قابلية سكن الأقمار الطبيعية

يعتقد معظم علماء الأحياء الفلكية أن الماء السائل شرط أساسي للحياة خارج كوكب الأرض. وهناك أدلة متزايدة على وجود ماء سائل تحت سطح العديد من أقمار المجموعة الشمسية التي تدور حول الكواكب الغازية العملاقة: المشتري ، وزحل ، وأورانوس ، ونبتون . ومع ذلك، لم يتم تأكيد وجود أي من هذه المسطحات المائية تحت السطحية حتى الآن.

لضمان استقرار المدار، يجب أن تكون نسبة الفترة المدارية للقمر حول نجمه الرئيسي (P _{_s )} أقل من 1/9 ، فعلى سبيل المثال، إذا استغرق كوكب ما 90 يومًا للدوران حول نجمه، فإن أقصى مدار مستقر لقمر هذا الكوكب لا يتجاوز 10 أيام. ^{[ 16 ] [ 17 ]} تشير المحاكاة إلى أن القمر الذي تقل فترة دورانه عن 45 إلى 60 يومًا تقريبًا سيبقى مرتبطًا بأمان بكوكب عملاق ضخم أو قزم بني يدور على بُعد وحدة فلكية واحدة من نجم شبيه بالشمس. ^{[ 18 ]}

يعتبر علماء الأحياء الفلكية الغلاف الجوي مهماً في تطور الكيمياء ما قبل الحيوية ، واستدامة الحياة، ووجود المياه السطحية. تفتقر معظم الأقمار الطبيعية في النظام الشمسي إلى أغلفة جوية كبيرة، باستثناء قمر تيتان التابع لكوكب زحل . ^{[ 19 ]}

يُمثل التذرية ، وهي عملية قذف الذرات من مادة صلبة نتيجة قصفها بجسيمات عالية الطاقة، مشكلةً كبيرةً للأقمار الطبيعية. فجميع الكواكب الغازية العملاقة في النظام الشمسي، وربما تلك التي تدور حول نجوم أخرى، تمتلك أغلفة مغناطيسية مزودة بأحزمة إشعاعية قوية بما يكفي لتجريد غلاف جوي لقمر شبيه بالأرض تمامًا في غضون بضع مئات من ملايين السنين. كما يمكن للرياح النجمية القوية أن تجرد ذرات الغاز من أعلى الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى فقدانها في الفضاء.

للحفاظ على غلاف جوي شبيه بغلاف الأرض لمدة 4.6 مليار سنة تقريبًا (عمر الأرض الحالي)، يُقدّر أن قمرًا بكثافة مشابهة لكثافة المريخ يحتاج إلى ما لا يقل عن 7% من كتلة الأرض. ^{[ 20 ]} إحدى طرق تقليل الفقد الناتج عن التذرية هي أن يمتلك القمر مجالًا مغناطيسيًا قويًا خاصًا به قادرًا على صدّ الرياح النجمية وأحزمة الإشعاع. تشير قياسات مركبة غاليليو التابعة لناسا إلى أن الأقمار الكبيرة قد تمتلك مجالات مغناطيسية؛ فقد وجدت أن غانيميد يمتلك غلافًا مغناطيسيًا خاصًا به، على الرغم من أن كتلته لا تتجاوز 2.5% من كتلة الأرض. ^{[ 18 ]} بدلاً من ذلك، قد يتم تجديد الغلاف الجوي للقمر باستمرار بواسطة غازات من مصادر تحت سطحية، كما يعتقد بعض العلماء أنه الحال مع تيتان. ^{[ 21 ]}

في حين أن تأثيرات التسارع المدّي متواضعة نسبياً على الكواكب، إلا أنه يمكن أن يكون مصدراً مهماً للطاقة للأقمار الطبيعية ومصدراً بديلاً للطاقة للحفاظ على الحياة.

من المرجح أن تكون الأقمار التي تدور حول الكواكب الغازية العملاقة أو الأقزام البنية مقيدة مدّيًا بنجومها الرئيسية، أي أن أيامها تساوي طول مداراتها. وبينما قد يؤثر التقييد المدّي سلبًا على الكواكب الواقعة ضمن المناطق الصالحة للسكن من خلال التداخل مع توزيع الإشعاع النجمي، فإنه قد يُسهم في جعل الأقمار التابعة صالحة للسكن من خلال السماح بالتسخين المدّي . وقد قام علماء في مركز أبحاث ناسا أميس بنمذجة درجة الحرارة على الكواكب الخارجية المقيدة مدّيًا في المنطقة الصالحة للسكن حول النجوم القزمة الحمراء . ووجدوا أن الغلاف الجوي الذي يحتوي على ثاني أكسيد الكربون ( CO₂)_٢ ) لا يسمح ضغط يتراوح بين١ و١.٥ ضغط جوي قياسي (١٥-٢٢رطل لكل بوصة مربعة)بدرجات حرارة مناسبة للحياة فحسب، بل يسمح أيضًا بوجود الماء السائل على الجانب المظلم من القمر. قد يكون نطاق درجة حرارة القمر المقيد مدّيًا بكوكب غازي عملاق أقل تطرفًا من نطاق درجة حرارة كوكب مقيد بنجم. على الرغم من عدم إجراء أي دراسات حول هذا الموضوع، إلا أن كميات معتدلة منثاني أكسيد الكربون _{يُعتقد أن 2 منها} تجعل درجة الحرارة مناسبة للسكن. ^{[ 18 ]}

