بقیه کجا هستند؟ این پرسش رایج نشان دهندهی دههها سردرگمی در جستجوی حیات هوشمند فرازمینی (ETI) است. بخشی از ناامیدی‌های اخیر ناشی از واقعیتی است که دانشمندان آن را پارادوکس آسمان سرخ می‌نامند.1 این واقعیت حداقل به پنج موضوع مبهم اشاره دارد.
اولین موضوع این است که ستارگان کوتولهی سرخ با اختلاف زیادی پرتعدادترین ستارگان در کیهان هستند و تقریبا 78 درصد از کل ستارگان هسته‌سوز (ستاره‌هایی که عناصر سبک‌تر را با عناصر سنگین‌تر ترکیب میکنند) موجود در مجاورت خورشید را تشکیل می‌دهند.2 دوم اینکه پروسهی سوختن هسته در این کوتولههای سرخ بسیار طولانی تر از سایر ستارگان است و در مقایسه با خورشید به طور متوسط 20 برابر طولانی‌تر است. سوم اینکه ستارگان کوتولهی سرخ در دورهی سوزاندن هسته‌ی خود، با سرعت بسیار کمتری نسبت به سایر ستارههای هستهای می‌سوزند. این سرعت پایین در سوختن به معنای دمای پایدارتر در سطوح سیاراتی است که به دور این ستاره‌ها میچرخند.
واقعیت چهارم این است که ستاره شناسان سیارات سنگی فراوانی را مشاهده کردهاند که به دور ستارههای کوتولهی سرخ میچرخند. حدود 59 درصد از تمام سیارات سنگی کشف شده تا امروز، توسط ستارگان کوتولهی سرخ میزبانی میشوند.3 مورد پنجم اینکه حدود یک سوم از این سیارات سنگی دمای معتدلی دارند،به این معنی کهفاصلهی آنها با ستارههای میزبان خود به اندازهای است که در طول دورهی سوختن هستهای ستارهی میزبان، امکان وجود مقدار کمی آب مایع حتی در بخش کوچکی از سطح آنها وجود دارد.
با فرض اینکه تمام سیارات سنگی معتدل میزبان حیات میکروبی هستند، و همچنین با فرض اینکه بعد از گذشت زمان کافی یعنی حدود چند میلیارد سال، حیات میکروبی به حیات هوشمند پیشرفته تبدیل شود، پس اکنون باید ETIهای زیادی را در این سیارات مشاهده میکردیم که به دور کوتولههای سرخ در حال چرخش باشند. در واقع اینکه ما هنوز ETIها را مشاهده نکرده‌ایم نوعی تناقض را در این زمینه بیان میدارد. به عبارت دیگر، با توجه به اینکه ستارههای کوتوله سرخ عمری طولانی دارند و بسیار غالب و با درخشندگی پایدار هستند (میانگین درخشندگی آنها به تدریج تغییر میکند) و در به وجود آوردن سیارات سنگی نقشی اساسی دارند، چرا هیچوقت نمیتوانیم به دور یک ستارهی کوتوله سرخ بچرخیم؟
از آنجا که تکامل حیات هوشمند از حیات میکروبی در جهان، یک فرآیند قطعی و سریع نیست (این تکامل طی چند میلیارد سال اتفاق می‌افتد)، میتوان نتیجهگیری کرد ستارههای کوتوله سرخ به دلیل عمر بسیار بیشترشان، مزیتهای بیشتری در این زمینه دارند و این واقعیت باعث میشود پارادوکس آسمان سرخ گیج کنندهتر به نظر برسد.
راهکارهای پیشنهادی برای پارادوکس آسمان سرخ یک اخترفیزیکدان به نام دیوید کیپینگ (David Kipping) در مقالهای که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا منتشر شده، چهار تحلیل ویژه برای پارادوکس آسمان سرخ ارائه کرد.4
شماره 1: اولین راهکار پیشنهادی او این است که ما انسانها به جای چرخش حول محور یک ستارهی کوتوله سرخ، از طریق یک ضربهی تصادفی فوق العاده قوی پدید آمدهایم و در حال چرخش به دور یک ستارهی کوتوله زرد هستیم. یعنی ستاره، سیاره و گونههای ما از نظر آماری بسیار منحصر به فرد هستند.
کیپینگ اولین پیشنهاد خود را اصلا راضی کننده نمیدانست. به گفته وی، این پیشنهاد ممکن است «پارادوکس آسمان سرخ را توجیه کند، اما ابهامات پارادوکس کلاسیک فِرمی را تشدید میکند.5پارادوکس فرمی که به نام فیزیکدانی به نام انریکو فِرمی (Enrico Fermi) نامگذاری شده است، تناقض آشکار بین احتمالات محاسبه شده برای وجود ETIها و در عین حال فقدان شواهد کاملو مستدل برای اثبات وجود ETI هاست.
شماره 2: پیشنهاد دوم کیپینگ این است که تشکیل حیات در سیارهای با آسمان قرمز (آسمانی که توسط ستارگان کوتولهی سرخ روشن شده است) ممکن است محدود باشد. یعنی ممکن است تشکیل حیات نیاز به قرار گرفتن در معرض موجهای پایداری با طول 300 تا 450 نانومتر(طول موجهای بلند فرابنفش، بنفش مرئی و آبی) داشته باشد، نه فقط طول موجهای 600 تا 800 نانومتری (طول موج های نارنجی مرئی، قرمز مرئی و مادون قرمز) که از ستارههای کوتولهی سرخ متصاعد میشوند.
شماره 3: پیشنهاد سوم کیپینگ این است که پنجرهی زمانی برای زندگی پیشرفته در سیارههایی که آسمان سرخ دارند (آسمانی که توسط ستارگان کوتولهی سرخ روشن شده است) ممکن است کوتاه باشد. ستارگان کوتولهی سرخ نسبت به سایر ستارگان، زمان بسیار بیشتری را در مرحلهی پیش توالی اصلی میگذرانند. مرحلهی پیش توالی اصلی، زمان بین تشکیل یک ستاره و آغاز اشتعال همجوشی هستهای در آن است. در واقع ستارگان کوتولهی سرخ زمانی بین 0.1 تا 1.1 میلیارد سال را برای مرحله پیش توالی اصلی سپری میکنند. طی این مرحله، درخشندگی این ستارگان بسیار بیشتر از فاز اصلی سوختن همجوشی هستهای است.6 به احتمال زیاد دلیل این تابش‌های بیشتر، وقوع رویدادهای گلخانهای تبخیر در سیارات حاوی آب مایعی است که به دور این ستارگان میچرخند.7
رویداد گلخانهای تبخیر زمانی رخ میدهد که تابش ستارهی میزبان باعث شودبخش زیادی از آب مایع در یک سیاره به بخار آب تبدیل شود. بخار آب یک گاز گلخانهای است. در واقع بخار آب بیشتر از حد مجاز در جو یک سیاره منجر به بالا رفتن دمای سطح آن میشود که باعث میشود آب مایع بیشتری در سطح سیاره به بخار آب تبدیل شود که مجدد باعث میشود دمای سیاره بالاتر رود و این پروسه ادامه پیدا میکند.
در نهایت، بخار آب زیادی در تروپوسفر سیاره ایجاد میشود که این بخار آب به استراتوسفر سیاره میرود. تابش ستارهی میزبان این بخار آب را در استراتوسفر تجزیه میکند و مولکولهای آب را به اتمهای هیدروژن و اکسیژن تجزیه میکند. هیدروژن حاصل به فضای بین سیارهای میگریزد و بعد از مدتی این فرار هیدروژنی منجر به خشک شدن کامل سیاره میشود.8 در مدت زمانی که ستارههای کوتولهی سرخ فاز پیش توالی اصلی را سپری میکنند، اکثر سیاراتی که به دور ستارههای کوتوله قرمز میچرخند و حاوی آب مایع هستند، در نهایت بعد از مدتی زمانی طولانی خشک میشوند. برای تشکیل حیات در این سیارات، باید قبل از اینکه ستارگان میزبان آنها وارد فاز توالی اصلی شوندتابش آنها به اندازهی کافی پایدار شود.
شماره 4: تحلیل چهارم کیپینگ این است که احتمال تشکیل حیات در سیاراتی به اندازه زمین که معتدل و مرطوب هستند و میزبان ستارههای کوتولهی سرخ هستند، ممکن است بسیار پایین باشد. فناوری ستاره شناسان در حال حاضر به استثنای موارد نادر، تنها قادر به تشخیص سیاراتی است که به دور ستارههای کوتوله سرخِ درخشانتر میگردند. مشخص نیست که آیا تعداد سیاراتی که به دور ستارههای کوتوله قرمز درخشانتر میچرخند، نشانگر تعداد کل ستارههای کوتوله سرخ در فواصل بسیار دور است یا خیر. بعید به نظر میرسد سیاراتی به بزرگی زمین که به دور بزرگترین ستارههای کوتوله سرخ برای میزبانی میگردند، بتوانند به دورستارههای کوچکتر که تعدادشان هم بسیار بیشتر است بچرخند.
اخترشناسان معمولاً فرض میکنند سیاراتی که دمای معتدلی دارند، اکثرا آبهای مایع روی سطح آنها وجود دارد. اما برای ستارههای کوتولهی سرخ،این فرض احتمالاً نادرست است. تعداد سیارات کشف شدهی اندازهی زمین که به دور ستارههای کوتولهی سرخ میچرخند، تحت تاثیر هسته‌ی ابرسیارات بزرگتر از زمین میباشند، یعنی سیاراتی که خیلی بزرگتر از زمین هستند و اتمسفر و اقیانوس‌هایشان توسط تشعشعات ستارگان میزبانشان از بین رفته است.
تحلیلهای دیگر در مورد پارادوکس آسمان سرخ در مقالههای پیشینبا موضوع “چشم، خورشید و زمین برای جلوگیری از نزدیک بینی طراحی شدهاند“، لزوم قرار گیری منظم در معرض نور بنفش مرئی را برای عملکرد بهتر چشم توضیح دادم. در سال 2016 در مقالهای تحت عنوان “همپوشانی مناطق قابل سکونت بسیار کوچکتر میشود“ توضیح دادم که چرا همهی حیات، و نه فقط موجوداتی که چشم دارند، برای ادامهی حیات به طول موج خاصی از نور فرابنفش نیاز دارند. این واقعیت یعنی برای اینکه حیات احتمالی در یک سیاره وجود داشته باشد، باید در مداری که به دور ستارهی خود میچرخد امواج فرابنفش وجود داشته باشد. برای سیاراتی که به دور ستارههای کوتولهی سرخ میچرخند، مناطقی که امواج فرابنفش در آن موجود است هرگز با مناطقی که آب مایع وجود دارد همپوشانی ندارند.
از آنجایی که یکی الزامات برای شکل گیری هر نوع حیات فیزیکی قابل تصور، این است که سیاره یا قمری که به دور ستاره میزبان خود میچرخد باید روی سطح خود دو شرط اساسی آب مایع و امواج فرابنفش وجود داشته باشد، با این فرض شرایط حیات برای هیچکدام از ستارگان کوتوله سرخ به عنوان ستارهی میزبان سیارات دارای حیات وجود ندارد. تنها همین یک دلیل کافیست تاپارادوکس آسمان سرخ را حل شده بدانید.
ستارههای کوتولهی سرخ بسیار سردتر از خورشید هستند. بنابراین، برای اینکه سیاراتی که به دور ستارههای کوتوله قرمز میچرخند، دمای مناسبی برای تشکیل حیات داشته باشند،باید در فاصلهی بسیار کمتر از زمین تا خورشید به دور ستارهی خود بچرخند و این یک مشکل بزرگ ایجاد میکند. هر سیارهای که ضخامت اتمسفر در آنها حداکثر 1%بیشتر از ضخامت اتمسفر زمین (شرایط مورد نیاز برای حیات) باشد و فاصلهاش تا ستارهی میزبان خود کمتر از 90% فاصلهی زمین تا خورشید باشد، به احتمال زیاد میدان الکتریکیاش آنقدر قوی خواهد بود که باعث خشک شدن کامل آن سیاره خواهد شد.9 برای مثال، میدان الکتریکی اتمسفر سیارهی ونوس دارای عظمتی به میزان 10 ولت است.10
علاوه بر این، تمام ستارگان کوتوله سرخ از خود اشعههای قدرتمند فرابنفش و اشعه ایکس ساطع میکنند. ستاره شناسان از تحقیقات موسسهی ماسل (MUSCLE) (مرکز اندازه گیری ویژگیهای طیفهای فرابنفش سیستمهای فراسیارهای کم جرم) استفاده کردند تا ثابت کنند, پرتوهای فرابنفش و اشعه ایکس ساطع شده, در حتی بی خطرترین ستارگان کوتولهی سرخ،برای فرسایش اتمسفر سیارات و تبخیر تمام آب موجود در سیارههایی که به دور این ستارگان میچرخند و شرایط ابتدایی تشکیل حیات را دارند کافیست.11
به علاوه، بر اساس مدل‌های سه‌بعدی مغناطیسی هیدرودینامیکی حاصل از برخورد بادهای ستارهای کوتولههای سرخ نشان میدهد که برای سیاراتی که به دور این ستاره‌ها در مناطق قابل سکونت دارای آب مایع میچرخند، فشار بادهای ستارهای روی این سیارات ۱۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ برابر بیشتر از فشار بادهای خورشیدی بر روی زمین است.12این فشار بیشتر در بادهای ستارهای، مگنتوسفرهای احتمالی موجود در اطراف سیارات را تا حدی فشرده میکند که باعث فرسایش اتمسفر این سیارهها میشود. یعنی فشار بالا در بادهای ستارهای باعث فرسایش اتمسفر و آب سطحی سیارهها شده و شار پرتوهای فرابنفش و اشعه ایکس متصاعد شده از ستاره را سرعت میبخشد.
در نهایت، نیروهای جاذبهای که ستاره بر سیارههای خود اعمال میکند باعث میشود سرعت چرخش محوری سیاره به دور خود تا چهار برابر کاهش یابد. بنابراین فاصله بین یک سیاره تا ستارهی میزبان خود اگر کمی کمتر از فاصلهی زمین تا خورشید باشد، نیروهای جاذبه باعث میشوند که سرعت چرخش محوری سیاره به دور خود تقریباً برابر با دوره چرخش آن به دور ستارهی میزبان خود شود. در چنین سیارهای که به نوعی در اثر جاذبهی قوی نیروی محوریاش قفل شده است، دائما یک نیمکره داغ و نیمکره دیگر سرد خواهد بود. تمام سیاراتی که به دور ستارههای کوتوله سرخ میچرخند و و دارای آبهای سطحی هستند، در اثر این نیروی جاذبه حرکت محوری بسیار ضعیفی دارند13و حتی اگر آب روی نواحی مختلف سطح سیاره وجود داشته باشد (طوری که تمام سطح سیاره را نپوشانده باشد)، آب از تمام نقاط به سمت سردترین نقاط سیاره شروع به حرکت کرده و در آن نقاط یخ میزند.14
مفاهیم فلسفی پارادوکس آسمان سرخ به این معنی است که ستارههای کوتولهی سرخ نمی‌توانند میزبان هیچ سیارهی قابل سکونتی باشند. ترکیبی از عدم وجود اتمسفر، یا آبهای سطحی، وجود اشعه ایکس و تشعشعات اشعهی فرابنفش و شعله‌های مکرر ستارههای میزبان، باعث شده این سیارهها برای هر نوع حیات فیزیکی نامناسب باشند. گریزی از این واقعیت وجود ندارد که 78 درصداز کل سیاراتی که حول محور ستارگان میزبان خود در چرخش هستند، شرایط به وجود آمدن حیات فیزیکی را ندارند.
برای اینکه یک سیاره واقعاً قابل سکونت باشد، نه تنها باید از نظر هوا معتدل و دارای آب مایع باشد، بلکه باید سایر شرایط قابلیت سکونت در یک سیاره را دارا باشد. در حال حاضر سیزده شرط برای قابلیت سکونت در یک سیاره وجود دارد.15 از 4801 سیارهی کشف شده تا به امروز،16 تنها در یک سیاره به طور همزمان تمام 13 شرط قابلیت سکونت وجود دارد. این سیاره همچنین تمام ویژگیهای مورد نیاز برای ایجاد حیات پیشرفته و تمدن جهانی با تکنولوژی بالا را داراست. نام این سیاره زمین است، سیاره ای که گواه یک خلقت دقیق و ممتاز، و نشانهی هوش و قدرت خداوند خالق کتاب مقدس است.
پانویس
ژاکوب حق-میسرا (Jacob Haqq-Misra) ، راوی کومار کوپراپو (Ravi Kumar Kopparapu) و اریک تی ولف (Eric T. Wolf) ، “چرا ما به جای یک ستاره سرخ در اطراف یک ستاره زرد هستیم؟” مجله بین المللی اختربیولوژی 17، شماره. 1 (ژانویه 2018): 77–86، doi:10.1017/S1473550417000118; دیوید کیپینگ (David Kipping) ، “فرمول‌بندی و حل پارادوکسهای آسمان سرخ”، مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا 118، شماره. 26 (ژوئن 2021): e2026808118, doi:10.1073/pnas.2026808118.
گلین کولینسون (Glyn Collinson) و همکاران، “بادهای الکتریکی سیاره ناهید: یک “باد قطبی” جهانی و پایدار مانند یک میدان الکتریکی دوقطبی که برای خروج مستقیم یون‌های یونوسفری سنگین کافی است: سیاره ناهید پتانسیل بسیاری دارد، نامه‌های تحقیقاتی ژئوفیزیک 43 (ژوئن 2016): 5926–5934، doi:10.1002/2016GL068327.
کالیسون (Collinson) و همکاران، “بادهای الکتریکی”.
آلیسون یانگ‌بلود (Allison Youngblood) و همکاران، «بررسی بایگانی موسسه ماسل. IV. ایجاد مقیاس برای شارهای ماوراء بنفش، Ca II K و ذرات پرانرژی از M Dwarfs. مجله اخترفیزیک 843 (ژوئن 2017): 31, doi:10.3847/1538-4357/aa76dd.
روری بارنز (Rory Barnes) ، “قفل در اثر جاذبهی سیارات فراخورشیدی قابل سکونت”، مکانیک در کیهان و نجوم دینامیکی 129 (دسامبر 2017): 509-536، doi:10.1007/s10569-017-9783-7.
کریستن منو (Kristen Menou) ، “جهانهای به دام افتاده در آب”، مجلهی اخترفیزیک 774، شماره. 1 (سپتامبر 2013): 51، doi:10.1088/0004-637X/774/1/51.
It has been described as one of the most “heated and acrimonious debates in biochemistry during the twentieth century,” and its resolution carries implications...
