6 دقیقه
چرا یافتن خواهران زمین این‌قدر دشوار است
تشخیص یک سیاره به اندازهٔ زمین که به دور ستاره‌ای شبیه به خورشید می‌چرخد اساساً مسئله‌ای از جنس کنتراست و وضوح زاویهای است. بسته به طول موج، یک ستاره میلیون‌ها تا میلیاردها برابر از سیاره‌اش درخشان‌تر است. زمانی که ستاره و سیاره از نظر فضایی تفکیک نشده‌اند، سیگنال ضعیف سیاره در تابش خیره‌کنندهٔ ستاره گم میشود. فیزیک نور محدودیت‌ها را تعیین میکند: وضوح زاویهای با نسبت طول موج رصد به قطر تلسکوپ مقیاس می‌یابد. برای سیاره‌هایی که ممکن است آب مایع داشته باشند، تابش حرارتی در حوالی ۱۰ میکرون در میانفروسرخ به اوج می‌رسد. در این طول موج، رسیدن به جدایی زاویهای لازم برای جدا کردن یک آنالوگ زمین از ستاره‌اش در فاصلهٔ حدود ۳۰ سال نوری به ابعادی جمع‌کننده در حدود ۲۰ متر نیاز دارد.
رصد از فضا ضروری است زیرا جو زمین تصاویر میانفروسرخ را تار میکند و خود پسزمینهٔ گرمایی تولید میکند. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، بزرگ‌ترین رصدخانهٔ فعلی فروسرخ فضایی ما، آینهٔ اصلی ۶.۵ متری دارد—که بسیار کمتر از مقیاس حدود ۲۰ متر لازم برای تصویربرداری مستقیم معمول از سیارات شبیه زمین در این فاصله است. ارسال یک تلسکوپ یکپارچهٔ ۲۰ متری با فناوری موشک‌ها و سامانه‌های استقرار فعلی چالش‌های ناممکنی به همراه دارد.
راه‌های موجود و محدودیت‌های آنها
ستاره‌شناسان چندین راه‌حل برای دور زدن مشکل اندازه پیشنهاد کرده‌اند. تداخل‌سنجی (interferometry) سیگنال‌های چند تلسکوپ کوچک را به‌هم می‌دوخت تا یک دهانهٔ بزرگ‌تر را شبیه‌سازی کند، اما این کار نیازمند پرواز تشکیلاتی با دقت نانومتری روی پایه‌های فاصله‌دار بزرگ است—فناوری‌هایی که هنوز از نظر آزمایشی چالش‌برانگیزند. رصد در طول موجهای کوتاه‌تر (قابل رؤیت) برای یک دهانهٔ مشخص وضوح زاویهای را بهبود می‌بخشد، اما کنتراست بدتر میشود: در نور مرئی یک ستارهٔ شبیه خورشید میتواند بیش از ده میلیارد برابر از یک همتای زمینی روشن‌تر باشد و این فشار زیادی به کروناگراف‌ها و روش‌های سرکوب نور ستاره وارد میکند.
مفهوم «ستاره‌پوش»—یک مانع خارجی که ده‌ها هزار کیلومتر جلوتر از تلسکوپ فضایی پرواز میکند تا نور ستاره را بلوکه کند—میتواند کنتراست بسیار خوبی فراهم کند، اما مستلزم دو فضاپیمای پرهزینه و مصرف سوخت قابل‌توجه برای تغییر هدف است. جابجایی ستاره‌پوش بین ستاره‌های هدف سوخت مأموریت را می‌بلعد و انجام پیمایش‌های گسترده از ستاره‌های مجاور را پیچیده میسازد.
یک جایگزین عمل‌گرایانه: آینه‌ای بلند و باریک
طراحی پیشنهادی جدید به‌جای افزایش صرف قطر دایرهای، هندسهٔ آینه را بازاندیشی میکند. به‌جای یک آینهٔ گرد بزرگ، یک آینهٔ مستطیلی به ابعاد 1 در 20 متر را در نظر بگیرید که در میانفروسرخ (~10 میکرون) کار میکند. در راستای محور بلند مستطیل، وضوح زاویهای معادل یک تلسکوپ ۲۰ متری فراهم میشود و ابزار را قادر میسازد که در آن جهت ستاره را از سیارهٔ مجاور جدا کند. با چرخش تلسکوپ (یا آینهٔ آن) در زوایای مختلف، سیستم میتواند همهٔ زاویههای موقعیتی اطراف یک ستارهٔ هدف را نمونهبرداری کند و بدین ترتیب به جستجوی سیارات در هر نقطه از سامانهٔ ستاره‌ای بپردازد.
