في الثلاثين عامًا التي تلت اكتشاف الكواكب الخارجية لأول مرة¹، التلسكوبات لديها وكشف الآلاف منهم. أحد أكثر الأشياء إثارة للدهشة بشأن هذه الأجسام، التي تدور حول نجوم أخرى غير شمسنا، هو تنوعها: فهي تتراوح بين كواكب الحمم البركانية الحارقة ذات الغلاف الجوي للصخور المتبخرة إلى عوالم المحيطات، و قد يبدو بعضها مثل الأرض.

تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST)، الذي كان تم إطلاقه في عام 2021، لقد أحدث ثورة في فهمنا للأجواء الجوية لهذه الكواكب، حيث أظهر تفاصيل السحب والضباب التي لم يكن من الممكن فهمها في السابق². بدأ العلماء في تعلم كيفية نقل الرياح والاضطرابات للمركبات في عوالم خارج النظام الشمسي³ويرون عمليات كيميائية تختلف عن تلك الموجودة على الأرض⁴.

تعد مثل هذه الأفكار بإخبارنا المزيد عن كيفية تشكل الكواكب، وربما عن أصول الحياة. لكن العديد من النتائج، مثل التلميحات لمركبات غير مألوفة، يصعب فهمها.

يحتاج مجتمع علوم الفضاء إلى المساعدة من العلماء في المجالات الأخرى للعثور على الإجابات. وهنا، ندعو إلى تعاون أوثق بين الباحثين في مجال الكواكب الخارجية وأولئك الذين يعملون في الغلاف الجوي للأرض والكواكب الأخرى، بالإضافة إلى روابط أقوى بين التجريبيين وواضعي النماذج وعلماء الفلك.

التركيز على الكيمياء الضوئية

لفهم الجزيئات والعمليات التي تحدث في أجواء الكواكب الخارجية، من المهم أن نأخذ في الاعتبار الكيمياء الضوئية، وهي تفاعلات كيميائية يقودها ضوء عالي الطاقة من النجوم القريبة. كانت إحدى عمليات رصد تلسكوب جيمس ويب الفضائي الأولى هي WASP-39 b، وهو عملاق غازي حار ومنتفخ بحجم كوكب المشتري، يدور حول نجم يشبه الشمس على بعد حوالي 215 فرسخ فلكي (700 سنة ضوئية). كشف الطيف الكهرومغناطيسي لغلافه الجوي عن علامات واضحة للجزيئات التي توقع علماء الفلك العثور عليها على مثل هذا الكوكب، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون والماء. لكن منطقة معتمة غير مألوفة بطول موجي يقارب 4 ميكرومتر حيرتهم.

ولأن مجموعة البيانات كانت مفتوحة المصدر، اجتمع مئات من علماء الفلك معًا في عام 2022 في تعاون محموم، تم استضافته على منصة المراسلة Slack، لتحديد الأنواع الكيميائية المسؤولة عن تلك المنطقة المعتمة. وتم اختبار عشرات الاحتمالات قبل أن يتضح أنه ثاني أكسيد الكبريت. وكان هذا مفاجئًا، حيث أن هذا المركب يجب أن يكون نادرًا في الكواكب الغازية العملاقة التي يهيمن عليها الهيدروجين⁵. تم العثور على عملية واحدة فقط لتوليد ثاني أكسيد الكبريت بتركيزات عالية بما فيه الكفاية: الكيمياء الضوئية.

أسرار مماثلة سوف تظهر نفسها في المستقبل. ويجب على واضعي النماذج، الذين يعملون بشكل وثيق مع الكيميائيين النظريين والتجريبيين، تحسين النماذج الكيميائية الضوئية المستخدمة لتفسير هذه البيانات بدقة. والأهم من ذلك، أن هناك نقصًا في البيانات الشاملة حول كيفية تغير معدلات التفاعل ومقاطع الامتصاص العرضية مع درجة الحرارة والضغط في هذه الأجواء الغريبة، فضلاً عن نقص البيانات الخاصة بالجزيئات غير المألوفة في تجربتنا المتمحورة حول الأرض.

جعل النماذج تذهب أبعد من ذلك

إن اكتشاف جزيء معين في الغلاف الجوي لا يكفي لاستنتاج كيفية تشكله. من الممكن أن يكون قد تم نقله من أعماق باطن الكوكب، أو من الممكن أن تكون العديد من المركبات والمسارات الكيميائية قد أدت إلى وجوده، ربما من خلال مسارات تفاعل مختلفة عن تلك الموجودة في النظام الشمسي. لكن النماذج الحالية ترتكز على فيزياء وكيمياء العمليات التي تحدث على الكواكب القريبة منا، من عمالقة الغاز إلى الكواكب الصخرية. لذلك، قد تكون النماذج غير صحيحة، أو تفتقد تمامًا، بعض العمليات الكيميائية أو الفيزيائية التي تحدث في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية.

تشمل العوامل الفيزيائية التي يجب تمثيلها بشكل أفضل في النماذج، نقل وتبادل الجزيئات بين الغلاف الجوي للكوكب وسطحه أو داخله. إن الطريقة التي يدور بها الكوكب – حول محوره وحول نجمه المضيف – يمكن أن تؤثر على كيمياء الغلاف الجوي. على سبيل المثال، تدور بعض الكواكب الخارجية حول نجمها المضيف بحيث لا يضيء سوى جانب واحد فقط، مما يؤدي إلى جانب نهاري حار دائم وجانب ليلي بارد دائمًا. وهذا يعطي توزيعًا مختلفًا تمامًا للغازات عما هو موجود على الأرض. ستعمل النماذج العددية الأفضل على تحسين الإطار العالمي الذي يصف الحركة الجسدية والتكوين الملحوظ لهذه الأجواء.

حجر الزاوية الآخر للنماذج هو المعلمات الكيميائية الضوئية، والتي تحتاج أيضًا إلى نظرة متأنية. إنها تمثل كيفية استجابة الجزيئات للإشعاع النجمي الوارد وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض، ومن خلال أي تفاعلات، ومدى سرعتها. ولجعل الأمور أكثر تعقيدًا، يمكن أن تتغير هذه المعلمات مع الضغط ودرجة الحرارة في الغلاف الجوي. تختلف البيئات الجوية للكواكب الخارجية المرصودة حاليًا عن تلك الموجودة في كواكب النظام الشمسي، وبالتالي يجب أن تحاكي النماذج نطاقًا واسعًا من درجات الحرارة والضغوط والظروف الكيميائية. وهذا يعني قياس أو حساب المعلمات التي ستمثل بشكل أكثر دقة ما يحدث في أجواء الكواكب الخارجية. يتم حساب معلمات التفاعل بشكل مثالي من معدلات التفاعل التي تم قياسها في التجارب المعملية في ظل الظروف ذات الصلة بالكوكب محل الاهتمام، أو من عمليات المحاكاة النظرية القائمة على المبادئ الأولى لميكانيكا الكم.

ومع ذلك، هناك تفاعلات معروفة تفتقر إلى المعلمات (وبالتالي تستخدم النماذج في كثير من الأحيان أفضل التخمينات)، وربما عدد كبير من التفاعلات التي لم يتم اكتشافها بعد.

نقترح هنا مسارين — تجريبيًا ونظريًا — لتوسيع قائمة التفاعلات ومعاملاتها خصيصًا للكواكب الخارجية.

توسيع البحوث متعددة التخصصات

ركزت معظم الأبحاث المعملية المتعلقة بالأجواء الجوية للكواكب الخارجية على بصمات امتصاص الضوء لغازات معينة مثل أكسيد التيتانيوم والفوسفين.⁶، أو على جزيئات الضباب، العالقة في الغاز، والتي يتم إنتاجها من مجموعة متنوعة من المركبات ويمكن أن تؤثر على انتشار الإشعاع النجمي. يتم إجراء التجارب الحالية في غرف يمكنها تكرار نطاق درجات الحرارة والضغوط والتركيبات الكيميائية في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية، وذلك باستخدام المصابيح أو البلازما لمحاكاة الإشعاع النجمي أو التوهجات النجمية أو البرق.⁷.

تُظهر هذه الدراسات تنوع وتعقيد المنتجات الكيميائية التي يمكن توليدها من أجواء تماثلية بسيطة جدًا للكواكب الخارجية، كما أنها توفر معلمات بصرية للمساعدة في تفسير الملاحظات. لكن النماذج الكيميائية الضوئية تُستخدم للتنبؤ بالتركيب الكيميائي للأغلفة الجوية من خلال الاستفادة من شبكات التفاعل بأكملها، وهي مجموعات من مئات إلى آلاف التفاعلات الفردية التي تربط الجزيئات المختلفة ببعضها البعض. لم تقدم الدراسات المعملية الحالية المعلومات الكمية اللازمة لتطوير شبكات التفاعل للكواكب الخارجية.

