זיהוי אדי מים באטמוספירה של כוכב לכת הדומה לכדור הארץ הוא צעד גדול בדרך לגילוי חיים בחלל

כך אומר פרופ’ עמרי ונדל, ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית בראיון לאתר הידען בעקבות הגילוי, שנחזה במאמר שכתב לאחרונה יחד עם פרופ’ יוסף גיל מהמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית, שהתקבל לפרסום בכתב העת International Journal of Astrobiology, אך עדיין לא פורסם ולמעשה מביא עדות תצפיתית לתחזיות שניתנו בו

“זיהוי אדי מים באטמוספירה של כוכב לכת הדומה לכדור הארץ הוא צעד גדול בדרך לגילוי חיים בחלל”. כך אומר פרופ’ עמרי ונדל, ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית בראיון לאתר הידען בעקבות הגילוי, שנחזה במאמר שכתב לאחרונה יחד עם פרופ’ יוסף גיל מהמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית, שהתקבל לפרסום בכתב העת International Journal of Astrobiology, אך עדיין לא פורסם ולמעשה מביא עדות תצפיתית לתחזיות שניתנו בו.

כזכור אתמול חשפו מדענים מקנדה כי הצליחו לאתר אדי מים ואולי אפילו ענני מים נוזליים באטמוספירה של כוכב הלכת K2-18b. כוכב לכת זה מסיבי פי תשעה מכדור הארץ שלנו ונמצא באזור החיים של הכוכב שאותו הוא מקיף. מדובר בכוכב מסוג M קטן וקריר יותר מהשמש שלנו (ננס אדום), אך בשל קרבתו של K2-18b לכוכב שלו, כוכב הלכת מקבל כמעט את אותה כמות אנרגיה כוללת מכוכבו כמו שכדור הארץ שלנו מקבל מהשמש. כוכב הלכת נמצא במרחק של 110 שנות אור, גודלו כפול מכדור הארץ והשנה בו נמשכת 33 ימי-ארץ.

במאמר התיאורטי כותבים החוקרים הישראלים: “נתוני טלסקופ החלל קפלר מראים על שכיחות גבוהה של כוכבי לכת קטנים יחסית (בגודל הדומה עד כפול מזה של כדור הארץ), המקיפים שמשות מסוג ננס אדום בתחום איזור החיים (בו טמפרטורת פני הפלנטה מאפשרת קיום מים נוזליים). לכן כוכבים אלו עשויים להיות יעדים מבטיחים לחיפוש אחר עדויות לקיום ביולוגיה וחיים.”

“כוכבי לכת שמסלוליהם נמצאים באזור החיים של ננסים אדומים הם ככל הנראה נעולים גרביטציונית (מפנים תמיד את אותו הצד לשמש שלהם, בדומה לירח וכדור הארץ). מספר עבודות שהתפרסמו לאחרונה מטילות ספק ביכולתם של כוכבי לכת מסוג זה לקיים חיים. מצד שני, אפשר להראות כי טמפרטורות המתאימות לקיום מים נוזליים ואף מולקולות אורגניות עשויות להתקיים בכוכבי לכת נעולים של ננסים אדומים עבור מגוון רחב של אטמוספרות (A.Wandel (2018, Astrophysical Journal 858, 165 . ”

“המאמר מתאר את האקלים (התפלגות טמפרטורת פני השטח) של כוכבי לכת נעולים כפונקציה של עוצמת הקרינה ותכונות האטמוספרה: אפקט החממה והסעת החום. המודל הקודם (המתואר במאמר מ-2018 ומתאר כוכבי לכת נעולים לחלוטין) מורחב לכוכבי לכת סינכרונים (נעולים חלקית). נמצא כי ננסים אדומים, וגם כוכבים מסוג K (הדומים יותר לשמש שלנו), עשויים לאפשר חיים עבור טווח רחב יותר של מרחק מן השמש ותנאים אטמוספריים, ממה שנהוג היה לחשוב בעבר. ”

“בפרט נטען כי בכוכבי לכת כאלה סביר שיתקיימו תנאים המתאימים לחיים ובפרט לפוטוסינתזה וחמצן, אשר בכדור הארץ היו המפתח להתפתחות חיים מורכבים. נסקרו תסריטי אקלים שונים והמשמעות הביולוגית של נעילה גרביטציונית לחיים מורכבים. אנו מראים שכאשר מביאים בחשבון את ההשפעה של קרינה רציפה, כמות הקרינה הזמינה לפוטוינתיזה (PAR) בכוכבי לכת נעולים או סינכרוניים, בפרט כאלו הסובבים שמשות מסוג ננס אדום, עשויה לייצר פרודוקטיביות צמיחה גבוהה, באנלוגיה לצמיחה של אמצע הקיץ בקווי רוחב צפוניים על כדור הארץ. ”

“בהמתנה לממצאי טלסקופי החלל TESS (הפועל כבר כיום) ו-JWST  (טלסקופ החלל ג’יימס ווב הצפוי לשיגור ב 2021) המאמר דן בהשלכות התוצאות שלעיל לגילוי סמנים ביולוגיים כמו מים נוזלים וחמצן, וגם לשכיחות כוכבי הלכת עם ביולוגיה וחיים.”

כאמור, מכיוון שהמאמר עדיין בשלבי הגהה, הוסיפו ונדל וגיל הערה (note added in proof) בדבר אישוש התחזית שלהם שבה התגלו אדי המים בכוכב הלכת K2-18b.

בראיון לאתר הידען אומר פרופ’ ונדל: “חזינו שטלסקופ החלל ג’יימס ווב שיחליף את האבל יהיה מספיק חזק כדי לאתר את ההרכב הכימי של כוכבי לכת קטנים ורחוקים יחסית מהשמש שלהם. בסופו של דבר, טלסקופ החלל האבל הצליח גם הוא לבצע את ההפרדה הספקטראלית הנדרשת כדי להבין את הרכב האטמוספירה.”

כידוע, מרבית כוכבי הלכת התגלו בשיטת המעברים, כלומר שינוי קל ביותר בעוצמת האור של כוכב, כאשר כוכב הלכת חולף לפניו, כפי שזה נראה מנקודת הראיה שלנו. אם צופים במעבר כזה באורכי גל שונים אפשר להסיק מכך על הרכב האטמוספירה. לא האמנו שלהאבל תהיה קיבולת לקלוט מספיק אור כדי לבצע את ההפרדה הספקטרלית.

באיזו טכניקה השתמשו החוקרים כדי לגלות את אדי המים ב-K2-18b?

“כידוע אנחנו לא מסוגלים לראות באופן ישיר כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש למעט מקרים מעטים. באותם מקרים מדובר בצדקים חמים – כוכבי לכת גדולים כמו צדק אבל קרובים מאוד לשמש שלהם, ולכן מאוד חמים ואז האטמוספירה שלהם לוהטת ופולטת קווים שאפשר לגלות את הספקטרום שלהם אבל לכוכבים קטנים מסדר גודל של כדור הארץ, כוכבי לכת סלעיים שעליהם יש סיכוי לחיים גם הגודל וגם הטמפרטורות הנמוכות יחסית שלהם לא איפשרו גילוי כזה. אנחנו מוגבלים לגילוי כוכבי לכת שעוברים לפני השמש שלהם בצורה מחזורית. כל פעם שכוכב הלכת מתייצב לפני השמש שלו אנו חווים עמעום קטן באורו של הכוכב – זו השיטה שבה פעל למשל טלסקופ החלל קפלר שגילה אלפי כוכבי לכת בארבע שנות פעילותו. אבל שיטה זו אינה מספיקה לניתוח הרכב האטמוספירה. כדי לנתח את האטמוספירה משתמשים בעובדה שהאטמוספירה מגיבה באופן שונה לאורכי גל שונים. למשל אדי מים בולעים את האור באורך גל מסוים ולא באחרים אם נסתכל על המעבר של כוכב הלכת  בתחום זה נוכל לראות שהעמעום חזק יותר במעט משום שאנו צופים לא רק בקרקע כוכב הלכת אלא גם באטמוספירה שלו האטומה לתדרים אלה.

במאמר הגילוי בנייצ’ר מהשבוע, מראים החוקרים סדרה של תצלומי מעבר באורכי גל שונים, ובאלה שמתאימים לאדי מים, הירידה קצת עמוקה יותר, הכוכב נראה קצת גדול יותר כי גם האטמוספירה משתתפת בהסתרת השמש באורכי גל זה. באורכי גל אחרים שאינם נבלעים באטמוספירה, רק פני הקרקע של הפלנטה מסתירים את השמש ולכן הירידה קצת קטנה יותר. ”

ואיך המאמר שלכם מתייחס לנושא?

פרופ’ ונדל: כבר שנים שאני ופרופ’ גיל מפרסמים סדרת מאמרים שבהם אנחנו מנסים ליצור תמונה של כוכבי לכת סביב ננסים אדומים ומבקשים לראות באיזו מידה הם יכולים להתאים לחיים. ההתאמה לחיים מתבססת על שני פרמטרים עיקריים. הראשון –  האם יש סיכוי שיהיו בהם מים נוזליים – כלומר אם הטמפ’ שלהם תאפשר מים נוזליים והפרמטר השני הוא האם האטמוספירה שלהם יכולה לשרוד את הפעילות האינטנסיבית של הננס האדום במיליארדי השנים הראשונות להתפתחותו.

בנינו מודל שמביא בחשבון באופן סכמטי את האטמוספירה שבה מידות החום על פני כוכב לכת לא תלויות רק במרחק מהשמש שלו ובהרכב השמש אלא גם בהרכב האטמוספירה. במאמר החדש אנו מראים שלפחות באופן תיאורטי, כי בכוכבי לכת נעולים כבידתית המקיפים ננסים אדומים יש מנעד של אטמוספירות ורבים מהם מקיימים מים נוזליים.

מה בדבר זיהוי חמצן שהוא סמן חזק יותר לחיים?

גילוי כזה הוא הגילוי החשוב הבא בתור. הצעד הבא יהיה לנסות לזהות חמצן או אוזון באטמוספירה של כוכב הלכת הזה או אולי באחרים. החוקרים יצרו סדרה של מודלים אפשריים להרכב אטמוספירה ושלושה מהמודלים התאימו לתצפיות והמודלים הכילו מימן והליום, אדי מים ומודל אחד הכיל גם חנקן, והמודלים נבנו כשבחלקם יש עננים ובאחרים אין. החמצן הגיע לאטמוספירה של כדור הארץ בגלל פעילות הפוטוסינתיזה של יצורים ימיים מיקרוסקופיים במשך מיליארדי שנים, עובדה שהוא לא נמצא באטמוספירה של אף כוכב לכת אחר במערכת השמש, אבל חמצן יכול להיווצר גם מפירוק מים, ולכן כדי להיות בטוחים שיש שם חיים צריכים גם לגלות מתאן ודו תחמוצת הפחמן.”

לסיכום אומר פרופ’ ונדל: “זו הפעם הראשונה שמצליחים לגלות אטמוספירה וחתימה ספקטרלית של כוכב לכת הדומה בגודלו לכדור הארץ ובאיזור החיים. מה ששיחק לטובת כוכב הלכת היא העובדה שהוא  מאסיבי פי 8 וכוח המשיכה שלו גדול פי 2 מכדור הארץ ולכן הוא יכול להחזיק אטמוספירה יותר מאסיבית. כאמור, המאמר שלנו טרם התפרסם בדפוס, אלא רק ברשת וכבר קיבלנו אישור ישיר, תצפיתי”.

עוד בנושא באתר הידען:

• התגלו מים בכוכב לכת שנמצא באזור החיים של כוכבו (11/9/2019)
• “שני כוכבי הלכת שהתגלו השבוע סובבים ננס אדום בקרבת השמש הם מועמדים טובים לחיפוש אחר חיים”
• האם יש חיים בכוכב הלכת הקרוב ביותר, פרוקסימה קנטאורי b ?