استكشاف الكواكب.. تقنيات البحث عن توائم الأرض خارج المجموعة الشمسية

كانت كواكب خمسة تشكّل خارطة السماء كما بدت لأعين الناظرين من العصور الغابرة، إضافة إلى الشمس والقمر، ونجوم عدّة تناثرت على امتداد البصر قد تجمّعت ضمن كوكبات نجمية مميزة، وفي مرات نادرة كانت المذنّبات تطرق أبواب السماء تاركة وراءها وميضا برّاقا، ولم يكن هناك كثير غير ذلك مما التقطته عين الإنسان.

ومنذ 5 قرون فقط استطاع الإنسان استيعاب كون أكبر مما ظهر له من قبل؛ إذ طرأت على البشرية تطورات تقنية كبيرة رفعت الحجاب عن كوكبين إضافيين في مجموعتنا الشمسية، مع استمرارية البحث عن كوكب آخر إضافي وفقا لزعم العلماء بوجوده، وذلك بسبب الاضطرابات الموجودة في مداري كوكب نبتون وكوكب بلوتو القزم، وهي ناتجة عن وجود جرم سماوي ذي كتلة معيّنة يحوم بالقرب منهما.

استكشاف الكواكب.. طموحات الإنسان تلامس السماء

لم يكتفِ البشر بالنظر ضمن حدود المجموعة الشمسية، فبدت لهم المجموعات النجمية الأخرى هدفا منشودا بعيد الأجل، بغية التوسّع أكثر وأكثر في كون لا حدود له، إضافة إلى محدودية الخيارات المتاحة في المجموعة الشمسية، فالكواكب الواقعة ضمن النطاق الصالح للحياة حول شمسنا محدودة، وتتمثّل بالأرض في المقام الأوّل، وبدرجة أخرى كوكبي المريخ والزهرة اللذين يفتقدان مقومات الحياة الأساسية.

لذا فإن النظر إلى خارج المجموعة الشمسية، حيث الكواكب النجميّة الأخرى البعيدة، يُعد الخيار الأفضل على المدى الطويل، سواءً كان ذلك لغرض الذهاب والاستكشاف أو البحث عن حضارات ذكية أخرى. وجاء أول اكتشاف لكوكب بعيد عن طريق الصدفة (بي كيو ون) في عام 1992 على يد الفلكيين البولندي “ألكسندر فولزكزان” والكندي “ديل فريل”، بعد دراستهما لنبضات نجم نيتروني يطلق نبضاته على هيئة موجات راديوية، بسبب دورانه حول نفسه بسرعات عالية.

وتعد هذه النبضات منتظمة للغاية، ذات فواصل زمنية محدودة وثابتة بين كلّ نبضة والتي تليها، وكان النجم النيتروني “النبّاض 1257+12” الواقع في كوكبة العذراء قد أظهر ملامح بعض الاضطراب في نبضاته، إذ لم تكن منتظمة، وهو ما استعدى المزيد من المراقبة والبحث، حتى توصّل العالمان إلى وجود كوكبين يدوران حوله. كانت كتلة أحدهما 3 أضعاف كتلة الأرض، وبلغت كتلة الآخر 4 أضعاف، ويقعان عند مسافة 2300 سنة ضوئية من الأرض.1

برنامج قطر.. اكتشافات عربية لكواكب نجمية

تدفقت الاكتشافات لعدد من الكواكب في مختلف أرجاء الكون، بإسهامات دولية وأخرى فردية، وبلغ عددها -حتى تاريخ نشر هذا المقال- 5506 كواكب، وفقا لـ”موسوعة الكواكب خارج المجموعة الشمسية” التابعة لمرصد باريس-ميدون، أقدم مرصد فلكي في فرنسا. ولأنّ الكواكب لا تشع نورا في حالتها الطبيعية، بل تعكس ضوء النجم الساقط عليها، فإن عمليتي رصدها ومراقبتها ليستا بالأمر الهيّن.2

وقد كان لبرنامج قطر لاكتشاف الكواكب النجمية الذي قاده الفلكي العربي الدكتور خالد السبيعي في الدوحة دور في اكتشاف عشرة كواكب نجمية بين عامي 2011-2019، وقد سُميت جميعها باسم قطر (Qatar b1- b10).

وضمن ورقة بحثية لمجموعة من الفلكيين صدرت من دار النشر التابعة لجامعة أريزونا الأمريكية في 2014، ضمت الدراسة لمحة عامة عن 5 تقنيات رصد مستخدمة حاليا للكشف عن الكواكب خارج المجموعة الشمسية وهي: دراسة التغيّر في السرعة الإشعاعية، ومراقبة عبور الكوكب أمام النجم، والتصوير المباشر، وقراءة التعديس الجزئي للجاذبية، والقياس الفلكي. 3

وقبل الشروع في الحديث عن تلك الأساليب المتبعة، لا بد من المرور على ما يندرج تحت بند الكوكب، وفقا لتصنيف علماء الفلك، ونمط تلك الكواكب التي يسعى إليها العلماء في عملية بحثهم الشاقة.

تعريف الكوكب.. تصنيف أخرج بلوتو من القائمة

كان اكتشاف الجرم السماوي بلوتو في بداية عام 1930 حدثا بارزا، إذ أضيف إلى المجموعة الشمسية كوكب جديد آخر، ليصبح عددهم 9 كواكب، وظلّ بلوتو حاملا هويته الفلكية أكثر من 7 عقود، حتى عُقد مؤتمر أعضاء الاتحاد الفلكي الدولي في عام 2006 في الجمعية العامة، للبحث عن إشكالية تصنيف الكواكب.

فالاكتشافات التي استمرت منذ لحظة العثور على بلوتو رصدت كثيرا من الأجرام الفلكية المنتشرة داخل المجموعة الشمسية مثل كويكب “سيرس” (Ceres) الواقع في منطقة حزام الكويكبات، وكويكب “إريس” (Eris) الذي صنف كوكبا عاشرا لحظة اكتشافه عام 2005، مما استلزم إعادة صياغة مفهوم الكوكب من جديد.

وقد شملت الصياغة الجديدة 3 معايير لا بد من تحقيقها، لكي يحظى أي جرم سماوي بوصف “كوكب” في مجموعتنا الشمسية وخارجها، وتلك المعايير هي:

• أن يدور الجِرم حول الشمس.
• أن يمتلك الجِرم كتلة كافية تسمح له بالتكور حول نفسه بفعل الجاذبية المركزية (التوازن الهيدروستاتيكي).
• أن يهيمن الجِرم بجاذبيته على مداره، فلا يكون هناك جسم آخر ذو كتلة متقاربة في نفس المدار.

ولقد استوفى بلوتو شرطين من أصل ثلاثة وفشل في الشرط الأخير، إذ إنه لم يكن قادرا على الهيمنة بجاذبيته بشكل كاف في مداره، فسبب وجود قمر تابع له يدعى قمر قارون (Charon)، ويمتلك نصف كتلة بلوتو، بدا أن مدار كويكب بلوتو غير مستقر بسببه. والأمر ينطبق على جميع الأجرام السماوية الأخرى المكتشفة والتي ستكتشف لاحقا.4

النطاق الصالح للحياة.. نقطة وسط بين التجمد والحرارة

بما أن الفضاء فسيح ومكتظ بالنجوم والكواكب، يحصر الفلكيون خياراتهم ضمن نطاقات منطقية تناسب أهداف أبحاثهم، وهي البحث عن كوكب صالح للحياة خارج المجموعة الشمسية. ولتحقيق ذلك، ينبغي تحديد القاعدة الأولى وهي موقع الكوكب من النجم، فلا ينبغي أن يكون شديد القرب فيتعرّض للحرارة العالية، ولا بعيدا جدا فيتجمّد الكوكب. وبمعنى آخر، أن يكون الماء في حالته السائلة على سطح الكوكب، وذلك لأن الماء هو المقوّم الأول للحياة.

وثمّة مجال حول النجم تتحقق فيه الشروط بنسب متفاوتة، ويُطلق عليه النطاق الصالح للحياة (Life Zone)، ويشكل المجال مسافة محددة من النجم بناء على حرارته، فعلى مستوى المجموعة الشمسية، تشير التقديرات إلى أن المنطقة الصالحة للحياة التي تحيط بالشمس تبدأ من 0.9 وحدة فلكية، وتمتد حتى 1.5 وحدة فلكية. والوحدة الفلكية تساوي متوسط المسافة بين الأرض والشمس البالغة 149.6 مليون كيلومتر، وهي المنطقة بين مداري الزهرة والمريخ.5

ونحن نقع تقريبا بالقرب من حافة هذا الغلاف من الجهة الأقرب للشمس. كما أنّ النطاق الصالح للحياة يتفاعل مع الظروف الفلكية التي تحدث مع النجم، فقد يتقلّص أو يتضخم وفقا للمرحلة العمرية من النجم.

“تأثير دوبلر”.. تقنية دراسة التغيّر في السرعة الإشعاعية

بشكل عام، في أيّ نظام، تقع كلّ الأجسام تحت تأثير قوّة الجاذبية، فتدور جميعها حول ما يُعرف بمركز الكتلة (الجاذبية). وعلى مستوى المجموعة الشمسية، وبسبب كتلة الشمس الطاغية، فإن مركز الكتلة في نظام المجموعة الشمسية قريب من مركز الشمس. لكن في مجموعات نجمية أخرى، حين يكون النجم أصغر كتلة، فإن مركز الجاذبية ينزاح مبتعدا عن مركز النجم باتجاه الكوكب الذي يحوم حوله، مما يدفع النجم إلى حركة تذبذبية حول مركز الجاذبية تلك.

وما ندركه جيدا منذ زمن طويل وفقا لفهمنا لطبيعة عمل الأشعة الكهرومغناطيسية، فإنه عندما تتحرّك النجوم نحونا عند رصدها، فإن الطيف الإشعاعي الصادر منها يميل نحو اللون الأزرق، ويُسمى الانزياح نحو الأزرق، وعندما تبتعد النجوم يتغيّر إلى اللون الأحمر، ويُسمى الانزياح نحو الأحمر، وتُعرف هذه الظاهرة بـ”تأثير دوبلر” (Doppler Effect).

وعند قراءة حركة نجم ما، فإنّ الانزياح المتواصل بين الأحمر أو الأزرق بسبب ذبذبة النجم المستمرة حول مركز الجاذبية، يمنح الباحثين تصورا جيدا عن وجود كواكب بمعلومات دقيقة مثل كتلته والمسافة الفاصلة.

وتُعنى هذه التقنية بدراسة التغير في السرعة الإشعاعية للنجم، وهي طريقة غير مباشرة للكشف عن الكواكب، وتكون أكثر فعالية عند النجوم ذات الكتلة الصغيرة. وحتى عام 2012 كانت هذه هي التقنية الأكثر شيوعا حول العالم، حتّى حلّت تقنية “مراقبة عبور الكواكب” بديلا أكثر فعالية.6

أثر العبور.. خفوت جزئي يبوح بأسرار الكواكب

تعتمد التقنية الثانية على أثر عبور الكوكب (Transit) من أمام النجم عند مراقبته، وهو الأمر الذي يتسبب بحدوث خفوت جزئي بضوء النجم، وقد جرى أول اكتشاف لكوكب خارجي باستخدام هذه التقنية في عام 1999.

والأمر مشابه لظاهرة عبور كوكب الزهرة أو عطارد أمام الشمس، وقد تستغرق التقنية وقتا إضافيا بالاعتماد على عمر الدورة الواحدة للكوكب، فعلى سبيل المثال لو كان هناك من يراقبنا، سينتظر عاما كاملا لمشاهدة التأثير الذي تتسبب به الأرض على ضوء الشمس.

وتُظهر الرسومات البيانية تباينا ضئيلا في مقدار الضوء القادم إلى عدسات المراقبة، ولا يمكن تفسير ذلك إلا بدراسة النجم على فترة زمنية طويلة وقراءة نمط الخفوت الحاصل، وعليه نستطيع برهنة وجود كوكب ما. كما يمكن حساب حجم الكوكب نفسه، بناءً على مقدار انخفاض سطوع النجم.

