تلسکوپ نانسی گریس رومن: آماده سازی نهایی و اهداف علمی

تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن به یکپارچگی دو بخش اصلی رسید و وارد آزمایش‌های نهایی شد. این رصدخانه با ابزارهای میدان‌ وسیع و کرونوگراف، پژوهش در انرژی تاریک و تصویربرداری مستقیم سیارات فراخورشیدی را پیش می‌برد.

نظرات
تلسکوپ نانسی گریس رومن: آماده سازی نهایی و اهداف علمی

11 دقیقه

تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن (Nancy Grace Roman) به یک نقطه عطف مهم رسیده است: دو بخش اصلی آن اکنون یکپارچه شده‌اند و رصدخانه وارد مراحل نهایی آزمایش‌ها شده است. این تلسکوپ که به‌عنوان یک کاوشگر میدان‌ وسیع فروسرخ با یک کرونوگراف پیشرفته طراحی شده است، هدفش ترسیم نواحی وسیعی از آسمان، بررسی انرژی تاریک و پیشبرد تصویرسازی مستقیم سیارات فراخورشیدی تا سطوح جدید است.

پایان مونتاژ — این نقطه عطف چه معنایی دارد

در بیست و پنجم نوامبر، مهندسان مرکز پرواز فضایی گُدارْد (Goddard Space Flight Center) دو بخش اصلی تلسکوپ نانسی گریس رومن را درون یک اتاق تمیز بزرگ و کنترل‌شده به هم پیوستند. این یکپارچگی یک نقطه بازرسی برنامه‌ای مهم را نشان می‌دهد: فضاپیما از حالت اجزای مجزا به یک رصدخانه عملیاتی تبدیل شده است که می‌تواند تحت آزمایش‌های سطح سیستم قرار گیرد. طبق جدول زمانی ناسا، رومن ممکن است از پاییز 2026 آماده پرتاب شود و پنجره هدف فعلی برای پرتاب با فالکون هِویِ اسپیس‌اکس به نقطه L2 سامانه خورشید-زمین، ماه مه 2027 تعیین شده است.

پایان مونتاژ صرفاً نمادین نیست. این مرحله امکان انجام آزمایش‌های حرارتی-خلأ، بررسی‌های تطبیق‌پذیری الکترومغناطیسی و کالیبراسیون‌های کامل ابزارها از ابتدا تا انتها را فراهم می‌آورد که باید پیش از ارسال تلسکوپ به سایت پرتاب با موفقیت انجام شوند. این آزمایش‌ها شرایط سخت فضای بیرونی را شبیه‌سازی کرده و تأیید می‌کنند که سامانه‌هایی مانند محافظ خورشیدی آرایه سولار (Solar Array Sun Shield یا SASS)، سامانه کنترل وضعیت (attitude control)، ارتباطات و هر دو ابزار علمی با هم همان‌طور که پیش‌بینی شده کار می‌کنند.

تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا پس از یکپارچگی دو بخش اصلی‌اش در 25 نوامبر در مرکز پرواز فضایی گدارْد در گرینبلت، مریلند، حالا به طور کامل مونتاژ شده است. در این تصویر، محافظ خورشیدی آرایه سولار (SASS)ِ تلسکوپ برجسته است. (NASA/Jolearra Tshiteya)

دو ابزار، نقش‌های مکمل

رومن شامل یک مجموعه ابزارهای متمرکز است: ابزار میدان وسیع (Wide-Field Instrument یا WFI) و ابزار کرونوگراف (Coronagraph Instrument یا CGI). این ترکیب هم پهنا (survey breadth) و هم دقت (high-precision) را به ماموریت می‌دهد. WFI یک دوربین فروسرخ 288 مگاپیکسلی است که میدان تصویربرداری‌ای تقریباً 100 برابر بزرگ‌تر از میدان تصویربرداری تلسکوپ فضایی هابل ارائه خواهد داد—ویژگی‌ای که برای رصدهای آماری که نیاز به حجم نمونه بزرگ دارند اهمیت زیادی دارد، نه تنها نقطه‌نگاری‌های عمیق منفرد. کرونوگراف یک تصویربردار و طیف‌نگار با کنتراست بالا و تجربی است که برای مسدود کردن نور ستارگان و آشکارسازی سیارات کم‌نور و مواد اطراف ستاره‌ای نزدیک به ستارگان روشن ساخته شده است.

توانایی نقشه‌برداری میدان وسیع WFI در هسته تحقیقات کیهان‌شناسی و سیارات فراخورشیدی رومن قرار دارد. با انجام پیمایش‌های گسترده در ناحیه فروسرخ آسمان، رومن توزیع کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را در طول تاریخ کیهانی ردیابی خواهد کرد، ابرنواخترها را به‌صورت انبوه برای اندازه‌گیری فواصل شناسایی می‌کند و سرشماری ستارگان و جمعیت‌های ستاره‌ای در کهکشان راه شیری را فراهم می‌آورد. پوشش وسیع تلسکوپ همان عاملی است که به رومن امکان می‌دهد تا با دامنه آماری بی‌سابقه‌ای پژوهش در زمینه انرژی تاریک را پیش ببرد.

کرونوگراف چه چیزهایی را آزمایش خواهد کرد

  • فناوری‌های فعال کرونوگراف که ماسک‌ها، آینه‌های قابل تغییر شکل (deformable mirrors) و کنترل دقیق موج‌یار (wavefront control) را ترکیب می‌کنند؛
  • حالت‌های مختلف رصدی برای نشان‌دادن قابلیت‌های طیفی و شناسایی ترکیبات اتمی/مولکولی در سیارات فراخورشیدی؛
  • демонوندهیِ مسیر برای مأموریت‌های بزرگ آینده که هدفشان تصویربرداری مستقیم از سیارات مشابه زمین است.

CGI نخستین کرونوگراف فعال خواهد بود که در فضا بر روی یک رصدخانه علوم مورد آزمایش قرار می‌گیرد تا این تکنیک‌ها را محک بزند. این دستگاه تنها یک نشان‌دهنده فناوری نیست: CGI می‌تواند به‌طور مستقیم تصاویر و طیف‌هایی از سیارات فراخورشیدی نزدیک و روشن و نیز دیسک‌های پیرامون ستارگان که در آن‌ها سیارات در حال شکل‌گیری‌اند، به‌دست آورد. چنین توانایی‌هایی نقش مهمی در توسعه فناوری‌های تصویرسازی مستقیم (direct imaging)‌ ایفا می‌کنند و مسیر را برای مأموریت‌های آینده با هدف تصویرگیری از سیارات قابل سکونت هموار می‌سازند.

اهداف علمی: انرژی تاریک، سیارات فراخورشیدی و کشفیات غیرمنتظره

اولویت‌های علمی رومن بلندپروازانه اما متمرکز است. این تلسکوپ به‌طور مشخص برای پیشبرد چهار حوزه علمی اصلی طراحی شده: درک انرژی تاریک، کامل‌کردن سرشماری سیارات فراخورشیدی (خصوصاً از طریق میکرولنزینگ یا گرانش‌عدسی میکروسکوپی)، تصویربرداری از سیارات فراخورشیدی با کرونوگراف، و جستجوی اجرام فشرده از جمله سیاه‌چاله‌های اولیه (primordial black holes). هر یک از این اهداف از ترکیب حساسیت، رزولوشن زاویه‌ای و میدان غیرمعمولاً وسیع رصدخانه بهره می‌برند.

برای مطالعات انرژی تاریک، رومن ساختار مقیاس بزرگ جهان را نقشه‌برداری و اندازه‌گیری می‌کند که چگونه این ساختار در طول زمان تکامل می‌یابد. پیمایش‌های فروسرخ در نواحی وسیع به اخترفیزیکدانان امکان می‌دهد که کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی دوردست را شناسایی کنند؛ توزیع این ساختارها اثراتی از تاریخ انبساط کیهانی را حمل می‌کند. از آنجا که اثرات انرژی تاریک ظریف و کم‌سپسند است، توان آماری رومن — پیمایش ناحیه‌ای از آسمان که هابل برای آن نیاز به دهه‌ها تلاش داشت — آن را به ابزاری منحصر‌به‌فرد برای پالایش اندازه‌گیری‌های شتاب کیهانی تبدیل می‌کند.

در حوزه سیارات فراخورشیدی، رومن دو روش مکمل را دنبال خواهد کرد. اولین روش میکرولنزینگ گرانشی است: رصد میدان‌های ستاره‌ای پرجمعیت برای ثبت روشنایی کوتاه‌مدتی که نشانه عبور یا لنز شدن گرانشی توسط یک سیاره است. این تکنیک به‌ویژه نسبت به سیارات سرد و دور حساس است و می‌تواند جمعیت‌هایی را آشکار سازد که با روش‌های گذر (transit) یا سرعت شعاعی (radial-velocity) قابل دسترسی نیستند. در مأموریت اولیه پنج‌ساله، انتظار می‌رود رومن هزاران سیاره فراخورشیدی میکرولنز شده را کشف کند، از جمله اجرامی در نواحی بیرونی سامانه‌های سیاره‌ای.

کرونوگراف مسیر دوم را فراهم می‌آورد: تصویربرداری مستقیم از سیارات نزدیک و مواد پیرامون ستارگان. اگرچه CGI یک نمایشگر فناوری است، اما سخت‌افزار و استراتژی‌های رصدی را آزمایش خواهد کرد که ممکن است بعدها مأموریت‌هایی را ممکن سازند که به‌طور خاص برای تصویربرداری از سیارات مشابه زمین در نور بازتابی ستاره طراحی شده‌اند.

حجم داده، طول عمر مأموریت و محدودیت‌های عملیاتی

رومن برای انجام پیمایش‌های مداوم ساخته شده است. طی مأموریت اولیه پنج‌ساله، پیش‌بینی می‌شود این تلسکوپ حدود 20,000 ترابایت (۲۰ پتابایت) داده تصویری و طیف‌سنجی تولید کند — معادل خروجی دهه‌ها پیمایش سنتی که در دوره‌ای کوتاه فشرده شده است. این مجموعه‌های داده به‌صورت عمومی در دسترس قرار خواهند گرفت تا جامعه اخترشناسی وسیع‌تر بتواند آن‌ها را برای کشفیات فراتر از اهداف اصلی مأموریت کاوش کند. دسترسی آزاد به داده‌ها اهمیت زیادی برای تحقیقات تکمیلی، پروژه‌های شهروندی و تحلیل‌های چندطیفی دارد.

برخلاف تلسکوپ‌های فروسرخ سرد (cryogenic) که به خنک‌کننده‌های مصرف‌شونده وابسته‌اند، رومن از کنترل حرارتی غیرفعال و مواد پایداری استفاده می‌کند که به طور کریوستاتیک پایدارند، بنابراین محدودیتی ناشی از اتمام خنک‌کننده نخواهد داشت. مصرفی اصلی که طول عمر مأموریت را محدود می‌کند، پیشرانه است: سوخت برای نگهداری مدار در نزدیکی نقطه L2 و برای انجام مدیریت اشاره‌گیری و تکانه مورد نیاز است. در صورتی که استفاده از پیشرانه بهینه باشد، رومن می‌تواند فراتر از دوره اولیه پنج‌ساله به یک فاز توسعه‌یافته عملیاتی ادامه دهد، همان‌طور که بسیاری از رصدخانه‌ها پیش از این عمل کرده‌اند.

از منظر عملی، سیل داده‌های رومن نیازمند زیربنای زمینی قدرتمند، خطوط لوله پردازشی کالیبره‌شده و سامانه‌های آرشیوی خواهد بود. موفقیت مأموریت تنها به تلسکوپ بستگی ندارد، بلکه به پردازش داده‌ها نیز وابسته است تا پیکسل‌های خام را به کاتالوگ‌های آماده پژوهش و طیف‌های کالیبره‌شده برای جامعه علمی تبدیل کند. ساختن پایپ‌لاین‌هایی با قابلیت اعتبارسنجی، مدیریت خطای سیستماتیک و توزیع سریع محصولات داده‌ای از اولویت‌های مهم برنامه است.

زمان‌بندی، وسیله پرتاب و زمینه برنامه‌ای

پس از مونتاژ، رومن تحت آزمایش‌های محیطی و سیستماتیک در گُدارْد قرار خواهد گرفت و سپس برای آماده‌سازی نهایی پرتاب به مرکز فضایی کندی ارسال می‌شود. فهرست فعلی زمان‌بندی، پرتاب در ماه مه 2027 با راکت فالکون هِویِ اسپیس‌اکس را در نظر گرفته است، اگرچه برنامه اعلام کرده که رومن ممکن است از پاییز 2026 آماده شود. با توجه به پیچیدگی برنامه‌های تلسکوپ فضایی و سابقه تاخیر در تقویم اجرایی رصدخانه‌هایی مانند هابل و جیمز وب، رسیدن به یک تاریخ اولیه دستاوردی چشمگیر خواهد بود.

پس از پرتاب، رومن به سمت مدار هالوی نقطه L2 سامانه خورشید-زمین حرکت خواهد کرد، در حدود 1.5 میلیون کیلومتر از زمین، جایی که پایداری حرارتی و میدان دید پیوسته برای پیمایش‌های فروسرخ و تصویربرداری با کنتراست بالا مناسب است. از L2، فضاپیما می‌تواند شرایط حرارتی و تامین برق پایداری را حفظ کند و در همین زمان مجموعه داده‌های عظیم را از طریق شبکه فضاپیمایی عمیق (Deep Space Network) و سیستم‌های زمینی مأموریت به زمین منتقل نماید.

نکات کارشناسی

«رومن نشان‌دهنده یک انتخاب طراحی سنجیده است: حداکثر‌سازی سرعت پیمایش و دامنه آماری به‌جای دنبال‌کردن عمیق‌ترین نوردهی‌های تک‌نقطه‌ای»، می‌گوید دکتر ماریا چن، اخترفیزیکدانی که تکامل کهکشان‌ها را مطالعه می‌کند و پیش‌تر به‌عنوان دانشمند مأموریت روی یک ابزار پیمایشی فضایی کار کرده بود. «این بدان معناست که رومن اندازه‌گیری‌های سطح جمعیت را تولید خواهد کرد که برای پرداختن به انرژی تاریک و جمعیت‌شناسی سیارات فراخورشیدی لازم است. و از آنجا که کرونوگراف کنترل موج‌یار فعال را در فضا آزمایش خواهد کرد، این ابزار همچنین نوعی سرمایه‌گذاری در فناوری‌هایی است که برای مأموریت‌های آینده تصویرسازی مستقیمِ مشابه زمین لازم خواهیم داشت.»

دکتر چن اضافه می‌کند: «از منظر عملیاتی، چالش مدیریت داده به اندازه سخت‌افزار اهمیت دارد. ساختن پایپ‌لاین‌هایی که محصولات قابل اتکا و کالیبره شده را به‌سرعت تحویل می‌دهند، به دانشمندان — و دانشمندان شهروندی — امکان می‌دهد که تقریباً بلافاصله آغاز به کشف کنند.»

فناوری‌های مرتبط و چشم‌اندازهای آینده

کرونوگراف رومن از آینه‌های قابل تغییر شکل و ماسک‌های دقیق برای شکل‌دهی تابع انتشار نقطه‌ای (point spread function) تلسکوپ و کاهش نور ستاره‌ای استفاده می‌کند. این تکنیک‌ها، همراه با حسگرهای پیشرفته و سنجش موج‌یار (wavefront sensing) به‌عنوان گام‌های اساسی به سوی مأموریت‌هایی هستند که می‌توانند به‌طور مستقیم سیارات منطقه قابل سکونت پیرامون ستارگان مشابه خورشید را تصویر کنند. درس‌هایی که از CGI گرفته می‌شود، بر گزینه‌های طراحی مأموریت‌های پرچمدار آینده مانند مفاهیم HabEx یا LUVOIR تاثیر خواهد گذاشت.

در بخش پیمایش، WFI رومن مشاهدات تسهیلات زمینی و سایر تلسکوپ‌های فضایی را تکمیل خواهد کرد. با ترکیب نقشه‌های وسیع و عمیق فروسرخ رومن با پیمایش‌های نوری و رادیویی، دانشمندان می‌توانند ردشیفت‌های فوتومتریک را بهبود بخشند، رویدادهای گذرا را زودتر شناسایی کنند و نماهای چندطیفی از تکامل کهکشان‌ها، پروژنیترهای ابرنواختر و محیط‌های شکل‌گیری ستاره‌ای فراهم آورند.

رومن احتمالاً نتایج غیرمنتظره نیز تولید خواهد کرد — کلاس‌های جدیدی از گذراها، رویدادهای نادر عدسی گرانشی یا آشکارسازی‌های اتفاقی اجرام کم‌نور منظومه شمسی. از منظر تاریخی، هر تلسکوپ بزرگ پارامتری جدید را گشوده و شگفتی‌هایی را آشکار ساخته که اولویت‌های پژوهشی را دگرگون کرده‌اند؛ انتظار می‌رود رومن نیز همان مسیر را دنبال کند.

نتیجه‌گیری

تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن وارد مراحل پایانی پیش از پرتاب خود شده و مأموریت علمی روشنی دارد: پیمایش حجم‌های بزرگ از کائنات، بررسی فیزیک شتاب کیهانی و نشان‌دادن تصویربرداری با کنتراست بالا برای علوم سیارات فراخورشیدی. اگر آزمایش‌ها و یکپارچه‌سازی‌ها به‌خوبی ادامه یابند، ممکن است زودتر از زمان‌بندی اعلام‌شده پرتاب شود و سیلی از داده‌ها را فراهم آورد که دهه‌ها منبع کشفیات خواهد بود. برای دانشمندان و عموم مردم، رومن وعده پیشرفت‌های برنامه‌ای و دقیق در کیهان‌شناسی و همچنین هیجان کشفیات غیرمنتظره — دنیاهای جدید، گذراهای نو و سرنخ‌های تازه در مورد جایگاه ما در عالم — را دارد.

منبع: sciencealert

ارسال نظر

نظرات

مطالب مرتبط