قد تسمح تأثيرات المد والجزر أيضًا للقمر بالحفاظ على حركة الصفائح التكتونية ، مما يؤدي إلى نشاط بركاني ينظم درجة حرارة القمر ^{[ 22 ] [ 23 ]} ويخلق تأثيرًا جيودينامو يمنح القمر مجالًا مغناطيسيًا قويًا . ^{[ 24 ]}

الميل المحوري والمناخ

بافتراض إمكانية إهمال التفاعل الجاذبي للقمر مع الأقمار الأخرى، تميل الأقمار إلى أن تكون مقيدة مدّيًا مع كواكبها. إضافةً إلى التقييد الدوراني المذكور آنفًا، توجد أيضًا عملية تُسمى "تآكل الميل"، والتي صِيغَت في الأصل لوصف التآكل المدّي لميل محور دوران الكوكب في مداره حول نجمه. ^{[ 25 ]} تتكون حالة الدوران النهائية للقمر من فترة دوران تساوي فترة دورانه حول الكوكب، ومحور دوران عمودي على مستوى المدار.

إذا لم تكن كتلة القمر منخفضة جدًا مقارنةً بالكوكب، فقد يُساهم ذلك في استقرار ميل محور الكوكب ، أي ميله بالنسبة لمداره حول النجم. على الأرض، لعب القمر دورًا هامًا في استقرار ميل محور الأرض، مما قلل من تأثير الاضطرابات الجاذبية من الكواكب الأخرى، وضمن تقلبات مناخية معتدلة فقط في جميع أنحاء الكوكب. ^{[ 26 ]} أما على المريخ ، وهو كوكب لا يتأثر بشكل كبير بقوى المد والجزر الناتجة عن قمريه ذوي الكتلة المنخفضة نسبيًا، فوبوس وديموس ، فقد يشهد ميل المحور تغيرات جذرية تتراوح بين 13° و40° على مدى زمني يتراوح بين 5 و 10 ملايين سنة . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

إن الاقتران المدّي بكوكب عملاق أو قزم بني فرعي يسمح بمناخ أكثر اعتدالًا على القمر مقارنةً بما سيكون عليه الحال لو كان القمر كوكبًا مماثلًا يدور في المنطقة الصالحة للسكن حول نجمه. ^{[ 29 ]} وينطبق هذا بشكل خاص على أنظمة الأقزام الحمراء ، حيث تؤدي قوى الجاذبية العالية نسبيًا والإضاءة المنخفضة إلى خروج القمر من المنطقة الصالحة للسكن، مما يجعله عرضةً للاقتران المدّي. في حالة الاقتران المدّي، قد تستغرق دورة واحدة حول محور القمر وقتًا طويلًا نسبيًا مقارنةً بالكوكب (على سبيل المثال، مع تجاهل الميل المحوري الطفيف للقمر وتأثيرات التضاريس، فإن أي نقطة عليه تتمتع بأسبوعين من ضوء الشمس - بتوقيت الأرض - وأسبوعين من الليل في يومها القمري)، إلا أن هذه الفترات الطويلة من الضوء والظلام لا تُشكل تحديًا كبيرًا للحياة مقارنةً بالأيام والليالي الأبدية على كوكب مقيد مدّيًا بنجمه.

في عام ٢٠١٢، طرح العلماء مفهومًا لتحديد المدارات الصالحة للسكن حول الأقمار. ^{[ ٣٠ ]} يشبه هذا المفهوم المنطقة الصالحة للسكن حول النجوم، ولكن للأقمار التي تدور حول الكواكب. هذا الحد الداخلي، الذي يُطلق عليه اسم الحافة الصالحة للسكن حول الكوكب، يُحدد المنطقة التي يمكن أن يكون القمر فيها صالحًا للسكن حول كوكبه. أما الأقمار الأقرب إلى كوكبها من الحافة الصالحة للسكن فهي غير صالحة للسكن.

تم تحديد البيئة المغناطيسية للأقمار الخارجية، والتي تتأثر بشكل حاسم بالمجال المغناطيسي الذاتي للكوكب المضيف، كعامل آخر يؤثر على قابلية هذه الأقمار للحياة. ^{[ 31 ]} والجدير بالذكر أنه وُجد أن الأقمار التي تقع على مسافات تتراوح بين 5 و20 ضعف نصف قطر كوكب عملاق قد تكون صالحة للسكن من حيث الإضاءة والتسخين المدّي، ^{[ 31 ]} ولكن مع ذلك، فإن الغلاف المغناطيسي للكوكب سيؤثر بشكل حاسم على قابليتها للسكن. ^{[ 31 ]}

غالبًا ما تكون الكواكب الخارجية بحجم الأرض، والواقعة في المنطقة الصالحة للسكن حول الأقزام الحمراء، مقيدة مدّيًا بنجمها المضيف. ونتيجةً لذلك، يواجه أحد نصفي الكوكب النجم دائمًا، بينما يبقى النصف الآخر في الظلام. ومثل الكوكب الخارجي، يمكن أن يصبح القمر الخارجي مقيدًا مدّيًا بنجمه الرئيسي. ومع ذلك، ولأن نجم القمر الخارجي هو كوكب خارجي ، فإنه سيستمر في الدوران حول نجمه بعد أن يصبح مقيدًا مدّيًا، وبالتالي سيظل يشهد دورة الليل والنهار إلى أجل غير مسمى.

يعتبر العلماء التسخين المدّي تهديداً لقدرة الأقمار الخارجية على العيش. ^{[ 32 ]}