في حين أن الأرض هي المكان الوحيد المعروف في الكون مع الحياة، فإن اكتشاف الحياة خارجها هو هدف رئيسي لعلم الفلك الحديث وعلوم الكواكب.

ويدرس كريس إمبي، أستاذ جامعي متميز في علم الفلك، ودانييل أباي، أستاذ علم الفلك وعلوم الكواكب، جامعة أريزونا، الكواكب الخارجية وعلم الأحياء الفلكي. وبفضل جزء كبير من تلسكوبات الجيل التالي مثل جيمس ويب، سيتمكن باحثون مثلهما قريبا من قياس التركيب الكيميائي للأغلفة الجوية للكواكب حول النجوم الأخرى.

قد توجد الحياة في النظام الشمسي حيث توجد مياه سائلة - مثل طبقات المياه الجوفية على سطح المريخ أو في محيطات قمر المشتري يوروبا. ومع ذلك، فإن البحث عن الحياة في هذه الأماكن أمر صعب للغاية، حيث يصعب الوصول إليها، ويتطلب اكتشاف الحياة إرسال مسبار لإعادة العينات المادية.

ويعتقد العديد من علماء الفلك أن هناك فرصة جيدة لوجود الحياة على الكواكب التي تدور حول نجوم أخرى، ومن المحتمل أن يكون هذا هو المكان الذي ستوجد فيه الحياة أولا.

وتشير الحسابات النظرية إلى أن هناك حوالي 300 مليون من الكواكب التي يحتمل أن تكون صالحة للحياة في مجرة ​​درب التبانة وحدها، والعديد من الكواكب الصالحة للحياة بحجم الأرض في غضون 30 سنة ضوئية فقط من الأرض - وهي المجرات المجاورة للبشرية.

وحتى الآن، اكتشف علماء الفلك أكثر من 5000 كوكب خارج المجموعة الشمسية، بما في ذلك المئات من الكواكب التي يحتمل أن تكون صالحة للحياة، باستخدام طرق غير مباشرة تقيس كيفية تأثير كوكب ما على نجمه القريب. ويمكن أن توفر هذه القياسات لعلماء الفلك معلومات عن كتلة وحجم كوكب خارج المجموعة الشمسية، ولكن ليس أكثر من ذلك.

ولاكتشاف الحياة على كوكب بعيد، سيدرس علماء الأحياء الفلكية ضوء النجوم الذي تفاعل مع سطح الكوكب أو الغلاف الجوي. وإذا تم تغيير الغلاف الجوي أو السطح بفعل الحياة، فقد يحمل الضوء دليلا يسمى "التوقيع الحيوي".

وخلال النصف الأول من وجودها، كانت الأرض تتمتع بغلاف جوي بدون أكسجين، على الرغم من أنها استضافت حياة بسيطة وحيدة الخلية. وكانت البصمة الحيوية للأرض باهتة للغاية خلال هذه الحقبة المبكرة. وتغير ذلك فجأة منذ 2.4 مليار سنة عندما تطورت عائلة جديدة من الطحالب.

واستخدمت الطحالب عملية التمثيل الضوئي التي تنتج الأكسجين الحر - الأكسجين غير المرتبط كيميائيا بأي عنصر آخر. ومن ذلك الوقت فصاعدا، ترك الغلاف الجوي للأرض المليء بالأكسجين بصمة حيوية قوية ويمكن اكتشافها بسهولة على الضوء الذي يمر عبره.

وعندما يرتد الضوء عن سطح مادة ما أو يمر عبر غاز، فمن المرجح أن تظل أطوال موجية معينة محاصرة في الغاز أو سطح المادة أكثر من غيرها. وهذا الملاءمة الانتقائية للأطوال الموجية للضوء هو سبب اختلاف ألوان الكائنات. والأوراق خضراء لأن الكلوروفيل جيد بشكل خاص في امتصاص الضوء في الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء. وعندما يضرب الضوء الورقة، يتم امتصاص الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء، ما يترك الضوء الأخضر في الغالب يرتد إلى عينيك.

ويتم تحديد نمط الضوء المفقود من خلال التركيب المحدد للمادة التي يتفاعل معها الضوء. لهذا السبب، يمكن لعلماء الفلك أن يتعلموا شيئا ما عن تكوين الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية أو سطحه من خلال قياس اللون المحدد للضوء الذي يأتي من كوكب ما.

ويمكن استخدام هذه الطريقة للتعرف على وجود غازات معينة في الغلاف الجوي مرتبطة بالحياة - مثل الأكسجين أو الميثان - لأن هذه الغازات تترك بصمات محددة جدا في الضوء. ويمكن استخدامه أيضا لاكتشاف ألوان غريبة على سطح كوكب.

وعلى الأرض، على سبيل المثال، تستخدم نباتات الكلوروفيل والأصباغ الأخرى والطحالب المستخدمة في التمثيل الضوئي أطوال موجية محددة من الضوء.

