ศีกษาเกี่ยวกับดวงดาว

ในการค้นหาดาวเคราะห์ที่อาศัยอยู่ได้หรือแม้แต่อาศัยอยู่ได้ซึ่งโคจรรอบดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกล ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ให้ความสำคัญกับเปลือกก๊าซของโลกเหล่านี้มากขึ้น ข้อมูลเชิงสังเกตแสดงหลักฐานของชั้นบรรยากาศหรือไม่? มันอาจมีก๊าซเช่นออกซิเจนหรือมีเทนซึ่งบนโลกนี้ผลิตขึ้นเกือบเฉพาะเป็นผลิตภัณฑ์เมแทบอลิซึมของสิ่งมีชีวิตหรือไม่? ในปีต่อๆ ไป การสังเกตการณ์ดังกล่าวจะถูกผลักดันไปสู่ขีดจำกัดใหม่: กล้องโทรทรรศน์เจมส์เว็บบ์ของ Nasa ไม่เพียงแต่จะทำให้สามารถระบุลักษณะชั้นบรรยากาศของดาวก๊าซยักษ์ขนาดใหญ่อย่างซุปเปอร์เนปจูน แต่ยังวิเคราะห์เป็นครั้งแรกถึงสัญญาณสเปกโตรกราฟีที่จางกว่ามาก จากชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์หิน ด้วยความช่วยเหลือของการจำลองเชิงตัวเลข การศึกษาปัจจุบันซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ในปัจจุบัน หันไปหาเนื้อหาโอโซนของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ เช่นเดียวกับบนโลก สารประกอบของออกซิเจน 3 อะตอมนี้สามารถปกป้องพื้นผิวของดาวเคราะห์ (และสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่บนโลก) จากรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ที่ทำลายเซลล์ ชั้นป้องกันของโอโซนจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อน Anna Shapiro นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อการวิจัยระบบสุริยะและผู้เขียนคนแรกของการศึกษาในปัจจุบัน อธิบายแนวคิดพื้นฐาน "เราต้องการทำความเข้าใจว่าดาวฤกษ์ต้องมีคุณสมบัติใดบ้างเพื่อให้ดาวเคราะห์สร้างชั้นโอโซนป้องกันได้" บ่อยครั้งในทางวิทยาศาสตร์ ความคิดนี้ถูกกระตุ้นโดยการค้นพบก่อนหน้านี้ เมื่อ 3 ปีก่อน นักวิจัยที่นำโดยสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อการวิจัยระบบสุริยะได้เปรียบเทียบความแปรผันของความสว่างของดวงอาทิตย์กับดาวที่มีลักษณะคล้ายดวงอาทิตย์หลายร้อยดวง ผลลัพธ์ที่ได้: ความเข้มของแสงที่มองเห็นได้จากดาวหลายดวงเหล่านี้ผันผวนรุนแรงกว่าในกรณีของดวงอาทิตย์มาก Alexander Shapiro ผู้ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์เมื่อ 3 ปีที่แล้วและการศึกษาในปัจจุบันกล่าวว่า "เราเห็นความเข้มข้นสูงสุดอย่างมาก" "ดังนั้นจึงเป็นไปได้ทีเดียวที่ดวงอาทิตย์ก็สามารถมีความเข้มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วได้ ในกรณีนี้ ความเข้มของแสงอัลตราไวโอเลตก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก" เขากล่าวเสริม "โดยธรรมชาติแล้ว เราสงสัยว่าสิ่งนี้จะมีความหมายอย่างไรต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก และสถานการณ์ในระบบดาวอื่นๆ เป็นอย่างไร" บทบาทคู่ของรังสี UV ที่พื้นผิวประมาณครึ่งหนึ่งของดาวฤกษ์ทั้งหมดที่มีดาวเคราะห์นอกระบบโคจรอยู่รอบๆ มีอุณหภูมิตั้งแต่ประมาณ 5,000 ถึงประมาณ 6,000 องศาเซลเซียส ในการคำนวณนักวิจัยจึงหันไปหากลุ่มย่อยนี้ ด้วยอุณหภูมิพื้นผิวประมาณ 5,500 องศาเซลเซียส ดวงอาทิตย์ก็เป็นหนึ่งในนั้นเช่นกัน "ในเคมีบรรยากาศของโลก รังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์มีบทบาทสองอย่าง" แอนนา ชาพิโร ผู้ซึ่งสนใจงานวิจัยในอดีตมุ่งเน้นไปที่อิทธิพลของรังสีดวงอาทิตย์ต่อชั้นบรรยากาศโลกอธิบาย ในปฏิกิริยากับอะตอมของออกซิเจนและโมเลกุลของออกซิเจนแต่ละอะตอม โอโซนสามารถสร้างและทำลายได้ ในขณะที่รังสี UV-B คลื่นยาวทำลายโอโซน รังสี UV-C คลื่นสั้นช่วยสร้างโอโซนป้องกันในชั้นบรรยากาศ " ดังนั้น นักวิจัยจึงคำนวณได้อย่างแม่นยำว่าแสงอัลตราไวโอเลตที่ ดวงดาว เปล่งออกมานั้นมีความยาวคลื่นเท่าใด เป็นครั้งแรกที่พวกเขาพิจารณาถึงอิทธิพลของความเป็นโลหะ คุณสมบัตินี้อธิบายอัตราส่วนของไฮโดรเจนต่อธาตุที่หนักกว่า (นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์เรียกว่า "โลหะ" แบบเรียบง่ายและค่อนข้างเข้าใจผิด) ในวัสดุก่อสร้างของดาว ในกรณีของดวงอาทิตย์ มีอะตอมของไฮโดรเจนมากกว่า 31,000 อะตอมสำหรับธาตุเหล็กทุกอะตอม การศึกษายังพิจารณาดาวที่มีปริมาณธาตุเหล็กต่ำและสูง ปฏิสัมพันธ์จำลองของรังสี UV กับก๊าซ ในขั้นตอนที่สอง ทีมงานได้ศึกษาว่ารังสี UV ที่คำนวณได้จะส่งผลต่อชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวเหล่านี้ในระยะทางที่เป็นมิตรต่อชีวิตอย่างไร ระยะทางที่เป็นมิตรต่อชีวิตคือระยะทางที่อนุญาตให้มีอุณหภูมิปานกลาง – ไม่ร้อนหรือเย็นเกินไปสำหรับน้ำที่เป็นของเหลว – ที่พื้นผิวดาวเคราะห์ สำหรับโลกดังกล่าว ทีมงานได้จำลองในคอมพิวเตอร์ซึ่งจะประมวลผลแสง UV ที่มีลักษณะเฉพาะของดาวฤกษ์แม่ที่เคลื่อนที่ในชั้นบรรยากาศของโลก ในการคำนวณองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ นักวิจัยใช้แบบจำลองภูมิอากาศเคมีที่จำลองกระบวนการที่ควบคุมออกซิเจน โอโซน และก๊าซอื่นๆ อีกมากมาย และปฏิสัมพันธ์กับแสงอัลตราไวโอเลตจากดาวฤกษ์ที่ความละเอียดสเปกตรัมสูงมาก แบบจำลองนี้ช่วยให้สามารถตรวจสอบสภาวะต่างๆ มากมายบนดาวเคราะห์นอกระบบและเปรียบเทียบกับประวัติชั้นบรรยากาศของโลกในช่วงครึ่งพันล้านปีที่ผ่านมา ในช่วงเวลานี้ปริมาณออกซิเจนในบรรยากาศสูงและชั้นโอโซนถูกสร้างขึ้นซึ่งทำให้เกิดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนบกบนโลกของเรา Jos Lelieveld กรรมการผู้จัดการของ Max Planck Institute for Chemistry ซึ่งมีส่วนร่วมในการศึกษากล่าวว่า "เป็นไปได้ว่าประวัติศาสตร์ของโลกและชั้นบรรยากาศมีเงื่อนงำเกี่ยวกับวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตที่อาจนำไปใช้กับดาวเคราะห์นอกระบบด้วย" ผู้สมัครที่มีแนวโน้ม ผลลัพธ์ของการจำลองสร้างความประหลาดใจให้กับนักวิทยาศาสตร์ โดยรวมแล้ว ดาวฤกษ์ที่ไม่เป็นโลหะจะปล่อยรังสียูวีออกมามากกว่าดาวฤกษ์ที่อุดมด้วยโลหะ แต่อัตราส่วนของรังสี UV-C ที่สร้างโอโซนต่อรังสี UV-B ที่ทำลายโอโซนนั้นขึ้นอยู่กับความเป็นโลหะอย่างยิ่งยวด: ในดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะต่ำ รังสี UV-C จะมีอิทธิพลเหนือกว่า ปล่อยให้ชั้นโอโซนที่หนาแน่นก่อตัวขึ้น สำหรับดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะสูง ซึ่งมีรังสี UV-B เด่น ซองป้องกันนี้จะเบาบางกว่ามาก "ตรงกันข้ามกับความคาดหวัง ดังนั้นดาวฤกษ์ที่ขาดแคลนโลหะควรให้เงื่อนไขที่เอื้ออำนวยต่อการเกิดขึ้นของชีวิต" แอนนา ชาปิโรสรุป การค้นพบนี้อาจเป็นประโยชน์สำหรับภารกิจอวกาศในอนาคต เช่น ภารกิจเพลโตของเอซา ซึ่งจะสำรวจดาวฤกษ์จำนวนมากมายเพื่อหาสัญญาณของดาวเคราะห์นอกระบบที่เอื้ออาศัยได้ ด้วยกล้องโทรทรรศน์ 26 ตัวบนเรือ ยานสำรวจชื่อเดียวกันนี้จะถูกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2569 และจะมุ่งความสนใจไปที่ดาวเคราะห์คล้ายโลกซึ่งโคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ในระยะทางที่เป็นมิตรต่อสิ่งมีชีวิตเป็นหลัก ขณะนี้ศูนย์ข้อมูลของภารกิจถูกจัดตั้งขึ้นที่สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อการวิจัยระบบสุริยะ Laurent Gizon กรรมการผู้จัดการของสถาบันและผู้เขียนร่วมของการศึกษาในปัจจุบันกล่าวว่า "การศึกษาในปัจจุบันของเราทำให้เราได้เบาะแสอันมีค่าว่าดาวดวงใดที่ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษ" ข้อสรุปที่ขัดแย้งกัน นอกจากนี้ การศึกษายังให้ข้อสรุปที่เกือบจะขัดแย้งกัน นั่นคือ เมื่อเอกภพมีอายุมากขึ้น เอกภพมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นศัตรูต่อชีวิตมากขึ้นเรื่อยๆ โลหะและธาตุหนักอื่นๆ ก่อตัวขึ้นภายในดาวฤกษ์เมื่อสิ้นอายุขัยหลายพันล้านปี และถูกปล่อยออกสู่อวกาศโดยขึ้นอยู่กับมวลของดาวฤกษ์ หรือการระเบิดของซุปเปอร์โนวา: วัสดุก่อสร้างสำหรับ ดาวฤกษ์รุ่นต่อไป "ดาวฤกษ์ที่ก่อตัวขึ้นใหม่แต่ละดวงจึงมีวัสดุก่อสร้างที่อุดมด้วยโลหะมากกว่ารุ่นก่อนๆ ดาวฤกษ์ในเอกภพมีโลหะที่อุดมด้วยโลหะมากขึ้นในแต่ละรุ่น" แอนนา ชาปิโรกล่าว จากการศึกษาครั้งใหม่ ความน่าจะเป็นที่ระบบดาวจะกำเนิดชีวิตจึงลดลงตามอายุของเอกภพ อย่างไรก็ตาม การค้นหาชีวิตยังไม่สิ้นหวัง ท้ายที่สุดแล้ว ดาวบริวารของดาวเคราะห์นอกระบบหลายดวงมีอายุใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์