زمینی در همسایگی؟ راهنمای مختصر سیاره «پروکسیما-b»

کشف اخیر سیاره فراخورشیدی «پروکسیما b» در اطراف نزدیک‌ترین ستاره به خورشید، آن‌هم به ابعاد حداقل ۱.۳ برابر زمین، و از آن‌ مهم‌تر در محدوده‌ای از محیط پیرامون ستاره‌اش که تعادل دمایی کافی برای پایداری آب مایع (در صورت میزبانی از یک جو پایدار) را تضمین کرده، امیدها به شناسایی هرچه‌بهتر این دنیاهای فراخورشیدی را قوت بخشیده است؛ چراکه توقع نمی‌رود هیچ نمونه مشابه دیگری از این نزدیک‌تر به زمین پیدا بشود.

اهمیت این فرصت، در پرتو مدعیات چند ماه پیش یوری میلنر، میلیارد روسی، مبنی بر امکان‌پذیری انجام یک سفر بیست‌ساله با فضاپیمایی بی‌سرنشین به سرعت ۲۰ درصد سرعت نور تا همین نزدیک‌ترین همسایه خورشید، حتی پررنگ‌تر هم می‌شود.

در این مقاله می‌کوشم این کشف را در امتداد مسیر ارتقای ابزارآلات رصدی و فناوری‌های تشخیصی، به منزله نقطه‌ پایانی بر «استثنایی» خواندن منظومه‌‌های میزبان سیارات فراخورشیدی تلقی کنم؛ مسیری که تنها ۲۱ سال پیش با کشف نخستین سیاره فراخورشیدی در اطراف یک ستاره خورشیدمانند آغاز شد.

سیاره پروکسیما-b در اطراف ستاره پروکسیما-قنطورس، نزدیک‌ترین ستاره یافت‌شده به منظومه شمسی – با فاصله تنها ۴.۲ سال نوری از ما – می‌چرخد.

پروکسیما-قنطورس ستاره‌ای نسبتاً کم‌جرم و به قطر یک‌هفتم خورشید است، که در رده «کوتوله‌های قرمز» جا می‌گیرد – ستارگانی نسبتاً سرد (از مرتبه دمای سطحی حداکثر ۴۰۰۰ درجه)، که فراوان‌ترین نوع از ستارگان کهکشان ما به شمار می‌روند. در واقع از هر ده ستاره راه شیری، هشت ستاره از نوع کوتوله قرمز است؛ اما از آنجاکه بخش اعظم خروجی نورشان در قسمت مادون قرمز طیف واقع شده، هیچ‌کدام‌شان را با چشم غیرمسلح نمی‌توان مشاهده کرد – حتی همان پروکسیما-قنطورس را.

به نظر می‌رسد این ستاره، سومین عضو از منظومه ستارگان دوتایی «آلفا-قنطورس» باشد؛ اما به‌واسطه فاصله بسیار زیاد آن با این دو ستاره (معادل ۱۵ هزار برابر فاصله زمین تا خورشید)، احتمال می‌رود که هر دفعه حرکت انتقالی‌اش در این منظومه، ۵۰۰ هزار سال به طول بیانجامد.

پیش‌تر احتمال می‌رفت که در اطراف ستاره «آلفا-قنطورس B» (یکی از دو ستاره منظومه آلفا-قنطورس) هم سیاره‌ای در حال چرخش باشد؛ اما بررسی‌های بیشتر، حق را به خطای آماری داد (هرچند که هنوز احتمال وجود سیاره‌ای به گرد این ستاره، منتفی نیست). اما کشف سیاره پروکسیما-b، هم‌اینک با قوت بیشتری اعلام می‌شود؛ چراکه از پشتیبانی دست‌کم یک دهه مشاهدات مستمر و دقیق برخوردار است.

این سیاره نه به‌طور مستقیم، بلکه به‌طور غیرمستقیم و از طریق تأثیر آن بر ستاره پروکسیما-قنطورس کشف شده است. می‌دانیم که حتی ماه هم نه واقعاً به گرد «مرکز» زمین، بلکه به گرد «مرکز ثقل» زمین و ماه می‌چرخد؛ نقطه‌ای که حدود ۴۶۷۰ کیلومتر از مرکز زمین فاصله دارد (هرچند که کماکان «درون» زمین واقع شده است). همین باعث شده تا زمین هم از پی چرخش ماه، رقص ملایمی را به نمایش بگذارد.

همین شرایط برای منظومه پروکسیما-قنطورس نیز مصداق پیدا می‌کند؛ به‌طوریکه به مجرد چرخش سیاره پروکسیما-b، ستاره پروکسیما-قنطورس هم حرکات بسیار ناچیز اما محسوسی دارد. این حرکات، از طریق «اثر دوپلر» بر نور ستاره تأثیر می‌گذارند.

ملموس‌ترین مصداق اثر دوپلر، همان تغییر بسامد صدای متناوب آژیر آمبولانس حین گذشتن از کنار ماست. امواج صوتی، به مجرد نزدیک‌تر شدن آمبولانس به ما، با بسامدی بیشتر (و لذا صدایی زیرتر)، و به مجرد دورتر شدن‌اش، با بسامدی کمتر (و لذا صدایی بم‌تر) شنیده می‌شوند.

همین پدیده در خصوص امواج نوری هم مصداق پیدا می‌کند: امواج خروجی از یک منبع نور، به مجرد نزدیک‌تر شدن منبع به فرد ناظر، با طول موجی کوتاه‌تر (و با تمایلی بیشتر به سمت آبی طیف)، و به مجرد دورتر شدن‌اش، با طول موجی بلندتر (و با تمایلی بیشتر به سمت قرمز طیف) دریافت می‌شوند. لذا تغییر متناوب و منظم طول موج یک ستاره می‌تواند حاکی از حرکت متناوب و منظم آن ستاره در راستا و خلاف راستای دید ناظر باشد (این حرکت، با کمیتی تحت عنوان «سرعت شعاعی» سنجیده می‌شود).

این همان روشی است که در سال ۱۹۹۵ به کشف نخستین سیاره فراخورشیدی در اطراف یک ستاره خورشیدمانند (تحت عنوان «۵۱-فرس اعظم») انجامید؛ اما در آن مورد، سرعت شعاعی ستارهْ ۷۰ متر بر ثانیه بود، و در مورد ستاره پروکسیما-قنطورس، ۱ تا ۲ متر بر ثانیه. تاریخچه کوتاه اما متنوع کشف فراخورشیدی‌ها را می‌توان در همین ارتقای هفتادبرابری دقّت ابزارآلات محاسباتی خلاصه کرد؛ چراکه در هر مقطع، انواع تازه‌ای از این سیارات هم (به اقتضای ظرفیت ابزارآلات رصدی) هویدا می‌شدند.

از «مشتری‌های داغ» تا «لکه سرخ رنگ‌پریده»

سرعت شعاعی‌ای از مرتبه ۷۰ متر بر ثانیه، چنانچه حتی در حرکات ستاره‌ای به قطر ۲۴۰۰ برابر زمین هم یافت بشود، عددی چشمگیر ا‌ست. کافی‌ست تصور کنید که حرکت انتقالی مشتری (بزرگ‌ترین سیاره منظومه‌مان)، خورشید را با سرعتی از مرتبه تنها ۱۱ متر بر ثانیه جابجا می‌کند. بنابراین اولین سیاره فراخورشیدی کشف‌شده، می‌بایست لقمه‌ای بزرگ‌تر از حتی غربال گشاد فناوری‌های تشخیصی اواسط دهه ۱۹۹۰ باشد: سیاره‌ای گرچه با جرم تقریباً نصف مشتری، اما به فاصله تنها ۷ میلیون کیلومتر از ستاره‌اش، که تأثیر گرانشی محسوسی را بر آن می‌گذارد. این فاصله، پنج برابر از فاصله عطارد نسبت به خورشید کمتر است. از همین‌رو هم این نخستین سیارات فراخورشیدی یافت‌شده را اصطلاحاً «مشتری‌های داغ» (hot Jupiters) نامیدند.

از آنجاکه تأیید وجود یک سیاره فراخورشیدی، «تکرار» الگوی مشخصی را در نور ستاره میزبان می‌طلبد، و این تکرار هم به ازای هر دفعه چرخش کامل سیاره به گرد آن ستاره (یا در رأس هر «سال» آن سیاره) رخ می‌دهد، اولین سیارات فراخورشیدی یافت‌شده، در فواصل بسیار نزدیکی به ستارگان‌شان واقع بودند. این موضوع، احتمال عبور سیاره از برابر قرص ستاره (در صورت هم‌خطی صفحه منظومه شمسی با صفحه آن منظومه) را هم افزایش خواهد داد؛ احتمالی که برای نخستین بار تنها سه سال از پی کشف نخستین سیاره فراخورشیدی به وقوع پیوست. در آن مورد، سیاره مزبور ابتدا به روش سرعت شعاعی تشخیص داده شد، و رصدهای بعدی، افت متناوب نور ستاره میزبان در اثر عبور آن سیاره از مقابل قرص‌اش (با دوره تناوب ۳ روز و نیم) را مشخص ساخت (اقدام اکتشافی‌ای که به «روش گذر» معروف است). این سیاره، حجمی در حدود ۲.۵ برابر مشتری، و فاصله‌ای هشت برابر نزدیک‌تر از عطارد نسبت به خورشید، تا ستاره میزبان خود دارد.

حدود یک دهه به طول انجامید تا ابزارآلات نورسنجی، حساسیت کافی برای تشخیص سیاراتی کوچک‌تر از مشتری و در حد و ابعاد نپتون را با روش گذر پیدا بکنند. اولین نمونه از این «نپتون‌های داغ»، در فاصله‌ای پانزده برابر نزدیک‌تر از عطارد نسبت به خورشید، در اطراف ستاره «گلیس ۴۳۶» پیدا شد.

دو سال بعد، و با آغاز مأموریت تلسکوپ فضایی کپلر، موجی از یافته‌های تازه به فهرست سیارات فراخورشیدی افزوده شد (و هنوز هم به یمن تحلیل همان داده‌ها، می‌شود). این تلسکوپ، در تمام طول مأموریت پنج‌ساله‌اش به محدوده مشخصی از آسمان (با میزبانی از حدود ۱۵۰ هزار ستاره) نگریست، تا بدین‌وسیله سیاراتی که از قضا از مقابل قرص ستاره‌شان می‌گذرند را تشخیص بدهد. موقعیت منحصربفرد این تلسکوپ بر فراز جو زمین و به دور از آشفتگی‌های آن، محدودیت «ابعاد» این سیارات احتمالی را زدود، و بدین‌وسیله کشف فراخورشیدی‌های تازه تنها به دوره تناوب‌شان (که می‌بایست از مدت پنج‌ساله مأموریت کپلرْ کوتاه‌تر باشد تا به «تکرار» یک گذر و تأیید وجود یک سیاره بیانجامد) محدود شد (نگاه کنید به: کشف ۱۲8۴ سیاره جدید: مروری بر اصطلاحات و تفاسیر).

بدین‌وسیله، کمتر از دو سال بعد (در سال ۲۰۱۱)، نخستین سیاره فراخورشیدی احتمالاً سنگی هم (به ابعادی در حدود تنها ۱.۴ برابر زمین)، در فاصله‌ای بیست برابر نزدیک‌تر از فاصله عطارد تا خورشید، در اطراف ستاره «کپلر-۱۰» یافت شد.

لذا با گذشت زمان، احتمال کشف سیارات مشابهی در فواصل نسبتاً دورتر از ستاره مادرشان هم قوت یافت؛ تا جایی‌که در سال ۲۰۱۴، پژوهش‌گران این مأموریت اعلام کردند که موفق به کشف نخستین سیاره احتمالاً زمین‌مانند واقع در «کمربند زیست‌پذیر» پیرامون ستاره‌اش (تحت عنوان «کپلر-۱8۶ف») هم شده‌اند. کمربند زیست‌پذیر به محدوده‌ای از اطراف یک ستاره گفته می‌شود که با فرض وجود یک سیاره سنگی با یک جو پایدار در آن منطقه، آب می‌تواند که به حالت «مایع» بر سطح آن جریان یابد. اگرچه «آب» ترکیب نادری در جهان هستی نیست، اما «مایع» بودن آن وضعیتی نادر است و جزو ضروریات حیاتی که می‌شناسیم، محسوب می‌شود.

طبق تازه‌ترین برآوردها، این محدوده در منظومه شمسی ما شامل فواصل حداقل ۰.۹۹ تا حداکثر ۱.۶ برابر فاصله زمین تا خورشید می‌شود (محدوده‌ای که از بین کل سیارات منظومه ما، تنها زمین و مریخ در آن واقع شده‌اند؛ و کشف اخیر جریانات فصلی شورابه در مریخ هم با چنین برآوردهایی همخوانی دارد. نگاه کنید به: کشف آبراهه‌های فصلی مریخ: حل معمایی از قرن نوزدهم). اما فاصله و ابعاد نسبی این منطقه در سایر منظومه‌ها، بسته به نوع ستاره مادر، تغییر می‌کند. مثلاً در همان منظومه کپلر-۱8۶ف، کمربند حیات، از فواصل ۰.۲۳ تا ۰.۴۶ برابر فاصله زمین تا خورشید را شامل می‌شود؛ چراکه برونداد انرژی ستاره میزبان، حدوداً نصف خورشید است.

حال، با اتمام فاز اصلی مأموریت تلسکوپ کپلر، می‌توان به برآوردی از فراوانی نسبی سیارات فراخورشیدی بر حسب ابعادشان رسید. نمودار ذیل، این فراوانی نسبی را در بین مجموع ۳۵۰۰ سیاره فراخورشیدی یافت‌شده تاکنون به نمایش می‌گذارد:

همانطور که در این نمودار پیداست، اکثریت نسبی جمعیت فراخورشیدی‌ها به سیاراتی با جرم حداقل ۱.۲ و حداکثر ۳.۱ برابر جرم زمین تعلق می‌گیرد؛ یعنی سیاراتی که به احتمال فراوان، ماهیتی «سنگی» دارند.

پس کشف سیاره‌ای با جرم حداقل ۱.۳ برابر زمین در اطراف یک ستاره کوتوله قرمز همچون پروکسیما-قنطورس (که 8۰ درصد جمعیت ستارگان کهکشان‌مان را به خود اختصاص داده‌اند)، چندان کشف دور از انتظاری نیست. تنها مسأله‌ای که اعلام چنین کشفی را به تعویق انداخت، نقش احتمالی ستاره میزبان در ایجاد الگوهای یادشده‌ای بود که به‌عنوان تنها مدرک موجود از وجود چنین سیاره‌ای در اختیارمان هستند. کوتوله‌های قرمز، بر خلاف ستارگان خورشیدمانند، به‌واسطه ناپایداری‌های ذاتی‌شان فعالیت‌های چشمگیری دارند، و فوران ماده از آن‌ها هم می‌تواند الگوهای دوپلری‌ای شبیه به تغییر سرعت شعاعی ستاره را سبب بشود.

از همین‌رو هم هرچند که بخش عمده‌ای از داده‌های مربوط به کشف سیاره پروکسیما-b، به حدفاصل سالیان ۲۰۰۰ تا ۲۰۰8 مربوط می‌شد (و می‌شد الگویی شبیه به نوسان سرعت شعاعی را در آن‌ها یافت)، اما می‌بایست ابتدا احتمال نقش ناپایداری‌های ستاره در ایجاد چنین الگوهایی منتفی بشود. به همین‌واسطه دانشمندان متولّی این پژوهش، علاوه بر تحلیل مجدد این داده‌ها، دو برنامه رصدی موازی را هم در حدفاصل اواسط ماه ژانویه تا پایان ماه مارچ ۲۰۱۶ (به مدت مجموعاً دو ماه و نیم) به ثمر رساندند: یکی طیف‌سنجی مجدد از نور پروکسیما-قنطورس به مدت ۲۰ دقیقه در هر شب؛ و دیگری، نورسنجی دقیق از این ستاره و بررسی الگوی فعالیت آن طی همین مدت.

با تفریق داده‌های نورسنجی از داده‌های طیف‌شناختی، بالاخره معلوم شد که الگوی تناوبی طیف این ستاره (با دوره تناوب ۱۱.۲ روز) همچنان پابرجاست؛ و این بدین‌معنا بود که قطعاً پای سیاره‌ای در میان است – سیاره‌ای که کاشفان آن به‌واسطه نزدیکی نسبی‌اش به زمین، و به تبعیت از عنوان دورترین عکس موجود از زمین (که توسط فضاپیمای ویجر-۲ از فاصله ۳.۷ میلیارد کیلومتری زمین تهیه شده، و به عکس «لکه رنگ‌پریده آبی» معروف است)، آن را «لکه رنگ‌پریده قرمز» نامیدند.

احتمال‌ها و امیدها

متأسفانه سیاره پروکسیما-b در زاویه مناسبی که امکان رصد گذرش از برابر قرص پروکسیما-قنطورس فراهم باشد، واقع نشده است (و انتظارش هم می‌رفت؛ چراکه چنین احتمالی از تنها ۱.۳ درصد تجاوز نمی‌کند).

پس کل اطلاعات موجود از این سیاره، به داده‌های مربوط به روش طیف‌سنجی مبتنی است؛ و در این روش، نمی‌توان حکم دقیقی راجع به ابعاد سیاره صادر کرد. تنها چیزی که می‌توان به قطعیت گفت این است که ابعاد این سیاره، «حداقل» ۱.۳ برابر زمین است، و هر ۱۱.۲ روز یک‌بار هم به گرد پروکسیما-قنطورس می‌چرخد. این بدین‌معناست که فاصله این دو جرم، هشت برابر کمتر از فاصله عطارد تا خورشید است. اما از آنجا که برونداد انرژی پروکسیما قنطورس، تنها ۰.۱۷ درصد خورشید است، طبیعتاً کمربند زیست‌پذیر تنگ‌تری هم دارد، و احتمال می‌رود که پروکسیما-b در حاشیه داخلی آن واقع شده باشد.

اما کاربرد لفظ «زیست‌پذیر»ی برای این سیاره هنوز زود است. ما به قطعیت نمی‌دانیم که این سیاره آیا سنگی است یا نه؛ گرچه کفه سنگی بودن‌اش به هر احتمال دیگری می‌چربد.

اگرچه فاصله آن تا ستاره‌اش مطلوب است، اما مشخص نیست که چه پیشینه‌ای را از سر گذرانده: احتمال وجود آب در یک سیاره، بستگی نزدیکی به این دارد که چه پیشینه‌ای را از سر گذرانده است (کمااینکه در نبود مشتری، احتمال راه یافتن آب به حتی زمین خودمان هم بسیار کم می‌بود. در این‌باره نگاه کنید به: مشتری، روزنه‌ای رو به داستان پیدایش). از طرفی، به‌ واسطه فاصله نزدیک‌تر پروکسیما-b تا ستاره مادرش، انتظار می‌رود که در خوشبینانه‌ترین حالت، این سیاره در معرض چیزی در حدود یکصدبرابر حجم پرتوهای ایکسی که زمین از خورشید دریافت می‌کند، باشد؛ که این خبر بدی برای حیات خواهد بود. این فاصله‌ی نزدیک‌تر، احتمال آنکه این سیاره در یک «قفل گرانشی» با ستاره‌اش گیر افتاده باشد را هم افزایش می‌دهد؛ وضعیتی شبیه به وضعیت ماه و زمین، که در آن تنها یک سمت سیاره به سمت ستاره‌اش خواهد بود.

البته گفتنی است که اطلاعات‌ ما راجع به این موارد نومیدکننده هم همان‌قدر احتمالاتی است که راجع به امتیازات امیدوارکننده‌اش. حیاتْ حتی بر روی همین زمین خودمان هم پیش‌بینی‌ناپذیرتر از آن است که به شرایط معینی تن بدهد، و بعید نیست که سیاره پروکسیما-b، میزبان انواع غیرمنتظره‌ای از آن باشد (هرچند که این هم احتمالی بیش نیست).

بهترین فرصتی که نزدیکی پروکسیما-قنطورس در اختیارمان قرار داده، امکان تصویربرداری مستقیم از این سیاره با فناوری‌های قریب‌الوقوع رصدی خواهد بود – چالشی که در آن می‌بایست نور ستاره اصلی را پوشاند تا سیاره رخ بنماید (هرچند که جدایی زاویه‌ای این دو جرم، از ۱ ‌صد‌هزارم درجه تجاوز نمی‌کند). در اینصورت احتمالاً بتوان طیف جو احتمالی این سیاره را گرفت و از ترکیبات شیمیایی سازنده‌اش اطمینان یافت.