وتنتج هذه الأصباغ ألوانا مميزة يمكن اكتشافها باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء الحساسة. وإذا رأيت هذا اللون ينعكس على سطح كوكب بعيد، فمن المحتمل أن يشير إلى وجود الكلوروفيل.

ويتطلب الأمر تلسكوبا قويا بشكل لا يصدق لاكتشاف هذه التغييرات الطفيفة في الضوء القادم من كوكب خارجي يحتمل أن يكون صالحا للحياة. وفي الوقت الحالي، التلسكوب الوحيد القادر على مثل هذا العمل الفذ هو تلسكوب جيمس ويب الفضائي الجديد.

وعندما بدأ عملياته العلمية في يوليو 2022، أخذ جيمس ويب قراءة طيف الكوكب الخارجي الغازي العملاق WASP-96b. وأظهر الطيف وجود الماء والسحب، لكن كوكبا كبيرا وساخنا مثل WASP-96b من غير المرجح أن يستضيف الحياة.

ومع ذلك، تُظهر هذه البيانات المبكرة أن جيمس ويب قادر على اكتشاف الإشارات الكيميائية الباهتة في الضوء القادم من الكواكب الخارجية.

وفي الأشهر المقبلة، تم تعيين التلكسوب لتحويل مراياها نحو TRAPPIST-1e، وهو كوكب يحتمل أن يكون بحجم الأرض صالحا للحياة على بعد 39 سنة ضوئية فقط من الأرض.

ويمكن لجيمس ويب البحث عن البصمات الحيوية من خلال دراسة الكواكب أثناء مرورها أمام النجوم المضيفة والتقاط ضوء النجوم الذي يتدفق عبر الغلاف الجوي للكوكب. لكن ويب لم يُصمم للبحث عن الحياة، لذا فإن التلسكوب قادر فقط على فحص عدد قليل من أقرب العوالم التي يحتمل أن تكون صالحة للحياة.

كما يمكنه أيضا اكتشاف التغيرات في مستويات ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء في الغلاف الجوي. وفي حين أن مجموعات معينة من هذه الغازات قد توحي بوجود حياة، فإن تلسكوب جيمس ويب غير قادر على اكتشاف وجود الأكسجين غير المرتبط، وهو أقوى إشارة للحياة.

وتتضمن المفاهيم الرائدة للتلسكوبات الفضائية المستقبلية، والأكثر قوة، خططا لمنع الضوء الساطع للنجم المضيف لكوكب الأرض للكشف عن ضوء النجوم المنعكس من الكوكب. وتشبه هذه الفكرة استخدام يدك لحجب ضوء الشمس لرؤية شيء ما عن بُعد بشكل أفضل.

ويمكن أن تستخدم التلسكوبات الفضائية المستقبلية أقنعة داخلية صغيرة أو مركبة فضائية كبيرة خارجية تشبه المظلة للقيام بذلك. وبمجرد حجب ضوء النجوم، يصبح من الأسهل بكثير دراسة الضوء المرتد من كوكب.

وهناك أيضا ثلاثة تلسكوبات أرضية ضخمة قيد الإنشاء حاليا والتي ستكون قادرة على البحث عن البصمات الحيوية: تلسكوب ماجيلين العملاق، وتلسكوب الثلاثين متر والتلسكوب الأوروبي الكبير للغاية. وكل منها أقوى بكثير من التلسكوبات الموجودة على الأرض، وعلى الرغم من إعاقة الغلاف الجوي للأرض الذي يشوه ضوء النجوم، فقد تكون هذه التلسكوبات قادرة على استكشاف أجواء أقرب العوالم بحثا عن الأكسجين.

وحتى باستخدام أقوى التلسكوبات في العقود القادمة، لن يتمكن علماء الأحياء الفلكية إلا من اكتشاف البصمات الحيوية القوية التي تنتجها عوالم تغيرت بالكامل بفعل الحياة.

ولسوء الحظ، يمكن أيضا إنتاج معظم الغازات التي تطلقها الحياة الأرضية من خلال عمليات غير بيولوجية - حيث تطلق الأبقار والبراكين غاز الميثان. وينتج التمثيل الضوئي الأكسجين، لكن ضوء الشمس ينتج عنه أيضا عندما يقسم جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين.

وهناك فرصة جيدة أن يكتشف علماء الفلك بعض الإيجابيات الخاطئة عند البحث عن الحياة البعيدة. وللمساعدة في استبعاد الإيجابيات الخاطئة، سيحتاج علماء الفلك إلى فهم كوكب مثير للاهتمام جيدا بما يكفي لفهم ما إذا كانت عملياته الجيولوجية أو الغلاف الجوي يمكن أن تحاكي التوقيع الحيوي.

ويمتلك الجيل القادم من دراسات الكواكب الخارجية القدرة على تجاوز حاجز الأدلة غير العادية اللازمة لإثبات وجود الحياة. ويمنحنا الإصدار الأول للبيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي إحساسا بالتقدم المثير الذي سيأتي قريبا.