این پیکربندی مستطیلی—که در مطالعات مفهومی مانند مدل Diffractive Interfero Coronagraph Exoplanet Resolver (DICER) نشان داده شده است—راهی عملی برای پیمایش حدوداً ۶۰ ستارهٔ شبیه خورشید در محدودهٔ ۳۰ سال نوری وعده میدهد. مدل‌سازی‌ها نشان میدهد چنین تلسکوپی با حساسیتی مشابه JWST اما با دهانهٔ کشیده میتواند در یک پیمایش زیر سه سال، حدود نیمی از سیارات اندازهٔ زمین در نواحی قابل سکونت اطراف آن ستاره‌های نزدیک را کشف کند. نکتهٔ مهم این است که این پیشنهاد به فیزیک بنیادین جدید یا جهش‌های مهندسی غیرقابل‌دستیابی نیاز ندارد؛ به‌جای افزایش چالش‌برانگیز قطر، شکل و روش عملیاتی تغییر میکند.
روش مأموریت و رصد
با عملیات در ۱۰ میکرون، آینهٔ مستطیلی وضوح زاویهای بالایی در یک بعد را با تکنیک‌های کروناگرافی یا سرکوب تفرق نور ستاره ترکیب میکند تا تابش حرارتی ضعیف سیاره را آشکار سازد. راهبردی برای پیمایش، چرخاندن محور بلند و انجام اندازه‌گیری‌های تجمعی در هر جهت است تا آشکارسازی‌های دوبعدی از نامزدهای سیارهای پدید آید. آشکارسازی‌های تأییدشده می‌توانند با طیفسنجی دنبال شوند تا به دنبال نشانههای زیستی در جو مانند اکسیژن، اوزون، متان یا بخار آب بگردند.
نکتهٔ کارشناسی
«معماری 1 در 20 متر یک مصالحهٔ زیبا است»، دکتر مایا ر. سینگ، اخترفیزیکدانی متخصص در ابزارهای اگزوپلنت می‌گوید. «این طرح از فناوری آشکارسازهای فروسرخ شناخته‌شده و تجربهٔ استقرار مأموریت‌هایی مانند JWST بهره می‌برد و در عین حال وضوحی را که در ۱۰ میکرون نیاز داریم فراهم میکند. چالش‌های مهندسی همچون کنترل حرارتی، پایداری آینه و مکانیک چرخش دقیق باقی می‌ماند، اما هیچ‌یک نیاز به دستاوردهای فراتر از رویه‌های مهندسی فعلی ندارند. این طراحی میتواند واقع‌بینانه جستجوی آنالوگ‌های زمین در همسایگی ستاره‌ای ما را تسریع کند.»
پیامدها و گام‌های بعدی
اگر نرخ وقوع سیارات شبیه زمین اطراف ستاره‌های شبیه خورشید نزدیک به یک باشد، یک تلسکوپ میانفروسرخ مستطیلی میتواند تعداد ده‌ها جهان امیدوارکننده را در فاصلهٔ ۳۰ سال نوری شناسایی کند. آن اهداف برای نمونهبرداری جوی و جستجوی نشانههای احتمالی حیات اولویتبندی خواهند شد. برای جذاب‌ترین نامزدها، کاوشگرهای رباتیک دوردست یا مأموریت‌های تصویربرداری پیشرفته در آیندهٔ دور می‌توانند تصویربرداری مستقیم از سطح را ممکن سازند. مفهوم آینهٔ مستطیلی مسیر مقرون‌به‌صرفه و با پیچیدگی کمتر نسبت به برخی گزینه‌ها فراهم میکند و رویکردهای دیگر مانند تداخل‌سنجی و ستاره‌پوش را تکمیل میکند.
نتیجه‌گیری
بازاندیشی در هندسهٔ تلسکوپ—حرکت از آینه‌های دایرهای به آینه‌های مستطیلی کشیده—راهکاری قابل‌دستیابی برای رسیدن به وضوح زاویهای لازم جهت تصویربرداری مستقیم از سیارات شبیه زمین نزدیک در میانفروسرخ ارائه میدهد. بهره‌برداری در حدود ۱۰ میکرون و استفاده از چرخش برای پیمایش تمامی زوایای مداری، یک ابزار کلاس 1 در 20 متر میتواند طی چند سال ده‌ها سامانهٔ شبیه خورشید در نزدیکی را بررسی کند و مجموعه‌ای اولویت‌بندی‌شده از اهداف برای جستجوی نشانههای زیستی فراهم آورد. در حالی که مطالعات مهندسی، بهینه‌سازی و بررسی مأموریت‌های بیشتر ضروری است، مفهوم تلسکوپ مستطیلی گامی عملی و امیدوارکننده به سوی یافتن یک «زمین 2.0» محسوب میشود.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات