تلسکوپ‌های غول‌آسا در خدمت یافتن موجودات فرازمینی

فضانورد پس از نصب آخرین قطعه‌ی تلسکوپ کمی مکث می‌کند تا دستاورد خود را مشاهده کند. انعکاس او روی یک دیسک نقره‌ای به‌اندازه‌ی سه زمین تنیس نمایش داده می‌شود؛ این تلسکوپ با ترکیبی از صدها ۶ضلعی و آینه‌ای به قطر ۳۰ متر، بزرگ‌ترین تلسکوپ فضایی است. زمین از این ایستگاه به‌صورت یک کره‌ی آبی و سفید کوچک به اندازه‌ی یک بند انگشت به نظر می‌رسد.

اگرچه به نظر می‌رسد سناریوی بالا بخشی از یک داستان علمی-تخیلی باشد، اما فرایند نصب و مونتاژ برای دانشمندان، مهندسان و تکنسین‌ها در راه تبدیل به واقعیت قرار گرفته است. ناسا در حال بررسی توسعه‌ی تلسکوپ‌های بزرگ‌تر و بهتر است. ناسا در پژوهشی موسوم به iSAT (مونتاژ تلسکوپ در فضا) به بررسی این ایده می‌پردازد. در این برنامه از پیشرفت‌های علمی و فناوری برای حل مشکلات بزرگ‌تر و کاربردی‌تر استفاده می‌شود.

برای مثال، ساخت ماهواره‌های جاسوسی و موشک‌های جنگی در طول جنگ سرد قرن بیستم، یکی از محرک‌های اصلی ساخت کاوشگرهای میان‌سیاره‌ای روباتیک و حتی مأموریت‌های سرنشین‌دار آپولوی ناسا بود. به‌طور مشابه، در قرن بیست‌ویک، نیاز فزاینده‌ی صنعتی و نظامی برای ارسال ماهواره به مدار می‌تواند به شکل چشمگیری تلسکوپ‌های فضایی را بهبود دهد و به این صورت به برخی از بزرگ‌ترین سؤال‌های علمی از جمله اینکه آیا ما تنها هستیم، پاسخ دهد. به‌گفته‌ی مت گرین هاوس یکی از اعضای این پژوهش و اخترفیزیک‌دان مرکز فضایی Goddard Space Flight:

برنامه‌ی iSAT می‌تواند به بزرگی پروژه‌ی آپولو باشد. پژوهش‌های iSAT شامل کشف زندگی فرازمینی هم خواهد بود؛ دستاوردی که آپولو را هم از نظر تأثیر بر بشریت تحت‌الشعاع قرار می‌دهد.

اولین مأموریت فضانوردان برای تعمیر و ارتقای تلسکوپ فضایی هابل، سال ۱۹۹۳. ناسا امروز به‌دنبال مونتاژ تلسکوپ‌های بزرگ‌تر و سرویس آن در فضا توسط فضانوردان یا روبات‌ها است.

آماده‌سازی توسعه

ساخت و تعمیر فضاپیما یکی از دستاوردهای انقلابی بشر محسوب می‌شود که با مسیری تقریبا بدون خطا و موفق به یک امر روتین تبدیل شده است. دو پروژه‌ی پیشتاز ناسا یعنی ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) و تلسکوپ فضایی هابل، وجود خود را مدیون ساخت‌وسازهای درون مداری هستند. ISS که طی دو دهه مونتاژ و مجددا آماده به کار شد، حالا به وسعت یک زمین فوتبال بوده و فضای آن برای زندگی از یک خانه‌ی استاندارد ۶ اتاقه هم بیشتر است.

امروزه پروژه‌های متعددی، ادامه‌دهنده‌ی راه تلاش‌های پیشتاز اولیه هستند و قابلیت‌های قدرتمندی دارند. هم‌اکنون ناسا و DARPA (سازمان پروژه‌های پژوهشی پیشرفته‌ی دفاعی پنتاگون) و همین‌طور شرکت‌های بخش خصوصی مانند Northrop Grumman و SSL در حال ساخت فضاپیمای روباتیکی هستند که طی چند سال آینده با هدف مأموریتی طولانی برای تعمیر، جابه‌جایی و ارتقای ماهواره‌های دولتی و تجاری پرتاب خواهد شد.

این فضاپیماها به مونتاژ تلسکوپ و دیگر سازه‌های بزرگ فضایی از جمله پروژه‌های ناسا برای مأموریت‌های سرنشین‌دار ماه و مریخ خواهند پرداخت. سال گذشته، ناسا (در یک پروژه‌ مشترک بین ارتش ایالات‌ متحده و سازمان اکتشافات ملی) رهبری استراتژی ملی توسعه‌ی عمومی و خصوصی مونتاژ در فضا، در دهه‌ی ۲۰۲۰ و فراتر از آن را برعهده گرفت.

تفسیر هنرمند از مأموریت Drogonfly. همکاری ناسا و Space Systems Loral که فناوری‌های لازم برای ساخت مدارپیما را نشان می‌دهد. بازوی روباتیک Dragonfly پس از آغاز مأموریت آن در سال ۲۰۲۰، با هدف ساخت یک آنتن رادیویی بزرگ به ساخت و توسعه‌ی بازتاب‌دهنده‌ها خواهد پرداخت.

این پروژه‌ها می‌توانند به عصر تاریکی (اصطلاحی که بعضی کارشناسان انتخاب کرده‌اند) علوم و اکتشافات فضایی پایان دهند. یکی از اعضای بررسی iSAT، جو پاریش، مدیر برنامه‌ی فناوری تاکتیکی DARPA و مدیر مأموریت‌ RSGS (سرویس‌دهی روباتیک ماهواره‌های موجود در مدار زمین) می‌گوید:

دنیایی را تصور کنید که در صورت تمام شدن سوخت خودرو، به‌جای رانندگی به سمت پمپ بنزین، خودروی خود را به زباله‌ی خودرو ببرید و رها کنید یا فرض کنید وقتی برای اولین‌بار وارد خانه‌ای می‌شوید، نمی‌توانید خواروبار مورد نیاز را با خود ببرید و حتی نمی‌توانید برای نشتی آب، لوله‌کش خبر کنید و یک تلویزیون جدید بخرید. فرض کنید همه در چادر زندگی کنیم و خانه‌ی خود را پشت خود حمل کنیم و هیچ‌کس به فکر یک خانه‌ی پایدار و همیشگی نباشد. آیا این احمقانه نیست؟ اما این همان دنیایی است که با سرمایه‌ی یک میلیارد دلاری در فضا ساخته شده است. فکر می‌کنم در آینده، نگاه ما به عصر قبل از مونتاژ و سرویس‌دهی فضایی مانند نگاه زمان حال به انداختن زالو برای درمان بیماری‌ها در گذشته باشد.

هرچه بزرگ‌تر، بهتر

درک واقعیت و انگیز‌ه‌ی اصلی مونتاژ در فضا ساده است: برای فرستادن هر چیزی به فضا باید موشک متناسب با آن را در نظر گرفت. حتی بزرگ‌ترین موشک‌ها (موشک‌های ۱۰ متری در حال توسعه‌ی SLS یا سیستم پرتاب فضایی) نمی‌توانند ماهواره‌ای مانند ISS یا حتی ایستگاه فضایی کوچک‌تری مانند Gateway را حمل کنند (این ایستگاه فضایی قرار است در سال ۲۰۲۰ در مدار ماه قرار بگیرد).

پرتاب چنین پروژه‌هایی به‌صورت قطعه به قطعه و سپس مونتاژ آن‌ها در مدار توسط روبات‌ها یا فضانوردان، تنها راه قرار دادن آن‌ها در مدار است. اگرچه موشک‌های بزرگی مانند SLS بسیار پرهزینه خواهند بود، اما با موشک‌های متوسط و در طی چند مرحله پرتاب می‌توان مونتاژ در فضا را انجام داد و به این صورت هزینه‌ها هم کاهش می‌یابند.

محاسبه‌ی نیروی مورد نیاز تلسکوپ‌های فضایی عظیم هم سرراست است: هرچقدر آینه‌ی جمع‌کننده‌ی نور بزرگ‌تر باشد، میدان دید کیهانی تلسکوپ هم عمیق‌تر و بهتر خواهد بود. اصطلاح بزرگ‌تر و بهتر برای تلسکوپ‌ها بسیار به واقعیت نزدیک است. به‌ویژه تلسکوپ‌هایی با اهداف انقلابی مثل بررسی شکل‌گیری کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیاره‌ها در تاریخچه‌ی ۱۳.۸ میلیارد ساله‌ی کیهان.

تفسیر هنرمند از LUVOIR (کاوشگر عظیم مادون قرمز، لیزری، فرابنفش)، طرحی که به‌عنوان تلسکوپ فضایی جستجوگر حیات تحت بررسی ناسا قرار دارد. بزرگ‌ترین نسخه‌ی LUVOIR دارای یک آینه به عرض ۱۵ متر است که حمل آن حتی با بزرگ‌ترین راکت‌ها هم امکان‌پذیر نیست.