لبناء هذه القدرة، يجب على مجتمع الكواكب الخارجية أولاً تحديد التقنيات المعملية المطلوبة لإجراء القياسات التي يحتاجون إليها، وقد تم بالفعل تحقيق تقدم كبير^8,9. لدراسة معاملات التفاعل، على سبيل المثال، يجب على العلماء فحص جزيئات محددة أثناء تفاعلها، والمنتجات التي تشكلها.

يمكن إعادة استخدام المعدات من المختبرات المتخصصة في كيمياء الغلاف الجوي الأرضي والاحتراق إلى حد ما. إن استخدام مفاعلات علوم الاحتراق وأنابيب الصدمات، جنبًا إلى جنب مع تقنيات الكشف الطيفي أو قياس الطيف الكتلي، من شأنه أن يؤدي على الفور إلى توسيع نطاقات الضغوط ودرجات الحرارة التي يمكن دراستها. وبدلاً من الأكسجين المتوفر بكثرة في الغلاف الجوي للأرض، يمكن ضبط هذه التقنيات لدراسة أنواع معينة، مثل مركبات الكبريت وغاز الميثان، والتي قد تكون أكثر وفرة في أماكن أخرى. وعلى نحو مماثل، فإن توسيع مجتمع مستخدمي مختبرات علوم الأرض ليشمل علماء الكواكب الخارجية من شأنه أن يساعد في تعظيم العائد العلمي على هذه البنية التحتية باهظة الثمن. ومع ذلك، على المدى الطويل، تحتاج أبحاث الكواكب الخارجية إلى مرافق مخصصة.

ستكون هناك حاجة أيضًا إلى تقنيات جديدة لقياس الجزيئات أو الجزيئات المستهدفة الغريبة خصيصًا للكواكب الخارجية. سيتم تشكيل العلم، على سبيل المثال، من خلال مرصد العوالم الصالحة للحياة، والذي سيركز على الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء القريبة، أو مقياس التداخل الكبير الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة للكواكب الخارجية. ستساعد مفاهيم التلسكوب الفضائي التكميلية هذه على توفير بيانات الرصد المحسنة اللازمة لاختبار وتقييد النماذج الكيميائية والفيزيائية للأغلفة الجوية للكواكب الخارجية. وقد كان هذا هو الحال في مجالات أخرى، على سبيل المثال، مع تقنية التصوير الأيوني التي تم إنشاؤها في مرفق أبحاث الاحتراق التابع لمختبرات سانديا الوطنية في ليفرمور، كاليفورنيا.10. تسجل هذه التقنية سرعة الجسيمات المشحونة الناتجة عن تفكك الجزيء بفعل الضوء أو عند الاصطدام، وقد تم تطويرها في الأصل لتعزيز معرفتنا بالاحتراق.

يمكن أن تحفز الملاحظات المستقبلية تطورات تكنولوجية مماثلة من شأنها أن توفر معلمات دقيقة على المستوى الجزيئي لإبلاغ شبكات التفاعل المستخدمة في النماذج الكيميائية الضوئية لعلم الكواكب الخارجية. علاوة على ذلك، فإن تطوير تقنيات أبحاث الكواكب الخارجية من شأنه أن يفيد في نهاية المطاف مجتمعات علوم الأرض وعلوم الاحتراق أيضًا.

استخدم المبادئ الأولى

ومع ذلك، هناك تفاعلات وجزيئات يصعب أو خطير جدًا فحصها تجريبيًا، حتى في إعدادات المختبر. قد يكون من الصعب دراسة الضغوط المرتفعة والمنخفضة الشديدة للأغلفة الجوية للكواكب الخارجية، أو التفاعلات البطيئة للغاية، بسبب محدودية الأدوات المستخدمة. بالنسبة للتفاعلات البطيئة، يمكن أن تكون التغيرات الدقيقة في التركيز الجزيئي أصغر من الضوضاء العشوائية في الأجهزة؛ عند الضغوط المنخفضة، قد تكون الكثافة الجزيئية أقل من حد الكشف.

في مثل هذه الحالات، يمكن للكيميائيين تطبيق الأدوات النظرية لحساب المعلمات الرئيسية على نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط. ومع زيادة قوة الكمبيوتر وتكامل الذكاء الاصطناعي، تتحسن هذه الحسابات بسرعة من حيث الدقة والكفاءة¹¹. ومع ذلك، يظل من الصعب التنبؤ بدقة بالتفاعلات التي تتضمن جزيئات كبيرة أو ذرات ثقيلة.