاق (WFIRST) ، والذي سيتم إطلاقه في عام 2023. إلى جانب المراصد الأرضية مثل التلسكوب الكبير للغاية (ELT) ، هذه ستسمح الأدوات للعلماء بمراقبة الكواكب الصغيرة مباشرة لأول مرة.
كما ستحدث الكوروغرافات مثل Starshade فرقًا كبيرًا من خلال إغراق الضوء من النجوم ، والذي يحجب الضوء المنعكس من الغلاف الجوي للكوكب. وتعني هذه التطورات وغيرها أن الفلكيين سيكونون قادرين على دراسة أجواء الكواكب الخارجية الصخرية أيضًا ، مما سيسمح لهم في النهاية بالاطمئنان على الكواكب "التي يمكن أن تكون صالحة للسكن".
تأكد من التحقق من هذه الرسوم المتحركة لما قد يبدو عليه مناخ Proxima b ، بإذن من فريق Del Genio ومركز NASA Goddard Space Flight Center:
