تلسکوپ فضایی رومن چگونه سیارههای بیگانه را پیدا خواهد کرد؟
تلسکوپ فضایی رومن ناسا با رصد ۱۰۰ میلیون ستاره در مرکز راه شیری، بهدنبال کشف انواع سیارههای بیگانه ازجمله دنیای زمینسان خواهد بود.
تلسکوپ فضایی رومن ناسا با رصد ۱۰۰ میلیون ستاره در مرکز راه شیری، بهدنبال کشف انواع سیارههای بیگانه ازجمله دنیای زمینسان خواهد بود.
دو هفتهی پیش، موشک فالکون هوی اسپیسایکس، محمولهای را از مرکز فضایی کندی به فضا پرتاب کرد که میتواند گامی مهمی در مسیر پاسخ به یکی از پرسشهای بزرگ اخترشناسی باشد: سیارههای شبیه زمین چقدر در کهکشان راه شیری رایج هستند؟
تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا برای انجام طیف گستردهای از مطالعات علمی، از بررسی کهکشانهای بسیار دور گرفته تا مطالعه انرژی تاریک ، طراحی شده است؛ اما یکی از مهمترین برنامههای آن در طول عمرش، خیرهشدن طولانیمدت به یکی از شلوغترین مناطق راه شیری خواهد بود: برآمدگی کهکشانی.
برآمدگی کهکشانی، ناحیهای متراکم از ستارهها در مرکز راه شیری است که حدود ۱۰هزار سال نوری پهنا دارد. این منطقه آنقدر مملو از ستاره است که تلسکوپهای پیشین تنها توانستهاند بخش کوچکی از اعماق آن را بررسی کنند. رومن قرار است بیش از یکچهارم از مأموریت اصلی پنجسالهی خود را به رصد همین منطقه اختصاص دهد.
البته رومن قرار نیست تمام برآمدگی کهکشانی را زیر نظر بگیرد. «پیمایش زمانی برآمدگی کهکشانی» روی نواری نسبتاً باریک از مرکز راه شیری متمرکز خواهد شد؛ منطقهای که اندازه ظاهری آن در آسمان شب زمین تقریباً معادل هشت ماه کامل است. بااینحال، همین نوار کوچک از آسمان صدها میلیون ستاره را در خود جای داده است.
اسکات گائودی، اخترشناس دانشگاه ایالتی اوهایو و عضو تیم رومن، میگوید: «قرار نیست بخش خیلی بزرگی از برآمدگی را ببینیم، اما قرار است تا اعماق زیادی از درون آن را زیر نظر بگیریم و در واقع، تا آن سوی دیگر کهکشان را رصد کنیم.»
کریستن مککوئین، مدیر دفتر مأموریت تلسکوپ فضایی رومن نیز میگوید اخترشناسان در همین بخش نسبتاً کوچک از آسمان قادر خواهند بود صدها میلیون ستاره را تشخیص دهند. همین تعداد عظیم ستاره، کلید اصلی کشف سیارههای فراخورشیدی توسط رومن است.
یکی از روشهای اصلی رومن برای یافتن سیارههای بیگانه، پدیدهای به نام ریزهمگرایی گرانشی است. این روش با شیوهای که معمولاً برای کشف سیارههای فراخورشیدی به کار میرود، تفاوت اساسی دارد.
فرض کنید یک ستاره دوردست در پسزمینه قرار گرفته باشد و ستاره دیگری در فاصلهای نزدیکتر، بهطور اتفاقی از مقابل خط دید ما عبور کند. جرم ستاره نزدیکتر، میدانی گرانشی را بهوجود میآورد و این میدان میتواند نور ستاره دوردست را خم و برای مدت کوتاهی تقویت کند.
یکی از روشهای اصلی رومن برای یافتن سیارههای بیگانه، پدیدهای به نام ریزهمگرایی گرانشی است
اگر ستارهای که در پیشزمینه قرار دارد، خود میزبان یک سیاره باشد، گرانش آن سیاره نیز میتواند تغییر کوچک و کوتاهی در همین سیگنال ایجاد کند. با ثبت چنین تغییراتی، اخترشناسان میتوانند وجود سیاره را آشکار کنند؛ حتی اگر خود سیاره بههیچوجه بهطور مستقیم مشاهدهپذیر نباشد.
مزیت مهم این روش آن است که میتواند به سیارههایی با ابعاد مشابه زمین نیز حساس باشد و حتی امکان کشف برخی دنیاهایی را فراهم کند که در فواصل بسیار زیادی از ستاره خود قرار دارند یا حتی دیگر به ستارهای وابسته نیستند.
اما ریزهمگرایی یک مشکل اساسی دارد: رویدادهای آن معمولاً یکبار اتفاق میافتند. همخطی لازم میان سه جرم، یعنی ستاره پسزمینه، ستاره پیشزمینه و زمین بهسرعت از بین میرود و سیگنال نیز ناپدید میشود. بنابراین، برخلاف برخی روشهای دیگر، اخترشناسان معمولاً فرصت چندبارهای برای مشاهده همان رویداد ندارند.
مککوئین میگوید: «دلیل اینکه در گذشته ریزهمگرایی زیادی انجام ندادهایم این است که خود رویدادهای ریزهمگرایی بسیار نادر هستند. برای اینکه سالانه یکی از آنها را ببینید، باید ۱۰هزار ستاره را نگاه کنید.»
اما رومن قرار است این مشکل را با مقیاس بیسابقهی رصد خود حل کند. وقتی صدها میلیون ستاره بهطور همزمان زیر نظر باشند، رویدادهایی که برای یک تلسکوپ بسیار نادر به نظر میرسند، برای رومن به پدیدههایی نسبتاً متداول تبدیل خواهند شد.
ریزهمگرایی گرانشی تنها ابزار رومن برای پیداکردن سیارهها نخواهد بود. این تلسکوپ در جریان پیمایش برآمدگی کهکشانی، تقریباً هر ۱۲ دقیقه یک تصویر از میدان موردنظر ثبت خواهد کرد. این تصاویر پیوسته به اخترشناسان امکان میدهند تغییرات بسیار ظریف در روشنایی ستارهها را بررسی کنند.
یکی از مهمترین این تغییرات، گذار سیارهای است؛ یعنی زمانی که سیاره از نگاه ما از مقابل ستاره میزبان خود میگذرد و بخش کوچکی از نور ستاره را مسدود میکند. درحالیکه ریزهمگرایی معمولاً رویدادی یکباره است، گذر یک سیاره میتواند بارها و بارها تکرار شود. بنابراین اخترشناسان میتوانند با مشاهده گذرهای متعدد، یک منظومه سیارهای را در طول زمان بررسی کنند و اطلاعات بیشتری درباره آن به دست آورند.
برنامهریزان مأموریت انتظار دارند محیط سرشار از ستاره در برآمدگی کهکشانی بتواند در حدود ۱۰۰هزار سیاره فراخورشیدی دیگر را آشکار کند.
بیش از ۶هزار سیاره فراخورشیدی که تا به امروز شناخته شدهاند، عمدتاً از طریق روش گذار کشف شدهاند و رومن قرار است این تعداد را به شکل چشمگیری افزایش دهد. برنامهریزان مأموریت انتظار دارند محیط سرشار از ستاره در برآمدگی کهکشانی بتواند در حدود ۱۰۰هزار سیاره فراخورشیدی دیگر را آشکار کند.
هرچه سیاره بزرگتر باشد و فاصلهاش از ستاره میزبان کمتر باشد، سایه بزرگتری هنگام گذر ایجاد میکند و در نتیجه کشف آن آسانتر است. همین موضوع باعث میشود روش گذار بیشتر به سمت سیارههای پرجرم سوگیری داشته باشد. بااینحال، حساسیت رومن به اندازهای بالاست که در شرایط مناسب حتی میتواند اجرامی با ابعاد در حد ماه را نیز شناسایی کند.
گائودی میگوید: «تقریباً هر چیزی که حرکت کند، تکان بخورد یا چشمک بزند، قادر خواهیم بود آن را شناسایی کنیم.»
اهمیت پیمایش رومن فقط به تعداد سیارههایی که پیدا خواهد کرد محدود نمیشود. اخترشناسان میخواهند بفهمند جمعیت سیارهای راه شیری چگونه است.
ما میخواهیم بدانیم در محله کیهانیمان چند سیاره شبیه زمین وجود دارد. چند سیاره به ستارهای وابستهاند، چند سیاره در فاصلهای بسیار دور از ستاره خود قرار گرفتهاند و چند سیاره بهکلی از ستاره میزبان خود جدا شده و بهصورت آزاد در کهکشان سرگردان هستند.
پاسخ این پرسشها میتواند درک ما از چگونگی شکلگیری و تکامل منظومههای سیارهای را تغییر دهد. بهویژه یافتن سیارههای کوچک و زمینسان در بخشهای مختلف راه شیری میتواند سرنخهایی درباره میزان رایجبودن دنیاهای شبیه زمین در کهکشان به دست دهد.
این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که یافتن سیارههای زمینسان در اطراف ستارههای نزدیک، بهدلیل محدودیتهای رصدی، کار سادهای نیست. رومن با مطالعه جمعیت عظیم ستارههای مرکز کهکشان میتواند تصویر آماری بسیار گستردهتری از سیارههای راه شیری ارائه کند.
مککوئین میگوید: «مسئله فقط این نیست که چند سیاره وجود دارد؛ بلکه میخواهیم بدانیم چند سیاره شبیه زمین وجود دارد، چند سیاره واقعاً به یک ستاره وابستهاند و چه تعداد از آنها آزادانه در کهکشان ما حرکت میکنند.»
گنجینه دادههای رومن به سیارههای فراخورشیدی محدود نخواهد بود. صدها میلیون ستارهای که در پیمایش برآمدگی کهکشانی زیر نظر گرفته میشوند، میتوانند به کشف تعداد زیادی ستاره جدید، کوتوله قهوهای و اجرام فشرده نیز منجر شوند؛ از جمله سیاهچالههای با جرم ستارهای و ستارههای نوترونی.
در واقع، دانشمندان این پیمایش را بیشتر شبیه سرشماری کیهانی میدانند تا صرفاً پروژهای برای شمارش سیارهها. دادههای آن میتواند نشان دهد انواع مختلف ستارهها و اجرام کیهانی چه زمانی، چگونه و در کدام بخشهای راه شیری شکل گرفتهاند.
«مسئله فقط این نیست که چند سیاره وجود دارد؛ بلکه میخواهیم بدانیم چند سیاره شبیه زمین وجود دارد»
یکی از پرسشهای مهم نیز به سن ستارههای برآمدگی کهکشانی مربوط میشود. این منطقه یکی از قدیمیترین بخشهای راه شیری به شمار میرود و احتمالاً بیشتر ستارههای آن بسیار کهنسال هستند؛ اما هنوز مشخص نیست آیا جمعیت چشمگیری از ستارههای جوانتر نیز در این ناحیه وجود دارد یا خیر.
مریدیت جویس، استادیار مؤسسه فناوری روچستر، میگوید خودش به این دیدگاه متمایل است که برآمدگی کهکشانی تقریباً بهطور یکنواخت پیر است، اما «حقیقت این است که نمیدانیم». به گفته او، رومن سرانجام میتواند به این پرسش پاسخ قطعی بدهد.
رومن علاوه بر دوربین اصلی خود، یعنی «ابزار میدان گسترده» (WFI)، یک ابزار متفاوت و آزمایشی نیز به نام تاجنگار با خود به فضا برده است. هدف تاجنگار آزمودن فناوریهایی است که میتوانند راه را برای نسل بعدی تلسکوپهای مخصوص کشف سیارهها هموار کنند. این ابزار بهطور مشخص برای آزمایش روشهای تصویربرداری مستقیم از سیارههای فراخورشیدی در فضا طراحی شده است.
تصویربرداری مستقیم یکی از دشوارترین روشهای مطالعه سیارههای فراخورشیدی است. مسئله این است که سیاره در مقایسه با ستاره میزبان خود فوقالعاده کمنور است. برای مقایسه، تاجنگار رومن باید بتواند نور سیارهای را تشخیص دهد که تا حدود ۱۰۰ میلیون برابر کمنورتر از ستاره میزبانش است. ناسا میگوید فناوریهای بهکاررفته در این ابزار میتوانند عملکردی تقریباً ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر بهتر از تاجنگارهای فضایی پیشین ارائه کنند.
راهحل رومن این است که ابتدا تا حد امکان نور خود ستاره را از میدان دید حذف کند. تاجنگار مجموعهای از ماسکهای بسیار دقیق، آینههای تغییرشکلپذیر، آشکارسازها و سامانههای کنترل جبهه موج را به کار میگیرد. ماسکها طوری طراحی شدهاند که بخش عمده نور ستاره را مسدود کنند، درحالیکه نور بسیار ضعیف سیاره بتواند از مسیر نوری دیگری به آشکارساز برسد. این کار بهسادگی پوشاندن ستاره با یک صفحه کوچک نیست؛ زیرا حتی پس از مسدودکردن مستقیم نور، پراش و نواقص بسیار کوچک سامانه اپتیکی میتوانند نور ستاره را در اطراف خود پخش کنند و سیگنال ضعیف سیاره را بپوشانند.
اینجاست که آینههای تغییرشکلپذیر رومن وارد عمل میشوند. این آینهها میتوانند شکل سطح خود را با دقت بسیار بالا تغییر دهند تا خطاهای بسیار کوچک در اپتیک تلسکوپ و اعوجاجهای جبهه موج را جبران کنند. هزاران عملگر کوچک، شکل آینه را بهصورت پویا تنظیم میکنند تا نور ناخواسته ستاره تا حد امکان سرکوب شود. ناسا میگوید دقت این اصلاحات به اندازهای بالاست که میتواند خطاهایی کوچکتر از پهنای یک رشته DNA را جبران کند.
تاجنگار رومن برخلاف نمونههای قبلی یک سامانه فعال است؛ یعنی فقط به طراحی ثابت ماسکها متکی نیست و در حین رصد، تغییرات و خطاهای اپتیکی را اندازهگیری و اصلاح میکند. به همین دلیل، آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا آن را نخستین تاجنگار فعال پروازی در فضا توصیف میکند. ترکیب ماسکهای پیشرفته با کنترل فعال جبهه موج قرار است امکان ایجاد ناحیهای بسیار تاریک در اطراف ستاره را فراهم کند که در آن نور پراکندهشده ستاره به حداقل میرسد و شانس آشکارسازی سیاره افزایش پیدا میکند.
رومن قرار نیست با تاجنگار خود مستقیماً از سیارهای زمینسان تصویربرداری کند. فناوری این ابزار هنوز برای رسیدن به چنین سطحی از حساسیت کافی نیست
بااینحال، رومن قرار نیست با تاجنگار خود مستقیماً از سیارهای زمینسان تصویربرداری کند. فناوری این ابزار هنوز برای رسیدن به چنین سطحی از حساسیت کافی نیست. هدف رومن یک گام نزدیکتر است: تصویربرداری مستقیم از سیارههایی در ابعاد مشتری که به دور ستارههایی شبیه خورشید میچرخند. این سیارهها بسیار بزرگتر و درخشانتر از زمین هستند و رومن تلاش خواهد کرد آنها را در شرایطی ببیند که نسبت به بسیاری از سیارههایی که تاکنون مستقیماً تصویربرداری شدهاند، قدیمیتر، سردتر و به ستاره میزبانشان نزدیکتر هستند.
تلاش رومن برای تصویربرداری مستقیم از سیارههای فراخورشیدی در نهایت به هدفی بسیار بزرگتر متصل میشود. ناسا در حال توسعه فناوریهای مفهومی برای تلسکوپ نسل بعدی خود به نام «رصدخانه دنیاهای زیستپذیر» (HWO) است؛ رصدخانهای که هدفش تصویربرداری مستقیم از سیارههای زمینسان در اطراف ستارههای شبیه خورشید و مطالعه جو آنها برای جستوجوی نشانههای احتمالی حیات خواهد بود. تاجنگار رومن قرار است بخشی از فناوری موردنیاز برای رسیدن به این هدف را در محیط واقعی فضا آزمایش کند.
پرتاب رومن در واقع آغاز مرحلهای طولانی از آمادهسازی تلسکوپ در فضا است. تلسکوپ درطول تقریباً سه ماه آتی مشغول تکمیل فرایندهای راهاندازی و آزمایش ابزارها خواهد بود تا در نهایت در ژانویه ۲۰۲۷، آمادهی آغاز رصدهای علمی خود شود.
در آن زمان، تلسکوپ در فاصلهی تقریباً یکونیم میلیون کیلومتری از زمین در نقطهی لاگرانژی ۲ مستقر میشود و شروع به نگاهکردن به قلب متراکم و تا حد زیادی ناشناخته راه شیری میکند؛ منطقهای که نسلهای قبلی تلسکوپها تنها توانستهاند بخش کوچکی از آن را ببینند.
رومن قرار نیست فقط فهرست بلندتری از سیارههای فراخورشیدی ارائه کند. این تلسکوپ میتواند به ما نشان دهد سیارههای کوچک و زمینسان چقدر در راه شیری رایجاند، چه تعداد جهان سرگردان در میان ستارهها حرکت میکنند و خود قلب کهکشان چگونه شکل گرفته و تکامل یافته است.