לפני כמה חודשים קבוצה של אסטרונומים אקסו-פלנטים של נאס"א, העוסקים בגילוי כוכבי לכת סביב כוכבים אחרים, זימנה אותי לפגישה סודית כדי לספר לי על כוכב לכת שתפס את העניין שלהם. כִּיהמומחיות שליטמון במודל האקלים של כוכבי לכת, הם ביקשו ממני להבין אם כוכב הלכת החדש הזה ראוי למגורים - מקום שבו עשויים להתקיים מים נוזליים.

הקולגות האלה של נאס"א,ג'וש שלידרותלמידיואמילי גילברט,טום ברקליואליסה קינטנה, למד נתונים מ- TESS (לוויין סקר כוכבי הלכת מעבר) כאשר הם גילו את מה שעשוי להיות כוכב הלכת הידוע הראשון של TESS בגודל כדור הארץ באזור שבו מים נוזליים יכולים להתקיים על פני השטח של כוכב לכת יבשתי. אלו חדשות מרגשות מאוד מכיוון שהכוכב החדש הזה קרוב יחסית לכדור הארץ, וייתכן שניתן לצפות באטמוספירה שלו עםטלסקופ החלל ג'יימס וובאו טלסקופים גדולים מבוססי קרקע.

כוכבי לכת אזורי מגורים

הכוכב המארח של כוכב הלכת כיהצוות של גילברט גילהנקרא TESS of Interest מספר 700, או TOI-700. בהשוואה לשמש, זהו כוכב קטן ואפלולי. גודלו ב-40%, רק כ-1/50 מבהירות השמש וממוקם כ-100 שנות אור מכדור הארץ בקבוצת הכוכבים דוראדו, הנראית מחצי הכדור הדרומי שלנו. לשם השוואה, הכוכב הקרוב אלינו, פרוקסימה קנטאורי, נמצא במרחק של 4.2 שנות אור מכדור הארץ. כדי לקבל תחושה של מרחקים אלה, אם היית נוסע בחללית המהירה ביותר (פרקר סולארית פרוב) כדי להגיע לפרוקסימה קנטאורי, ייקח כמעט 20,000 שנה.

ישנם שלושה כוכבי לכת סביב TOI-700: b, c ו-d. כוכב הלכת d הוא בגודל כדור הארץ, בתוך אזור המגורים של הכוכב ומקיף את TOI-700 כל 37 ימים. הקולגות שלי רצו שאיצור מודל אקלים עבור כוכב הלכת d תוך שימוש בתכונות הידועות של הכוכב והכוכב. כוכבי הלכת b ו-c הם בגודל כדור הארץ וגודל מיני-נפטון, בהתאמה. עם זאת, הם מקיפים הרבה יותר קרוב לכוכב המארח שלהם, ומקבלים פי 5 ופי 2.6 מאור הכוכבים שכדור הארץ שלנו מקבל מהשמש. לשם השוואה, ונוס, עולם יבש וחם להפליא עם טמפרטורת פני השטח של כ-860 מעלות פרנהייט, מקבל פי שניים מאור השמש מכדור הארץ.

עד לפני כעשור היו ידועים לאסטרונומים רק שני כוכבי לכת באזור מגורים בכל גודל: כדור הארץ ומאדים. אולם בעשור האחרון, הודות לתגליות שנעשו באמצעות טלסקופים קרקעיים והןמשימת קפלר(שחיפשה גם כוכבי לכת אקזו-כוכבים מ-2009 עד 2019, אך כעת יצאה לפנסיה), אסטרונומים גילו כתריסר כוכבי לכת אקסו-פלנטים בגודל יבשתי. אלה גדולים פי חצי עד פי שניים מכדור הארץ בתוך האזורים הניתנים למגורים של הכוכבים המארחים שלהם.

למרות המספר הגדול יחסית של גילויים קטנים של כוכבי לכת עד כה, רוב הכוכבים נמצאים במרחק של בין 600 ל-3,000 שנות אור מכדור הארץ - רחוקים ועמומים מדי לתצפית המשך מפורטת.

מדוע מים נוזליים חשובים למגורים?

בניגוד לקפלר, המשימה של TESS היא לחפש כוכבי לכת מסביב לשכנותיה הקרובות ביותר של השמש: אלה בהירים מספיק לתצפיות המשך.

בין אפריל 2018 לעכשיו, TESS גילתה יותר מ-1,500 מועמדים לכוכבי הלכת. רובם יותר מפי שניים מכדור הארץ עם מסלולים של פחות מ-10 ימים. לכדור הארץ, כמובן, לוקח 365 ימים להקיף סביב השמש שלנו. כתוצאה מכך, כוכבי הלכת מקבלים באופן משמעותי יותר חום ממה שכדור הארץ מקבל מהשמש והם חמים מדי מכדי שקיימים מים נוזליים על פני השטח.

מים נוזליים חיוניים למגורים. הוא מספק מדיום ליצירת אינטראקציה של כימיקלים זה עם זה. אף על פי שיכולים להתקיים חיים אקזוטיים בלחצים גבוהים יותר, או בטמפרטורות חמות יותר - כמו האקסטרמופילים שנמצאו ליד פתחי אוורור הידרו-תרמיים או החיידקים שנמצאו חצי קילומטר מתחת למעטה הקרח של מערב אנטארקטיקה - התגליות הללו היו אפשריות מכיוון שבני האדם היו מסוגלים ישירות לחקור את הסביבות הקיצוניות האלה. הם לא היו ניתנים לזיהוי מהחלל.

כשמדובר במציאת חיים, או אפילו תנאי מגורים, מעבר למערכת השמש שלנו, בני האדם תלויים לחלוטין בתצפיות מרוחקות. מים נוזליים על פני השטח עשויים ליצור תנאים ראויים למגורים שעלולים לקדם חיים. צורות חיים אלה יכולות לקיים אינטראקציה עם האטמוספירה שמעל, וליצור חתימות ביולוגיות שניתן לזהות מרחוק שטלסקופים מבוססי כדור הארץ יכולים לזהות. החתימות הביולוגיות הללו יכולות להיות הרכבי גז עכשוויים דמויי כדור הארץ (חמצן, אוזון, מתאן, פחמן דו חמצני ואדי מים), או הרכב כדור הארץ הקדום לפני 2.7 מיליארד שנים (בעיקר מתאן ופחמן דו חמצני, וללא חמצן).

אנחנו מכירים כוכב לכת אחד כזה שבו זה כבר קרה: כדור הארץ. לכן, מטרת האסטרונומים היא למצוא את אותם כוכבי לכת שהם בערך בגודל כדור הארץ, המקיפים אותם במרחקים מהכוכב שבהם מים יכולים להתקיים בצורה נוזלית על פני השטח. כוכבי לכת אלה יהיו המטרות העיקריות שלנו לצוד אחר עולמות ראויים למגורים וחתימות של חיים מחוץ למערכת השמש שלנו.

אקלים אפשרי עבור כוכב הלכת TOI-700 d

כדי להוכיח ש-TOI-700 d הוא אמיתי, הצוות של גילברט היה צריך לאשר שימוש בנתונים מסוג אחר של טלסקופ. TESS מזהה כוכבי לכת כשהם חוצים מול הכוכב, מה שגורם לטבילה באור הכוכבים. עם זאת, שקעים כאלה יכולים להיווצר גם על ידי מקורות אחרים, כגון רעש אינסטרומנטלי מזויף או כוכבים בינאריים ברקע המאפילים זה על זה, ויוצרים אותות חיוביים שגויים. תצפיות עצמאיות הגיעו מג'ואי רודריגזבמרכז לאסטרופיזיקה באוניברסיטת הרווארד. רודריגז והצוות שלואישר את זיהוי ה-TESS של TOI-700 dעם הטלסקופ שפיצר, והסיר כל ספק שנותר שמדובר בכוכב לכת אמיתי.

התלמיד שליגבריאל אנגלמן-סויסהוהשתמשתי בתוכנת הדוגמנות שלנו כדי להבין איזה סוג שלייתכן שקיים אקלים בכוכב TOI-700 d. מכיוון שאיננו יודעים עדיין איזה סוג של גזים עשוי להיות לכוכב הלכת הזה באטמוספירה שלו, אנו משתמשים במודלים האקלים שלנו כדי לחקור שילובי גזים אפשריים שיתמכו באוקיינוסים נוזליים על פניו. אנגלמן-סויסה, בעזרת שותפתי הוותיקהאריק וולף, בדקו תרחישים שונים כולל אטמוספירת כדור הארץ הנוכחית (77% חנקן, 21% חמצן, מתאן ופחמן דו חמצני שנותרו), הרכב האטמוספירה של כדור הארץ לפני 2.7 מיליארד שנים (בעיקר מתאן ופחמן דו חמצני) ואפילו אטמוספרה של מאדים (הרבה פחמן דו חמצני) כפי שהיה קיים אולי לפני 3.5 מיליארד שנים.

בהתבסס על המודלים שלנו, מצאנו שאם האטמוספירה של כוכב הלכת TOI-700 d מכילה שילוב של מתאן או פחמן דו חמצני או אדי מים, כוכב הלכת יכול להיות ראוי למגורים. כעת הצוות שלנו צריך לאשר את ההשערות הללו עם טלסקופ החלל ג'יימס ווב.

עולמות חדשים מוזרים והאקלים שלהם

הדמיות האקלים שצוות נאס"א שלנו השלים מצביעות על כך שאטמוספרה דמוית כדור הארץ ולחץ גז אינם מספיקים כדי לתמוך במים נוזליים על פני השטח שלה. אם נשים את אותה כמות של גזי חממה כמו שיש לנו על כדור הארץ על TOI-700 d, טמפרטורת פני השטח בכוכב זה עדיין תהיה מתחת לאפס.

האטמוספירה שלנו תומכת באוקיינוס ​​נוזלי על פני כדור הארץ כעת מכיוון שהכוכב שלנו די גדול ובהיר יותר מ-TOI-700. דבר אחד בטוח: כל המודלים של הצוותים שלנו מצביעים על כך שהאקלים של כוכבי לכת סביב כוכבים קטנים ועמומים כמו TOI-700 מאוד שונה ממה שאנחנו רואים על כדור הארץ שלנו.

תחום כוכבי הלכת החיצוניים נמצא כעת בעידן מעבר מגילוים לאפיון האטמוספרות שלהם. בהיסטוריה של האסטרונומיה, טכניקות חדשות מאפשרות תצפיות חדשות ביקום כולל הפתעות כמו גילוי של צדק חם ומיני נפטון, שאין להם מקבילה במערכת השמש שלנו. כעת נקבע הבמה לתצפית על האטמוספרות של כוכבי הלכת הללו כדי לראות לאילו יש תנאים התומכים בחיים.