تلسکوپ های جدید، امیدهای ناسا

احتمال دارد که ناسا فقط یکی از این چهار رصدخانه پیشنهادی را اجرایی کند و آژانس فضایی با استفاده از یک نظرسنجی مستقل که در سال ۲۰۲۰ توسط شورای تحقیقات ملی ارائه خواهد شد، تصمیم بگیرد کدام تلسکوپ باید بالاترین اولویت را دریافت کند.

ناسا سال گذشته مطالعاتی درمورد مزایای علمی، هزینه ها و چالش های فنی این چهار ماموریت نجومی انجام داد:

نقشه بردار بزرگ فرابنفش / مرئی / فروسرخ (LUVOIR)

یک ماموریت چند منظوره با پیگیری اهداف تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ فضایی جیمز وب با آینه اولیه ۸ تا ۱۶ متر که می تواند اکتشافاتی در سیارات فراخورشیدی، ماده تاریک، شکل گیری ستاره ها و کهکشان های اولیه در جهان و در سامانه خورشیدی ما داشته باشد.

ماموریت تصویربرداری از سیارات فراخورشیدی قابل سکونت (HabEx)

تلسکوپی کوچکتر از LUVOIR با آینه اولیه ۴ تا ۸ متر و ابزار حساس به نور فرابنفش، نور مرئی و نور نزدیک فروسرخ با هدف یافتن دنیاهای خارج از سامانه خورشیدی است که بتوانند لنگرگاه زندگی باشند. HabEx می تواند با یک کروناگراف (تاج نما)، قسمتی کوچک در داخل تلسکوپ برای مات کردن نور ستاره ای و آشکار کردن بازتاب های ضعیف نور سیارات و یا فیلتر نور ستاره ای (Starshade) - وسیله پروازی مستقل در ساختمان تلسکوپ برای محو کردن نور ستاره ای - پرتاب گردد.

تلسکوپ فضایی Origins

نقشه بردار فروسرخ دور با آینه اولیه تا قطر ۹ متر که می تواند جایگزین تلسکوپ فضایی اسپیتزر و رصدخانه فضایی هرشل آژانس فضایی اروپا شود. تلسکوپ فضایی Origins به بررسی روش شکل گیری کهکشان ها، ستارگان و سیارات و تحقیق درباره آب و گازهای گلخانه ای در سیارات فراخورشیدی و مطالعه گرد و غبار بین ستاره ای خواهد پرداخت.

تلسکوپ X-ray Lynx

این تلسکوپ دنباله رو رصدخانه اشعه X چاندرا ناسا و ماموریت XMM-Newton خواهد بود و به مطالعه پیدایش سیاهچاله های اولیه و عصر بازسازی می پردازد، زمانی که کهکشان های اولیه و منابع نور بعد از انفجار بزرگ پدیدار شدند.

چهار تیم، گزارش های موقت خود را تا پایان امسال ارائه خواهند داد و سپس گزارش های نهایی را در سال ۲۰۱۹ به عنوان منبعی برای دانشمندان در هیئت بررسی دهه اختر فیزیک بعدی در سال ۲۰۲۰ منتشر خواهند کرد که اولویت ماموریت های نجومی ناسا را ارزیابی خواهد کرد.

این مطالعات، تنها یک نقشه راه برای خیز بعدی ناسا در نجوم است و مقامات می گویند هر تلسکوپی که در دهه ۲۰۳۰ به پد پرتاب برسد، احتمالا بسیار متفاوت تر از طرح های مورد مطالعه باشد.

تصمیمات دشوار در مورد محدودیت های مهندسی و هزینه های احتمالی همچنان پیش می آید، اما ناسا با توجه به چرخه های طولانی  این ماموریت ها نیاز به آماده سازی دارد.

آژانس فضایی معمولا نظرسنجی های دهه های آینده را دنبال می کند. دو نظرسنجی در دهه گذشته، نجوم فروسرخ را اولویت بندی کرده است. گزارش شورای تحقیقات ملی در سال ۲۰۰۱ منجر به تصویب تلسکوپ فضایی جیمز وب شد که برای سال آینده آماده پرتاب خواهد بود. نظرسنجی دهه ۲۰۱۰ پیشنهاد کرد ناسا ماموریتی را دنبال کند که به تلسکوپ فروسرخ میدان باز WFIRST منجر گشت و برای پرتاب در اواسط دهه ۲۰۲۰ برنامه ریزی شده است.

ناسا پس از صرف هزینه های بسیار در JWST و WFIRST انتظار دارد سرمایه گذاری دیگری برای یک پروژه چند میلیارد دلاری پیشرفته دیگری به نام «رصدخانه بزرگ» برای پرتاب در اواسط ۲۰۳۰ در اختیار داشته باشد.

ستاره شناسان پیش بینی می کنند هر مسیری که در دهه های بعدی بررسی شده، اولویت بندی شود. برآورد هزینه برای هر یک از چهار ماموریت مفهومی برای کمک به اطلاع رسانی در مورد تصمیمات مطالعاتی دهه بعدی مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

ماموریت مفهومی LUVOIR یک جایگزین حقیقی برای هابل خواهد بود که اکثر طول موج های مشابه مشهورترین تلسکوپ مداری ناسا را پوشش می دهد. طرح کلی ماموریت مشابه توانایی تلسکوپ فضایی با وضوح بالا است، یک «ابَرهابل» که بوسیله ستاره شناسان در سال ۲۰۱۵ پیشنهاد شد. تلسکوپ روزنه بزرگ پیشرفته که با نام اختصاری ATLAST شناخته می شود.

دبرا فیشر، استاد نجوم دانشگاه ییل که با تیم تحقیقاتی LUVOIR همکاری می کند، گفت: « با LUVOIR ما قادر خواهیم بود با جزییات بیشتری به مطالعه در مورد چگونگی شکل گیری ستارگان در کهکشان ها بپردازیم.» او ادامه داد: « برنامه قاتل » LUVOIR در واقع قادر خواهد بود نقاط آبی محو اطراف بعضی ستارگان نزیک را تصویربرداری و کروناگرافی کند، سپس پس از گرفتن آن تصاویر، قادر خواهیم بود تا طیف آنها را بگیریم.

فیشر در یک سخنرانی در روز پنجشنبه در کمیته شورای اخترفیزیک ناسا گفت: « ابزار ماموریتی مانند LUVOIR می توانند نشانه هایی از بخار آب، اکسیژن، متان و سایر گازها را در محیط های بیگانه که ممکن است قابل سکونت باشند، دنبال می کنند. » اندازه رصدخانه ای مانند LUVOIR به حجم پرتابگرهایی بستگی دارد که در دهه ۲۰۳۰ در دسترس قرار می گیرند. آینه اولیه با چندین بخش مشابه طراحی JWST، برای پرتاب، مونتاژ خواهد شد.

موشک های تجاری مانند Delta 4-Heavy شرکت United Launch Alliance و موشک Falcon Heavy شرکت Space X با قطر استاندارد ۵ متر (۱۶ فوت) عرضه می شوند در حالی که سامانه های پرتاب فضایی پرهزینه اما پرقدرت ناسا می توانند بارهای به قطر    8.4 متر (۲۸ فوت) را تا اواخر ۲۰۲۰ در خود جای دهند.

ابعاد تلسکوپی مانند LUVOIR با قابلیت مشخصه های موشک های Delta، Falcon و SLS مونتاژ می شود. هر چند که موشک Delta 4 احتمالا جای خود را به نسل بعدی پرتابگر Vulcan  شرکت ULA خواهد داد و تا زمان آماده شدن برای این ماموریت، بازنشسته می شود.

تصویر هنری از آینه ۱۰ متری چندبخشی که درون قسمت بار موشک Delta 4 بارگذاری شده است.

موشک دیگری که ممکن است تلسکوپ های آینده را به فضا بفرستد، New Glenn، پرتابگری با سوخت متان است که توسط شرکت Blue Origin، شرکت فضایی تاسیس شده توسط آمازون جف بزوس، توسعه یافته است. New Glenn که به صورت خصوصی عمل می کند اولین پرتاب خود را در سال ۲۰۲۰ انجام خواهد داد، این موشک می تواند بارهایی به قطر ۷ متر (۲۳ فوت) را با خود حمل کند.

یک قاعده کلی برای تلسکوپ ها این است که یک آینه اولیه به قطر ۹ یا ۱۰ متر (۳۰ تا ۳۳ فوت) می تواند درون قسمت بار موشک Delta 4 یا Falcon قرار گیرد. دماغه مخروطی سامانه پرتاب فضایی می تواند یک آینه چندبخشی ۱۶ متری (۵۲ فوت)  را به سبک اوریگامی در خود جای دهد.

هیچ یک از طرح های در دست مطالعه نیازی به مونتاژ در فضا توسط فضانوردان ندارد اما فیشر گفت: « ممکن است برای ماموریتی مانند LUVOIR، امکان دستیابی به خدمات رباتیک یا انسانی مورد نیاز باشد.»

فیشر محدودیت های وسیله نقلیه را به عنوان یکی از ریسک های تکنولوژی بالا برای طرح مفهومی  LUVOIR می داند که احتمالا به نقطه مداری لاگرانژ L2 در فاصله 1.5 میلیون کیلومتری از زمین و در جهت دور از خورشید فرستاده خواهد شد.

فیشر گفت: «سوال های دیگری که مطرح است به آمادگی پوشش آینه فرابنفش، تکنولوژی آشکارساز مادون قرمز و سیستم های فوق العاده پایدار OPT-Mechanical اشاره دارد.»

در حالی که LUVOIR یک رصدخانه عمومی است که برای مقیاس های بزرگ کهکشانی، ماده تاریک و مطالعات آماری سیارات فراخورشیدی مورد استفاده قرار خواهد گرفت، طرح مفهومی کوچکتر HabEx بر روی تحقیقات سیارات فراخورشیدی تاکید و بر چند ستاره نزدیک شناخته شده برای میزبانی جهان های بالقوه قابل سکونت تمرکز خواهد کرد.

اسکات گودی استاد نجوم دانشگاه ایالتی اوهایو که در مطالعه HabEx همکاری می کند، گفت: « بیشتر از آنکه LUVOIR مبتنی بر آمار باشد، ما بیشتر مبتنی بر اکتشافات هستیم. ما می خواهیم سامانه های خورشیدی نزدیک را مطالعه کنیم و آنچه که هستند را کشف کنیم.»

در روز پنجشنبه گودی گفت: «HabEx می تواند تا دوازده سیاره بالقوه زمین مانند را در اطراف ستارگان همسایه خورشید کاوش نماید.» او ادامه داد: «هدف ما شناسایی و تشخیص تعداد انگشت شماری از سیارات بالقوه قابل سکونت و سپس جستجوی نشانه هایی از قابلیت های سکونت و حیات در این سیارات است.»

ماموریتی بر اساس طرح HabEx می تواند بین قیاس های زهره، زمین و مریخ که همه در طول کمربند حیات خورشید قرار دارند، متمایز شود. منطقه ای که آب مایع می تواند بر سطح سیاره، تحت شرایط مناسب، باقی بماند. اما فقط زمین دارای محیطی است که منجر به زندگی شده است.»

گودی گفت: «تیم او حداقل دو طرح مفهومی از HabEx را در هیئت بررسی دهه ارائه خواهد داد، یکی با آینه اولیه یک تکه ۴ متری(۱۳فوت) با قدرت جمع آوری نور تقریبا دو برابر هابل و دیگری با آینه چند تکه 6.5 متری (۲۱ فوت) قابل قیاس با JWST.

طرح HabEx برای حل مشکل نور ضعیف سیارات فراخورشیدی نیاز به کمک دارد. نوری که می تواند یک میلیارد بار کمتر از نورستاره میزبان باشد.

یکی از گزینه ها این است که محو کننده نور (Starshade) جداگانه ای پرتاب کنیم. یک فضاپیمای گلبرگی شکل به پهنای ده ها متر (تا ۱۰۰ فوت) که با هدایت لیزری ده ها هزار مایل دورتر از تلسکوپی مانند HabEx قرار گیرد. ایده این است که نور ستاره را مسدود کند و سیاراتی که در نزدیکی در تکاپو هستند را آشکار کند.

یک کروناگراف کوچک نیز درون تلسکوپ قرار می گیرد که می تواند به آشکار سازها کمک کند تا سیارات فراخورشیدی را ثبت کند. به این وسیله ابزار می توانند نور را همانند منشور، طیف سنجی کنند و داده هایی درباره مواد شیمیایی و گازهای موجود در جو آنها را به دانشمندان ارائه دهند.

طرح مفهومی تلسکوپ HabEx و محو کننده نور (مقیاس واقعی نیست) اعتبار: ناسا/JPL-Caltech

تاکنون هیچ تلسکوپی با محوکننده نور پرتاب نشده است و کروناگراف های تلسکوپ هایی مانند هابل و جیمز وب، سیاراتی  که نزدیک به ستارگانشان هستند را نمی توانند آشکار کنند، جایی که درجه حرارت برای زندگی مطلوب است. ماموریت WFIRST ممکن است با کروناگرافی با آینه های غیرقابل تغییر و دوربین های فوق العاده کم صدا سر و کار داشته باشد و دنیاهای بالقوه قابل سکونت را آشکار کند اما HabEx به لطف آینه بزرگتر، حساسیت بیشتری دارد.

طرح مفهومی دیگر تحت بررسی، جهان اشعه X و فروسرخ را اسکن خواهد کرد. تلسکوپ فضایی Origins تولد ستارگان و سیارات در کهکشان راه شیری را بررسی می کند و تکامل کهکشان ها را در تاریخ کیهانی پیگیری خواهد کرد و از طریق پوشش های ضخیم گرد و غبار به مطالعه مناطق ناشناخته می پردازد که برای تلسکوپ های دیگر غیر قابل رویت است.

بر اساس اکتشافات JWST و WFIRST - که هر دو رصدخانه های مادون قرمز هستند - انتظار می رود تلسکوپ فضایی Origins به نور فرو سرخ کم حساس باشد. قسمتی از طیف که بخشی از سردترین قسمت های جهان را نشان می دهد.

آسانتا کورای، استاد دانشگاه کالیفرنیا، ایروین، و همکار در مطالعه تلسکوپ فضایی Origins گفت: «ما هنوز سوال هایی خواهیم داشت.  ما نمی خواهیم بدانیم که ستارگان چگونه پدیدار شدند، بلکه میخواهیم بدانیم و بفهیم که چه مکانیزم هایی چه نوع ستارگانی را تولید می کند.»

کورای در روز پنجشنبه گفت: «تلسکوپ فروسرخ دور می تواند به قطر ۹ متر (۳۰ فوت) باشد، اندازه ای که می تواند در قسمت بار موشک های Delta و Falcon قرار گیرد.»

تلسکوپ فضایی Origins  می تواند توده گاز و غبار ضعیف بین ستاره ای را تصویربرداری کند. توده هایی از مواد سرد که در نور فرو سرخ دور تابش می کنند.

کورای گفت: « ما هنوز کاوشگری برای فضای بین ستاره ای نداریم. جایی که قرار است تلسکوپ فضایی Origins آن را کاوش نماید.» او ادامه داد: « رصدخانه های فروسرخ همانند HabEx و LUVOIR رصدهایی بر روی سیارات فراخورشیدی و نشانه هایی از حیات بالقوه خواهند داشت.»

«مورد علمی ما گسترده است و طیف وسیعی از موضوعات را پوشش می دهد. هدف ما ارائه حساسیتی بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ بار بهتر از بهترین چیزی است که با هرشل ESA داریم. این عدد بزرگی است.»

کوری گفت: « ماموریتی بر اساس تلسکوپ فضایی Origins سی برابر حساسیت JWST را دارد، نه فقط به دلیل اندازه آن، بلکه به دلیل کولرهای مکانیکی آن که آشکارسازهای رصدخانه را زیر ۵ درجه کلوین، سرد نگه می دارد. کمی بالاتر از صفر مطلق. این باعث می شود تلسکوپ های آینده توانایی دیدن قسمت های بسیار سرد جهان را داشته باشند.»

مقایسه بر اساس مقیاس واقعی چند تلسکوپ فضایی بزرگ و اندازه آینه اولیه طرح تلسکوپ فضایی Origins

دانشمندان کنونی پروژه تلسکوپ فضایی Origins آینه اولیه ای به قطر حدود ۹ متر دارند. این نمودار همچنین درجه حرارت هر یک از آشکار سازها را به کلوین مقایسه می کند. اعتبار: HURT/IPAC

کوری ادامه داد: « ما برای گرفتن تصاویر و پیشرفت کم تلاش نمی کنیم. ما واقعا درباره ستاره شناسی انقلابی، با کمک تلسکوپ فضایی Origins، صحبت می کنیم.»

ستاره شناسانی که تلسکوپ بالقوه اشعه X بعدی را مدنظر دارند، در حال کار بر روی طرح ماموریت Lynx هستند. به عنوان ماشینی که برای بازگشت به اولین میلیارد سال بعد از انفجار بزرگ، ساخته می شود، رصدخانه Lynx به دنبال پیدا کردن اولین سیاهچاله ها و کهکشان ها خواهد بود. نظریه هایی که در حال حاضر تابع درک ستاره شناسان در این دوره هستند، زمانی که نور توانست از اولین ستاره ها از طریق جذب بخار هیدروژن که از انفجار بزرگ به وجود آمده، فرار کند. Lynx می تواند داده های با ارزشی را به معادله بیافزاید.

الکسی ویخلینین اخترفیزیکدان مرکز اختر فیزیک هاروارد-اسمیت سونیان و همکار در مطالعه Lynx گفت: « ما تصمیم گرفتیم که Lynx چه نوع رصدخانه ای باشد، این رصدخانه چه اندازه ای باید داشته باشد. ما طرح هایی برای اپتیک اشعه X مشخص کردیم. ما در حال تصمیم گیری برای مجموعه ابزار پیشنهادی هستیم.»

ویخلینین در روز پنجشنبه گفت: « تیم Lynx، محرک های تشکیل کهکشان و ایجاد سیاهچاله ها را به عنوان دو ستون کلیدی ماموریت مشخص کرده است. »

طرح Lynx همچنین نقشه توزیع ماده در وب کیهانی، فضای تهی، خوشه ها و رشته هایی که جهان را می پوشانند، ترسیم می کند. هدف دیگر هاله های مواد احاطه کننده اطراف درخشان ترین مناطق پرستاره کهکشان ها است. جایی که ستاره شناسان باور دارند نقش مهمی را در تولد کهکشان بازی می کند.

دانشمندان می گویند که ماموریت Lynx حساسیتی دو برابر بیشتر نسبت به چاندرا که در سال ۱۹۹۹ پرتاب شد، و تلسکوپ اروپایی آنتن اشعه X که برای سال ۲۰۲۸ برنامه ریزی شده، خواهد داشت.

اما در واقعیت پیشرفت های بزرگی در تکنولوژی برای ایجاد ماموریتی مانند Lynx مورد نیاز است. ویخلینین گفت: «اپتیک اشعه X سبک وزن با وضوح بالا، چیزی است که بیشترین تمرکز ما بر روی آن است.»

Astronomynow.com