ويمكن أيضا التعرّف على الغلاف الجوّي للكوكب أثناء عبوره، بسبب مرور جزء من هذا الضوء عبر غلافه الجوّي، وهو ما يمنحنا القدرة على تحديد العناصر المختلفة الموجودة في الغلاف الجوّي، وهي ميزة إضافية لدراسة مدى جدوى العيش على سطح ذلك الكوكب المكتشف.7

تقنية التصوير المباشر.. كواكب ترصدها الأشعة تحت الحمراء

لقد اكتُشف أغلب الكواكب خارج المجموعة الشمسية باستخدام الطريقتين السابقتين لمدى فعاليتهما العالية. لكن ثمة طرق أخرى أقل شيوعا مستخدمة، تساهم في تنوّع آليات ووسائل الاكتشاف والرصد، ومنها تقنية التصوير المباشر للكوكب نفسه. وهو ما يمثل تحديا كبيرا، لا سيما في الأطوال الموجية الضوئية المنخفضة، لأن الكوكب الخافت نسبيا يمكن أن يضيع أثره في ظل وهج النجم الذي يدور حوله.

ويستخدم التصوير المباشر رصد الأشعة تحت الحمراء، لأنّ التقنية في هذا الطول الموجي تكون أكثر فعالية، وللمقارنة تُعد الشمس أكثر سطوعا من كوكب المشتري بـ100 مرّة فقط، في حين أننا -بمعاينة الأطوال الموجية المرئية- نجد بأنّ الشمس أكثر سطوعا بمليار مرّة من المشتري. ومع نهاية العام الماضي 2022، اكتشف أكثر من 200 كوكب باستخدام تقنية التصوير المباشر.8

“العدسات الجاذبية”.. انحناء في الضوء يكشف الكواكب البعيدة

هناك تقنية أخرى يستعين العلماء فيها بـ”ظاهرة العدسات الجاذبية” (Gravitational Microlensing)، وذلك عن طريق مراقبة نجمين يصطفان على استقامة واحدة مع الأرض، ولا يلزم أن يكون النجمان قريبين من بعضهما، فيكفي أن يمر ضوء النجم الذي في الخلف، وينكسر بفعل جاذبية النجم الأقرب لنا، ويمكن مراقبة انحناء الضوء بازدياد وانخفاض سطوعه تدريجيا.

وإذا ما كان هناك كوكب يدور حول النجم الأقرب، فإنّ جاذبية الكوكب ستساهم أيضا في إحداث انحناء في الضوء، ولا يمكن رؤية ذلك إلا بمراصد فائقة الحساسية للضوء.

وتتميز هذه التقنية بقدرتها على اكتشاف الكواكب الواقعة على مسافات بعيدة من الأرض، والحديث هنا عن مسافات تصل إلى آلاف السنوات الضوئية، على خلاف ما هو عليه في التقنيات السابقة. وما يعيب التقنية هو استحالة اصطفاف النجمين في خط مستقيم مرّة أخرى، مما يعني أنّ الكواكب المرصودة لن تكون قابلة للرصد مرة أخرى. وقد اكتُشف نحو أكثر من 130 كوكبا بالاستعانة بتقنية قراءة التعديس الجزئي للجاذبية.9

القياس الفلكي.. تقنية صعبة لم تكتشف إلا كوكبين

تشبه تقنية القياس الفلكي (Astrometry) إلى حد كبير التقنية الأولى، دراسة التغير في السرعة الإشعاعية، لكن الفرق هو زاوية مراقبة النظام النجمي، إذ تكون من الأعلى بدلا من الجانب. وبناء على ذبذبة النجم في مدراه حول مركز الجاذبية يمكن تحديد وجود الكوكب من عدمه، وفي هذه الحالة لا يمكن مراقبة حركة النجم إلا بالرصد المباشر المرئي، الأمر الذي يتطلب دراسة دقيقة وبيانات منتظمة جدا، بحكم المسافات الشاسعة التي تفصلنا.

كما أنّ تقنية القياس الفلكي لا تبدو هي المفضلة لدى الفلكيين، لصعوبة تطبيقها على أرض الواقع، لكنها تعد إحدى التقنيات الخمس المرشحة لرصد الكواكب، مع أنه لم يُكتشف إلا كوكبان فقط باستخدام هذه التقنية، منذ ظهورها الأول.

ويحظى اكتشاف الكواكب الخارجية في الفضاء البعيد بقبول كبير لدى المؤسسات المحلية والعالمية، على اختلاف مواقعها الجغرافية، فالجميع يساهم في رسم خريطة الكون. من أجل ذلك فقد أُطلق تلسكوب “تس” الفضائي (TESS) لهذه المهمة سنة 2018، وقد كشف لنا حتى اليوم عن مئات الكواكب النجمية، بدقة كبيرة فاقت كل تكنولوجيات المراصد الأرضية، منها قرابة 50 كوكبا نجميا أصغر حجما من الأرض، وهي تلقى عناية كبيرة، من أجل دراسة صلاحيتها لاستقبال الحياة من عدمه.

 

المصادر:

[1] وينز، جون (2019). كيف تم اكتشاف الكواكب الخارجية الأولى. الاسترداد من: https://www.astronomy.com/science/how-the-first-exoplanets-were-discovered/

[2] محررو الموقع (2023). كتالوغ الكواكب الخارجية المكتشفة. الاسترداد من: http://exoplanet.eu/catalog/

[3] فيتشر، ديبرا وآخرون (2014). ورقة بحثية: أساليب رصد الكواكب الخارجية. الاسترداد من: https://www2.mpia-hd.mpg.de/homes/beuther/fischer.pdf

[4] الشريف، يمان (2020). بلوتو الصغير.. رحلة من عائلة الكواكب العملاقة إلى منفى الأقزام. الاسترداد من: /reports/2020/9/9/%D8%A8%D9%84%D9%88%D8%AA%D9%88-%D8%A7%D9%84%D8%B5%D8%BA%D9%8A%D8%B1-%D8%B1%D8%AD%D9%84%D8%A9-%D9%85%D9%86-%D8%B9%D8%A7%D8%A6%D9%84%D8%A9-%D8%A7%D9%84%D9%83%D9%88%D8%A7%D9%83%D8%A8-%D8%A7%D9%84%D8%B9

[5] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). النطاق الصالح للحياة. الاسترداد من: https://www.britannica.com/science/habitable-zone

[6] ويليمز، مات (2017). ما هي طريقة السرعة الشعاعية؟. الاسترداد من: https://www.universetoday.com/138014/radial-velocity-method/

[7] محررو الموقع (التاريخ غير معروف). ما هي تقنية العبور؟. الاسترداد من: https://exoplanets.nasa.gov/faq/31/whats-a-transit/

[8] محررو الموقع (2022). التصوير المباشر. الاسترداد من: https://lco.global/spacebook/exoplanets/direct-imaging/#:~:text=Direct%20imaging%20uses%20infrared%20wavelengths,times%20brighter%20at%20visual%20wavelengths.

[9] وليامز، مات (2018). ما هي تقنية التعديس الجزئي للجاذبية؟. الاسترداد من: https://www.universetoday.com/138141/gravitational-microlensing-method/#:~:text=One%20of%20the%20more%20commonly,light%20coming%20from%20a%20star.

[10] محررو الموقع (2019). في آخر مهامه.. برنامج قطر الفلكي يكتشف أربعة كواكب جديدة. الاسترداد من: https://www.aljazeera.net/science/2019/3/20/%D8%B9%D8%B4%D8%B1%D8%A9-%D9%83%D9%88%D8%A7%D9%83%D8%A8-%D9%86%D8%AC%D9%85%D9%8A%D8%A9-%D8%AD%D8%B5%D9%8A%D9%84%D8%A9-%D8%A7%D9%83%D8%AA%D8%B4%D8%A7%D9%81%D8%A7%D8%AA-%D9%82%D8%B7%D8%B1#:~:text=%D9%83%D9%88%D9%83%D8%A8%20%D9%82%D8%B7%D8%B1%2D8%D8%A8%3A,%D9%8A%D8%B9%D8%AA%D8%A8%D8%B1%20%D9%83%D9%88%D9%83%D8%A8%D8%A7%20%D8%B4%D8%A8%D9%8A%D9%87%D8%A7%20%D8%A8%D9%83%D9%88%D9%83%D8%A8%20%D8%B2%D8%AD%D9%84