نگاهی به آینده علم سیارات فراخورشیدی نشان می‌دهد که تلسکوپ بسیار بزرگ اروپایی (ELT) که در آینده پرتاب می‌شود، بهترین شانس ما در دو دهه آینده برای شناسایی نشانه‌های زیستی در جهان‌های صخره‌ای نزدیک است که به دور ستاره‌های دیگر می‌چرخند. این نتیجه یک مطالعه جدید است که برای توصیف جهان‌های خارج از منظومه شمسی با چشم‌انداز وسوسه‌انگیز میزبانی حیات، مانند پروکسیما قنطورس بی (Proxima Centauri b)، شبیه‌سازی شده است.

به نقل از اسپیس، این مطالعه به اخترشناسان اجازه می‌دهد تا اهداف مهم فراخورشیدی را در دهه ۲۰۳۰ و پس از آن بررسی کنند.

اخترشناسان علاوه بر اندازه‌گیری جرم، شعاع و دوره مداری سیارات فراخورشیدی با مطالعه اتمسفر آن‌ها در مورد این جهان‌ها اطلاعات به دست می‌آورند. به عنوان مثال، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) این کار را از طریق طیف‌سنجی گذری انجام می‌دهد. همانطور که یک سیاره از نقطه دید این تلسکوپ عبور می‌کند یا به عبارت دیگر، از مقابل ستاره خود حرکت می‌کند، برخی از تشعشعات ستاره در جو سیاره فیلتر می‌شوند. هر مولکول جوی موجود در اتمسفر آن سیاره می‌تواند نور ستاره را جذب کند. نکته مهم این است که مولکول‌های مختلف در طول موج‌های خاصی جذب می‌شوند و این هر طول موج را امضای یک مولکول خاص می‌کند. به عنوان مثال، جیمز وب به تازگی نشانه‌هایی از متان و دی اکسید کربن را در جو سیاره فراخورشیدی K۲-۱۸b شناسایی کرده است.

با این حال، تلسکوپ‌های ما فقط موفق به دیدن بخش کوچکی از سیارات در حال عبور از جلوی ستاره‌ی خود می‌شوند، به این معنا که دانشمندان باید از ابزار دیگری برای توصیف جو‌های فراخورشیدی استفاده کنند. این برای دنیا‌هایی که گذر ندارند و همچنین دنیا‌هایی که ممکن است بدون فهمیدن ما گذر کنند صدق می‌کند.

یک گزینه در این مورد تصویربرداری مستقیم است، اما تصویربرداری مستقیم از سیارات فراخورشیدی پیشنهاد دشواری است.

در حالی که تاکنون ده‌ها سیاره فراخورشیدی مانند HD ۹۵۰۰۸۶b تصویربرداری شده‌اند، اما همگی جهان‌های جوان و بزرگی هستند که هنوز در نتیجه فرآیند شکل‌گیری خود داغ هستند؛ بنابراین آن‌ها در نور مادون قرمز در حالی که در فاصله‌های زاویه‌ای بزرگ از ستاره والد خود قرار دارند، به شدت می‌درخشند. به عبارت دیگر، ما نمی‌توانیم هیچ جزئیاتی از این جهان‌ها ببینیم، اما در الگو‌های نوری آن‌ها خطوط جذب پنهان مربوط به مولکول‌های جو وجود دارد. با این حال، برای شناسایی این جزئیات طیفی، به یک تلسکوپ بسیار بزرگ برای به دست آوردن سیگنال نور سیاره نسبت به نویز داده‌های پس زمینه نیاز است.

کدام تلسکوپ برای اولین بار حیات بیگانه را کشف می‌کند؟

بنابراین اخترشناسان هویهائو ژانگ (Huihao Zhang)، جی وانگ (Ji Wang) و مایکل پلامر (Michael Plummer)، همگی از دانشگاه ایالتی اوهایو می‌خواستند با سه رصدخانه غول پیکر زمینی که قرار است اولین نور را تا دهه آینده دریافت کنند، آزمایش کنند که این تلسکوپ‌ها تا چه اندازه می‌توانند مشخصات سیارات فراخورشیدی را از طریق تصویربرداری مستقیم تعیین کنند. هدف این بود که ببینیم در مقایسه با طیف‌سنجی گذر که از طریق آینه ۶.۵ متری جیمز وب انجام می‌شود، این تلسکوپ‌ها چقدر بهتر کار می‌کنند.

این سه تلسکوپ زمینی نسل بعدی عبارتند از: تلسکوپ بسیار بزرگ اروپایی ۳۹ متری (ELT)، تلسکوپ سی متری (TMT) و تلسکوپ غول ماژلان ۲۴ متری. این تلسکوپ‌ها در مکان‌های جداگانه‌ای در صحرای آتاکامای شیلی ساخته می‌شوند. در دسامبر سال گذشته اولین بخش آینه‌ای برای تلسکوپ بسیار بزرگ اروپایی به آمریکای جنوبی ارسال شد.

ژانگ می‌گوید: بیان اینکه آیا تلسکوپ‌های فضایی بهتر از تلسکوپ‌های زمینی هستند یا خیر، سخت است، زیرا آن‌ها متفاوت عمل می‌کنند. آن‌ها دارای محیط‌های مختلف و مکان‌های مختلف هستند و مشاهدات آن‌ها تاثیرات متفاوتی دارد.

ژانگ، وانگ و پلامر عملکرد دو ابزار را در تلسکوپ بسیار بزرگ اروپایی شبیه‌سازی کردند. این دو ابزار تصویرگر و طیف‌نگار مادون قرمز میانی (METIS) و طیف‌نگار میدان نوری یکپارچه با وضوح بالا و مادون قرمز نزدیک (HARMONI) بودند. آن‌ها این ابزار‌ها را بر اساس ۱۰ سیاره فراخورشیدی واقعی که به دور ستاره‌های کوتوله قرمز مجاور می‌چرخند، مدل‌سازی و آزمایش کردند که چگونه می‌توانند نشانه‌های زیستی بالقوه مانند اکسیژن مولکولی، دی اکسید کربن، متان و آب را از طریق تصویربرداری مستقیم تشخیص دهند.

ژانگ می‌گوید: هر سیاره‌ای برای تصویربرداری مستقیم مناسب نیست. به همین دلیل است که شبیه‌سازی‌ها به ما یک ایده تقریبی از آنچه می‌دهد که تلسکوپ بسیار بزرگ اروپایی ارائه خواهد کرد.

نتایج ادغام شده بود. سیاره‌ای به نام GJ ۸۸۷b که یک ابرزمین با جرم چهار برابری نسبت به سیاره ماست و به دور درخشان‌ترین کوتوله قرمز آسمان ما در فاصله ۱۱ سال نوری می‌چرخد، بهترین عملکرد را در شبیه‌سازی‌ها داشت. ابزار تصویرگر و طیف‌نگار مادون قرمز میانی به طور خاص ثابت کرد که قادر به تشخیص گاز‌های زیستی در جو سیارات است. در شبیه‌سازی‌ها، این ابزار همچنین توانست همان امضا‌های زیستی را در سیاره‌های فراخورشیدی پروکسیما بی و Wolf ۱۰۶۱c شناسایی کند، در حالی که طیف‌نگار میدان نوری یکپارچه با وضوح بالا و مادون قرمز نزدیک نیز توانست همان تشخیص‌ها را انجام دهد، اما برای انجام این کار به زمان طولانی‌تری نیاز داشت.

با این حال محققان می‌گویند، تلسکوپ بسیار بزرگ اروپایی احتمالا هنگام تلاش برای تصویربرداری و توصیف مستقیم هفت جهان از منظومه تراپیست-۱ (TRAPPIST-۱)، به دلیل «محدودیت‌های مشاهده جو» با مشکل مواجه خواهد شد. در این مورد، طیف‌سنجی گذر جیمز وب اینجا بهتر عمل خواهد کرد، اما حتی این تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری نیز آن را دشوار رصد می‌کند.

نتایج اولیه جیمز وب نشان می‌دهد که درونی‌ترین سیارات تراپیست-۱، یعنی سیارات بی و سی، جو ندارند. ممکن است سال‌ها طول بکشد تا جیمز وب داده‌های کافی برای نتیجه‌گیری در مورد پنج جهان دیگر تراپیست-۱، از جمله سیارات دی،‌ای و اف که در منطقه قابل سکونت هستند را جمع آوری کند.

قابلیت‌ها و محدودیت‌های تلسکوپ بسیار بزرگ اروپایی و جیمز وب حرف آخر را در توصیف سیارات فراخورشیدی نخواهد زد.

براساس جدیدترین بررسی نجومی از آکادمی ملی علوم توصیه می‌شود که توسعه یک تلسکوپ فضایی جدید و غول‌پیکر با حداقل آینه هشت متری تا دهه ۲۰۴۰ پرتاب شود. چنین تلسکوپی برای شناسایی، تصویربرداری و توصیف جهان‌های صخره‌ای در مناطق قابل سکونت در اطراف ستارگان نزدیک، از جمله پروکسیما بی، بهبود یافته است.

تا آن زمان، ژانگ، وانگ و پلامر بر این باورند که نسل بعدی تلسکوپ‌های زمینی بزرگ و جیمز وب می‌توانند ستاره‌شناسان را برای شروع کاوش در سیارات فراخورشیدی دورهم جمع کنند.

نتایج این پژوهش در ماه دسامبر سال ۲۰۲۳ در مجله Astronomical منتشر شد.