اما وسوسه‌برانگیزترین احتمال، امکان «ملاقات» مستقیم با این منظومه همسایه را مدنظر دارد؛ احتمالی که حتی پیش از اعلان عمومی کشف پروکسیما-b هم دست‌مایه طرح مدعای بلندپروازانه یوری میلنر، میلیارد روسی، بود: یک سرمایه‌گذاری یکصدمیلیون‌دلاری برای اعزام یک مأموریت فوق‌سبک‌وزن به پروکسیما-قنطورس، آن‌هم ظرف مدت‌زمانی کمتر از بیست سال.

ایده اصلی طرح میلنر، اعزام «نانو-فضاپیما»هایی با جرم تنها چندین گرم و مجهز به سازه‌های بادبانی‌شکل وسیعی است که شتاب لازمه را از طریق فشار تابشی یک آرایه‌ از لیزرهای پرقدرت زمینی تأمین می‌کنند. انرژی این پیشرانه لیزری به حدی خواهد بود که چنانچه فناوری تولید بادبان‌های فوق‌بازتابنده‌ای که چنین انرژی‌ای را جذب «نکنند» (و لذا تبخیر نشوند، و در عوضْ آن را به انرژی جنبشی بدل کنند) معرفی بشود، تزریق تنها ۲ دقیقه از این انرژی، برای تأمین سرعت مطلوب این مأموریت‌ها (از مرتبه ۲۵ درصد سرعت نور) کفایت خواهد کرد.

اما از همین ایده هم پیداست که بخش اعظم فناوری‌های چنین طرحی هنوز حتی به مرحله صورت‌بندی نهایی هم نرسیده‌اند؛ که مهم‌ترین‌شان امکان‌پذیری ساخت نانوفضاپیماهاست.

عبور از چنین سد فناورانه‌ای، پرسش از امکان‌پذیری صدمات احتمالی وارده به مأموریت‌مان در طول چنین مسیر طولانی‌ای را پیش خواهد کشید: با سرعتی در این حد، برخورد حتی یک دانه غبار میان‌ستاره‌ای به قطر ۱۵ میکرون کافی‌ست که کل فضاپیما را نابود بکند. اگرچه احتمال چنین برخوردی بسیار پایین ارزیابی می‌شود، اما احتمال برخورد به ذرات ریزتر (و حتی اتم‌های گاز میان‌ستاره‌ای) منتفی نخواهد بود، و می‌بایست از سد چنین چالشی هم با طراحی یک ارگونومی ویژه برای فضاپیماها، یا حتی تولید سپرهای فوق‌مقاوم گرافیتی، گذشت. اگرچه مسیر یک سفر احتمالی به منظومه پروکسیما-قنطورس خوشبختانه از صفحه منظومه شمسی (که محل تجمع بخش اعظم ماده میان‌سیاره‌ای است) نمی‌گذرد، اما اطلاعات‌مان راجع به منظومه مقصد تقریباً در حد صفر است (آن‌قدر که نمی‌دانیم صفحه این منظومه نسبت به صفحه منظومه ما چه زاویه‌ای می‌سازد).

با این حساب، باید منتظر ماند و دید که مهلت پنج‌ساله امکان‌سنجی انجام چنین مأموریت‌هایی دست‌کم چه پاسخ‌های نظری‌ای را به بالغ بر بیست چالش مطرح‌شده در برابر یک سفر بی‌سرنشین به نزدیک‌ترین همسایه‌ ستاره‌ای‌مان خواهد داد.

در مجموع، کشف سیاره پروکسیما-b در نزدیک‌ترین فاصله ممکن به منظومه ما، کشفی نه غیرمنتظره، بلکه هیجان‌انگیز است؛ که نشان از تکثر و تنوع قابل توجه سیارات فراخورشیدی و به‌ویژه انواع سنگی‌شان دارد. پروکسیما-b از امروز می‌تواند جزو وسوسه‌برانگیزترین مقاصد رؤیاپردازی‌های بشر باشد.