.webp)
6 دقیقه
چرا یافتن زمین‌های همسان بسیار دشوار است
تشخیص یک سیاره به اندازهٔ زمین که به دور ستاره‌ای شبیه خورشید می‌چرخد، اساساً مسئله‌ای از نظر کنتراست و تفکیک زاویهای است. یک ستاره بسته به طول موج، میلیونها تا میلیاردها برابر از سیاره‌اش روشن‌تر است. وقتی ستاره و سیاره از نظر فضایی تفکیک نشوند، سیگنال ضعیف سیاره در تابش خیره‌کنندهٔ ستاره گم می‌شود. فیزیک نور محدودیتها را تعیین میکند: تفکیک زاویهای با نسبت طول موج رصد به دهانهٔ تلسکوپ مقیاس می‌گیرد. برای سیاره‌هایی که ممکن است آب مایع داشته باشند، تابش حرارتی نزدیک به ۱۰ میکرون در فروسرخ میانی اوج می‌گیرد. در آن طول موج، دستیابی به جدایی زاویهای لازم برای تفکیک یک آنالوگ زمین از ستاره‌اش در فاصله‌ای حدود ۳۰ سال نوری، به ابعادی در حدود ۲۰ متر نیاز دارد.
رصد از فضا لازم است چون جو زمین تصاویر فروسرخ میانی را مات میکند و پسزمینهٔ گرمایی خود را منتشر میکند. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، بزرگ‌ترین رصدخانهٔ فروسرخ فضایی عملیاتی ما، آینهٔ اولیه‌ای به قطر ۶٫۵ متر دارد—که بسیار کمتر از مقیاس ۲۰ متری لازم برای تصویرگیری مستقیم معمولی سیاره‌های زمینمانند در این فواصل است. پرتاب یک تلسکوپ یکپارچهٔ کلاس ۲۰ متری با راکت‌ها و سامانه‌های استقرار کنونی چالشهای غیرقابل‌تحملی دارد.
راه‌های جایگزین موجود و محدودیت‌هایشان
ستاره‌شناسان چندین راهکار پیشنهاد کرده‌اند تا مشکل اندازه را حل کنند. روش تداخل‌سنجی (اینترفرو متری) سیگنال‌ها را از چند تلسکوپ کوچک ترکیب میکند تا دهانهٔ بزرگی شبیه‌سازی شود، اما این کار نیازمند پرواز تشکیل‌دهنده با دقت نانومتری روی پایه‌خط‌های بزرگ است—تکنیک‌هایی که همچنان آزمایشی و دشوارند. رصد در طول‌موج‌های کوتاه‌تر (نور مرئی) برای یک دهانهٔ مشخص تفکیک زاویهای بهتری می‌دهد، اما کنتراست بدتر می‌شود: در نور مرئی، یک ستارهٔ شبیه خورشید میتواند بیش از ده میلیارد برابر روشن‌تر از یک همسان زمین باشد که این مسأله کرونگراف‌ها و روشهای کاهش نور ستاره را فراتر از توان فعلی می‌برد.
مفهوم «استار‌شید»—یک مانع خارجی که ده‌ها هزار کیلومتر جلوتر از تلسکوپ فضایی پرواز میکند تا نور ستاره را مسدود کند—میتواند کنتراست بسیار خوبی فراهم کند، اما نیاز به دو فضاپیمأ پرهزینه و مقدار قابل‌توجهی سوخت برای هدف‌گیری مجدد دارد. انتقال استار‌شید بین ستاره‌های هدف مصرف‌کنندهٔ پیشرانه است و انجام پیمایش در میان بسیاری از سامانه‌های نزدیک را پیچیده می‌سازد.
یک جایگزین عملیاتی: آینهٔ بلند و باریک
طرحی که اخیراً پیشنهاد شده هندسهٔ آینه را بازاندیشی میکند به‌جای صرف بزرگ‌تر کردن دهانهٔ دایره‌ای. به‌جای آینهٔ بزرگ گرد، تصور کنید یک آینهٔ مستطیلی ۱ در ۲۰ متر که در فروسرخ میانی (~۱۰ میکرون) کار میکند. در طول محور بلند، این مستطیل تفکیک زاویهای معادل یک تلسکوپ ۲۰ متری را فراهم می‌آورد و به ابزار اجازه می‌دهد ستاره را در آن جهت از یک سیارهٔ نزدیک جدا کند. با چرخاندن تلسکوپ (یا آینه) در زوایای متفاوت، سامانه میتواند تمام زاویه‌های مکانی پیرامون یک ستارهٔ هدف را نمونه‌برداری کند و بنابراین به دنبال سیاره‌هایی باشد که در هر نقطه‌ای از سامانهٔ ستاره‌ای قرار گرفته‌اند.
این پیکربندی مستطیلی—که در مطالعات مفهومی مانند مدل Diffractive Interfero Coronagraph Exoplanet Resolver (DICER) نشان داده شده است—مسیر عملی برای بررسی تقریباً ۶۰ ستارهٔ شبیه خورشید در فاصلهٔ کمتر از ۳۰ سال نوری را نوید می‌دهد. مدل‌سازی نشان می‌دهد چنین تلسکوپی با حساسیتی مشابه JWST اما با دهانهٔ کشیده، میتواند تقریباً نیمی از سیاره‌های اندازهٔ زمین در کمربندهای قابل سکونت آن ستاره‌های نزدیک را در یک پیمایش کمتر از سه سال شناسایی کند. مهم این است که این پیشنهاد نیازمند فیزیک بنیادی جدید یا دستاوردهای مهندسی غیرقابل‌دسترس نیست؛ به‌جای افزایش چالش‌برانگیز قطر، شکل و رویکرد عملیاتی تغییر داده می‌شود.
رویکرد مأموریتی و رصدی
در طول موج ۱۰ میکرون، آینهٔ مستطیلی تفکیک زاویهای بالا را در یک بُعد با تکنیک‌های کرونگرافی یا تداخل‌پراششی برای کاهش نور ستاره ترکیب میکند تا تابش حرارتی ضعیف سیارات را آشکار سازد. استراتژی پیمایش شامل چرخش محور بلند در حین ادغام در هر جهت است تا تشخیص‌های دوبعدی از سیارات کاندید ساخته شود. تشخیص‌های تأییدشده را می‌توان با طیف‌نگاری دنبال کرد تا به‌دنبال نشانه‌های زیستی جوی مانند اکسیژن، اوزون، متان یا بخار آب گشت.
بینش کارشناسی
«معماری ۱ در ۲۰ متر یک مصالحهٔ زیباست»، دکتر مایا آر. سینگ، ستاره‌شناس تخصصی در ابزارسازی برای سیارات فراخورشیدی، می‌گوید. «این طرح از فناوری آشکارسازهای فروسرخ شناخته‌شده و تجربهٔ استقرار از مأموریت‌هایی مثل JWST بهره می‌برد و در عین حال تفکیک مورد نیاز در ۱۰ میکرون را فراهم می‌آورد. چالشهای مهندسی باقی است—کنترل حرارتی، پایداری آینه و مکانیک چرخش دقیق—اما هیچ‌یک نیازمند پیشرفتهای فراتر از عمل مهندسی کنونی نیستند. این طرح میتواند واقع‌بینانه جست‌وجو برای آنالوگ‌های زمین در همسایگی ستاره‌ای ما را تسریع کند.»
پیامدها و گام‌های بعدی
اگر نرخ وقوع سیاره‌های زمینمانند در اطراف ستاره‌های شبیه خورشید نزدیک به یک باشد، یک تلسکوپ مستطیلی فروسرخ میانی میتواند شمار قابل‌توجهی از جهان‌های امیدوارکننده را در فاصلهٔ ۳۰ سال نوری شناسایی کند. آن هدف‌ها برای توالی‌شناسی جوی و جست‌وجوی نشانه‌های احتمالی حیات اولویت‌بندی خواهند شد. برای برجسته‌ترین کاندیداها، کاوشگرهای روباتی آینده یا مأموریت‌های تصویربرداری پیشرفته می‌توانند تصویربرداری مستقیم از سطح را ممکن سازند. مفهوم آینهٔ مستطیلی راهی کارآمد از نظر هزینه و پیچیدگی برای رسیدن به این اهداف علمی ارائه می‌دهد و مکمل رویکردهایی مانند تداخل‌سنجی و استار‌شیدها است.
نتیجه‌گیری
بازاندیشی در هندسهٔ تلسکوپ—حرکت از آینه‌های گرد به آینه‌های مستطیلی کشیده—روشی عملی برای دستیابی به تفکیک زاویهای لازم جهت تصویرگیری مستقیم سیاره‌های زمینمانند نزدیک در فروسرخ میانی فراهم می‌آورد. با کار در حدود ۱۰ میکرون و بهره‌گیری از چرخش برای پوشش کامل زوایای مداری، یک ابزار کلاس ۱ در ۲۰ متر میتواند در چند سال دوجین‌ها سامانهٔ نزدیک شبیه خورشید را بررسی کند و مجموعه‌ای اولویت‌بندی‌شده از اهداف برای جست‌وجوی نشانه‌های زیستی فراهم سازد. در حالی که مطالعات مهندسی و بهینه‌سازی بیشتری لازم است، مفهوم تلسکوپ مستطیلی گامی عملی و امیدبخش به سوی یافتن «زمین ۲٫۰» محسوب می‌شود.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات