لون عوالم مأهولة

"هذا هو المكان الذي نعيش فيه. على النقطة الزرقاء ، قال كارل ساجان بعد نشر الصورة الشهيرة " النقطة الزرقاء الباهتة ". تم التقاط الصورة بواسطة مسبار الفضاء فوييجر 1 في 14 فبراير 1990 من مسافة 6 مليارات كيلومتر. حتى يومنا هذا ، لا تزال هذه الصورة الفوتوغرافية هي الأبعد صورة للأرض. في فبراير من هذا العام ، بلغت الثلاثين من عمرها ، تكريمًا لها تمت معالجتها باستخدام الأساليب الرقمية الحديثة ، وحصلت على صورة أكثر إثارة للإعجاب. (قابل للنقر) نسخة محدثة من صورة "النقطة الزرقاء الباهتة" باستخدام البرامج والتقنيات الحديثة لمعالجة الصور









نقطة زرقاء باهتة أو كرة زرقاء - على أي حال ، كوكبنا مرتبط باللون الأزرق. وبما أن الأرض هي الكوكب الوحيد المأهول الذي نعرفه ، فمن المنطقي أن نفترض أن الكواكب الأخرى المأهولة ستكون زرقاء. ومع ذلك ، فإن الواقع ليس بهذه البساطة.

ما هو اللون؟

يشير علماء الفلك إلى اللون على أنه شدة الضوء عند طول موجي معين. الضوء عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي (EMP) ينتقل عبر الفضاء مثل الأمواج على سطح الماء. الطول الموجي يحدد اللون. على سبيل المثال ، يبدو لنا EMR بطول موجة يبلغ حوالي 450 نانومتر باللون الأزرق.



ومع ذلك ، فإن ما يعتقده الناس على أنه لون لا يمثل في الواقع سوى جزء صغير من الطول الموجي الكامل للطيف الكهرومغناطيسي. تستطيع التلسكوبات التقاط فجوات في الطيف تتجاوز ما نراه بأعيننا. يمكن أيضًا اعتبار الأشعة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية "لونًا". ستبدو لنا سماء الليل أكثر إشراقًا إذا تمكنا من رؤية النطاق الكامل للنبضات الكهرومغناطيسية.



يمكن لتلسكوب جيمس ويب الفضائي القادم اكتشاف طيف الأشعة تحت الحمراء. موجات الأشعة تحت الحمراءمن الأسهل المرور عبر الغبار والغاز بين النجوم من الضوء المرئي. نتيجة لذلك ، سيكون التلسكوب قادرًا على "الرؤية" عبر هذه العقبات.



والأكثر إثارة للاهتمام ، يمكن أن يخبرنا اللون كثيرًا عن الشيء قيد الدراسة. يرتبط لون النجم بدرجة حرارة سطحه. النجوم الحمراء أكثر برودة ، والنجوم الزرقاء أكثر سخونة. يشير اللون أيضًا إلى تكوين الكائن. يرتبط لون الغلاف الجوي بتكوين الهواء. يشير لون الضوء المنعكس من السطح إلى خصائص هذا السطح. عادة ما يتكون لون الجسم الفضائي من عدة ألوان.



الأرض ليست زرقاء فقط ، بل يختلط لونها بعدة ألوان ، يرتبط كل منها بأسطح وغازات معينة. يترك كل سطح وكل غاز في الغلاف الجوي توقيعه الفريد على موجات ضوء الشمس التي تضربها وتغير لونها نتيجة لذلك. عندما يصطدم الضوء بورقة نبات ، فإن الكلوروفيل الذي يحتويه يمتص بعض طاقة الموجة ، مما يعكس الأجزاء الخضراء والأشعة تحت الحمراء إلى الفضاء. يتم دراسة تفاعل الضوء مع المادة بواسطة علم التحليل الطيفي.





ألوان وانعكاسات الأسطح الأرضية المختلفة





طيف كهرومغناطيسي - لاحظ أن الضوء الذي نراه (المرئي) ليس سوى جزء صغير منه



ماذا عن عالم بعيد - كوكب خارج المجموعة الشمسية - يدور حول نجم؟ يمكن أن يخبرنا لون العالم البعيد عن قابليته للسكن. لا يمكننا استخدام محركات الاعوجاج أو الذهاب إلى الفضاء الفائق للوصول إلى هذه الكواكب ، وبدلاً من ذلك نستخدم المعلومات التي نتلقاها منها بسرعة الضوء.



المشاكل الرئيسية للدراسات الطيفية للكواكب الخارجية المشابهة للأرض مشكلتان.



أولاً ، يفتقر جيلنا الحالي من التلسكوبات إلى الدقة لتمييز الضوء المنعكس من كوكب بحجم الأرض عن نجمه. لهذا ، فإن المسافات إلى هذه الأشياء بعيدة جدًا (تذكر كيف تبدو الأرض صغيرة من مسافة 6 مليار كيلومتر - وهنا نتحدث عن مئات التريليونات). يندمج ضوء النجم والكوكب.



نحن نعلم أن الكواكب الخارجية موجودة ، ونعرف حجمها ، وما إذا كانت مشابهة للأرض ، وحول النجوم التي تدور حولها - لكننا اليوم لا نرى سوى القليل.



ثانيًا ، حتى لو تمكنت تلسكوباتنا من دراسة ضوء كوكب فردي ، فليس لدينا لوحة بألوان من شأنها أن تساعدنا في معرفة ما نراه بالضبط - ليس لدينا ما يمكن مقارنته به. لا نعرف كيف ستبدو الأرض الأخرى ، تدور حول نجم آخر على بعد مئات السنين الضوئية. وستبدو أرضنا بشكل مختلف في ضوء الشمس الحمراء أو الزرقاء.



لحسن الحظ ، نحن نتعامل الآن مع كلتا المشكلتين.





مشاريع التلسكوب في المستقبل



جيل جديد من التلسكوبات عالية الدقة يلوح في الأفق. تلسكوبات الفضاء، ولا سيما جيمس ويب ، HabEx و LUVOIR . التلسكوبات الأرضية - على سبيل المثال ، تلسكوب ماجلان العملاق . سيسمح حلها بفصل الضوء عن كوكب خافت نسبيًا ونجمه المتوهج.



توقع جاك مادن ، وهو طالب دكتوراه في الفيزياء الفلكية بجامعة كورنيل ، أنه يتوقع زيادة في دقة التلسكوب ، بتجميع دليل ألوانلعوالم شبيهة بالأرض تدور حول نجوم أخرى. يمكن استخدام الكتيب ، الذي تم إنشاؤه من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية ، لتفسير ألوان العوالم التي نلاحظها وتحديد صلاحيتها للعيش.





يمكن أن يكون لكوكب خارج المجموعة الشمسية مثل هذا غلاف جوي أزرق يشبه غلاف الأرض. تحت ضوء النجمة الحمراء ، لها صبغة خضراء.



قام مادن بإنشاء محاكاة للأرض من خلال الجمع بين أنواع الأسطح الموجودة على كوكبنا: مياه البحر والبازلت والجرانيت والرمل والأشجار والعشب والثلج والغيوم. أعطيت بعض الكواكب المحاكاة نوع سطح واحد - على سبيل المثال ، كواكب مغطاة بالكامل بالغابات / الغابات (مثل Endor from Return of the Jedi) ؛ عوالم ثلجية (مثل Hoth من The Empire Strikes Back) ؛ عوالم الصحراء (تاتوين من أمل جديد). يحسب بعضها بمزيج من عدة أنواع ، مثل الأرض. لكل كوكب من الكواكب ، تم النظر في خيارات مختلفة ، بما في ذلك تلك التي تحتوي على 70٪ تغطية مائية ، مثل كوكب الأرض ، بدون غيوم على الإطلاق ، أو مع تغطية سحابية بنسبة 44٪ ، مثل متوسطنا.



ثم وُضعت هذه الكواكب في المنطقة الصالحة للسكن من النجوم المحاكاة - على هذه المسافة بحيث تلقت طاقة كافية لإبقاء الماء على السطح في حالة سائلة. تراوحت درجات حرارة سطح النجوم المحاكاة من 3900 كلفن إلى 7400 كلفن ، بما يتوافق مع 12 فئة وفئة فرعية من النجوم ، بما في ذلك الفئات F و G و K.



يشمل هذا النطاق النجوم الأكثر برودة والأحمر مقارنةً بشمسنا ، والتي تقع في الفئة G ولها درجات حرارة سطحية. حوالي 5770 كلفن ، وأكثر سخونة وأكثر زرقة. حتى النجوم الأكثر برودة من الفئة M تم استبعادها من القائمة. للحصول على طاقة كافية ، سيتعين على الكواكب أن تدور بالقرب منها لدرجة تجعلها معرضة لخطر التوهجات الشمسية. علاوة على ذلك ، ستأتي هذه الكواكبدوران متزامن مع النجمة ، ويتحول إليها من جانب واحد.



ونتيجة لذلك ، تمت محاكاة 30 نوعًا مختلفًا من أسطح الكواكب و 12 نوعًا مختلفًا من النجوم. في المجموع ، تم الحصول على 360 كوكبًا مختلفًا بأطوال موجية تتراوح من 0.4 إلى 20 ميكرون (وهو ما يتوافق مع الطيف من الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء).



"الأرض هي مثالنا الوحيد للعالم المأهول. كلما كنا مستعدين بشكل أفضل للعثور على عالم يمكنه دعم السلام ، ولكن ليس مثل الأرض ، كلما أسرعنا في اكتشاف علامات وجوده. باستخدام التلسكوبات الموجودة لدينا والتي يمكنها اكتشاف علامات الحياة في أجواء الكواكب البعيدة ، سنقوم بتجميع مجموعة واسعة من النماذج التي يمكننا مقارنتها بها. استنادًا إلى الظروف التي تمت ملاحظتها ، سنتمكن من معرفة أنواع الأسطح القادرة على الحفاظ على درجة الحرارة اللازمة لوجود الماء السائل "، كتب جاك مادن.





في بعض الأحيان يصطف كوكب خارج المجموعة الشمسية وقمره يدور حول نجم لامع من الفئة F. ينعكس الضوء المتناثر من قمم الغيوم ، ويشكل صورة نارية لجميع المراقبين من زاوية رؤية معينة.

ألوان صالحة للسكن

جعلت الكواكب المحاكاة من الممكن إنشاء دليل للتلسكوبات المستقبلية التي من المخطط أن تصطاد بها الكواكب الخارجية. من خلال مقارنة أطياف الملاحظات مع كواكب تشبه الأرض ، سيكون من الأسهل فهم ما إذا كنا نشهد عالمًا غابًا مغطى بالغيوم ، أو كوكب محيطي ، أو صخرة خالية من الهواء ، أو عالمًا قاريًا به العديد من أنواع الأسطح المختلفة مثل الأرض.



كشفت المحاكاة أيضًا عن تفاصيل التفاعل بين سطح الكوكب والضوء المنبعث من النجم. على سبيل المثال ، على الرغم من أن النجوم الأكثر برودة تبعث طاقة أقل من النجوم الأكثر سخونة ، فإنها تسخن عوالم شبيهة بالأرض بشكل أكثر كفاءة لأن المزيد من الإشعاع يقع في نطاق الأشعة تحت الحمراء.



أنواع مختلفة من الأسطح ، اعتمادًا على كيفية امتصاصها أو عكسها لضوء نجم معين ، تؤثر أيضًا على درجة الحرارة على سطح الكوكب. ستكون الأسطح الزرقاء أكثر برودة تحت ضوء النجم الأزرق ، بينما تمتص الأسطح الحمراء المزيد من الضوء الأزرق وتسخن.



يتغير تباين لون الكوكب أيضًا بسبب خصائص سطحه. الكوكب الصحراوي الذي يدور حول نجم خافت من الدرجة K يمكن أن يكون سطوعه ضعف سطوع كوكب مغطى بالمحيط يدور حول نجم لامع من الفئة F: تعكس مياه البحر ضوءًا أقل من الرمال.



يمكن أن يؤثر نوع سطح الكوكب بشكل كبير على درجة حرارة سطحه وقابليته للسكن ، بالإضافة إلى مدى وضوحه في التلسكوبات لدينا ، اعتمادًا على نوع نجمه. ستساعدنا هذه المعلومات في اختيار النجوم لتلسكوباتنا الفائقة المستقبلية لرصدها ، والكواكب الخارجية التي يمكننا العودة إليها بعد زيادة الدقة.





عينة من مزيج من الضوء المنعكس والمنبعث من محاكاة الكواكب الخارجية. تمثل الكواكب 30٪ من سطحها بأنواع مختلفة و 70٪ من سطح مغطى بمياه البحر ، وكذلك بها سحب وبدون سحب. المحور الصادي هو مقدار الطاقة المنعكس على سطح معين ، والمحور السيني هو الطول الموجي.

التمتع بالحياة

يمكن للضوء المنعكس من الغلاف الجوي للكوكب أن يخبرنا عن تكوينه. عند مروره عبر الغلاف الجوي للكوكب ، يتغير ضوء النجم بسبب وجود بعض الغازات هناك. يمكن للتلسكوبات اكتشاف هذه التغييرات.



من خلال محاكاة كل هذه العوالم ، من الممكن تبسيط مهمة التعرف على وجود غازات مثل الميثان والأكسجين في الغلاف الجوي للكواكب. عادة ، يتم تدمير الميثان والأكسجين بشكل متبادل ، لذا فإن وجودهما المستمر في الغلاف الجوي للكوكب (كما يحدث على الأرض) قد يكون علامة على العمليات البيولوجية الجارية هناك ، واستعادة احتياطيات أحد الغازين أو كليهما.



يمكن أيضًا رؤية النباتات من مسافة بعيدة بفضل ما يسمى. "تأثير الحافة الحمراء" في مدى الطول الموجي حوالي 700 نانومتر - الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء القريبة. تشهد الكواكب المحاكاة المغطاة بالأشجار زيادة كبيرة في الانعكاسية في هذه المرحلة على الطيف. تعكس النباتات الأرضية ضوء الأشعة تحت الحمراء لحماية نفسها من ارتفاع درجة الحرارة أثناء عملية التمثيل الضوئي.



هناك احتمالات أخرى مثيرة للاهتمام لم يتم تضمينها في نماذج مادن. على سبيل المثال ، من غير الواضح كيف سيتغير طيف كوكب ما ، والذي لن يعكس الضوء فحسب ، بل ينبعث منه الضوء أيضًا. قد يكون هذا الضوء نتيجة للإضاءة الحيوية الكائنات الحية على سطح الكوكب (كما في باندورا من الرمزية). سنكون قادرين على اكتشاف مثل هذه الفرص خلال البحث عن الكواكب في المستقبل.



لا يحاكي مادن الخصائص الطيفية للكواكب فحسب ، بل يصنع أيضًا رسومات رقمية حول هذا الموضوع. يتم عرض بعض أعماله في هذه المقالة ، ويمكن الاطلاع على الباقي على موقعه على الإنترنت .