با این تلسکوپ‌ها می‌توان به ماهیت ماده و انرژی تاریک پی برد و به جستجوی علائم حیات روی دنیاهای قابل سکونت در اطراف ستاره‌ها پرداخت. اغلب طرح‌های کنونی برای تلسکوپ‌های فضایی اهداف جذاب و وسوسه‌انگیزی مثل ساخت آینه‌هایی به قطر ۱۵ متر را دنبال می‌کنند؛ اما به‌دلیل اندازه‌ی بزرگ، حمل آن‌ها حتی با موشکی مثل SLS هم امکان‌پذیر نیست.

سال‌ها است که ستاره‌شناسان رویای ساخت رصدخانه‌های فضایی بزرگ‌تر با آینه‌هایی به عرض ۳۰ متر یا بیشتر را در سر دارند (رقابت با تلسکوپ‌های مستقر در زمین که در دهه‌ی ۲۰۲۰ ساخته خواهند شد). این غول‌های عظیم برای قرار گرفتن در بالای جو زمین طراحی خواهند شد و می‌توانند از دنیاهای شبه زمین در اطراف ستاره‌های دیگر عکس بگیرند و شرایط این سیاره‌ها برای حیات را بررسی کنند.

براساس گزارش جدید استراتژی علوم سیاره‌ی خارجی از آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی، ناسا باید ساخت یک تلسکوپ فضایی جدید را درنظر بگیرد که میدان دید بسیار وسیعی داشته باشد. ابزاری که قادر به بررسی صدها (حداقل هزاران) ستاره‌ی نزدیک به زمین و سیاره‌های خارجی شبه‌زمین باشد. این طرح پیشنهادی (که خود بازتابی از پژوهش‌های گذشته بود) در یکی از دیگر گزارش‌های آکادمی علوم بیشتر مورد تأکید قرار گرفت.

در این گزارش از سازمان فضایی دعوت شد جستجوی موجودات فرازمینی را به بخشی از فعالیت‌های اکتشافی فضایی آینده تبدیل کند. بسیاری از دانشمندان بر این باورند که کهکشان ما می‌تواند شامل میلیاردها جهان قابل سکونت باشد، این داده‌ها براساس یک مجموعه از آمار تلسکوپ فضایی کپلر و ماهواره‌ی جدید سازمان فضایی برای بررسی سیاره‌های خارجی به‌دست آمده است.

صرف‌نظر از اینکه با دیدگاه پیشرفت‌های علمی، امکانات فناوری یا افکار عمومی به قضیه نگاه کنید، ساخت تلسکوپ‌های فضایی برای جست‌وجوی حیات فرازمینی بیش‌ازپیش گسترش یافته است و به‌نظر می‌رسد ناسا دیر یا زود، گام بزرگی را برای جستجوی حیات فرازمینی بردارد.

میزان بزرگی تلسکوپ برای رسیدن به موفقیت در جست‌وجوی فضای میان‌ستاره‌ای به میزان نفوذ آن در کیهان وابسته است. یک آینه‌ی چهار متری با کمی شانس می‌تواند به موفقیت بی‌سابقه‌ای دست پیدا کند و یک زمین خارجی قابل سکونت را در اطراف یکی از نزدیک‌ترین ستاره‌های همسایه پیدا کند؛ اما اگر کیهان زیاد مهربان نبود و نزدیک‌ترین دنیاهای قابل سکونت در فواصل دورتری قرار داشتند، تلسکوپ‌های مجهز به آینه‌های ۱۵ متری یا بیشتر می‌توانند به‌خوبی به جست‌وجوی چنین سیاره‌هایی بپردازند. به‌طور خلاصه، فرایند مونتاژ در فضا تنها مسیر پایدار برای تکمیل تلاش‌های هزاره و پایان دادن به انزوای انسان در کیهان است.

رویاهای دیرینه

به‌گفته‌ی نیک سیگلر اختیرفیزیکدان ناسا در آزمایشگاه پیشرانه‌ی جت (JPL) و سرپرست برنامه‌ی اکتشافات سیاره‌های خارجی سازمان فضایی:

دانشمندان برای دستیابی به هدف با محدودیت روبه‌رو شده‌اند. اما اگر این محدودیت‌ها وجود نداشت چه اتفاقاتی رخ می‌داد؟ مونتاژ در فضا، پاسخ به این سؤال است، فرصتی برای کنار زدن مرزهای اکتشافات علمی و انسانی.

در اواخر سال ۲۰۱۶ سیگلر با همکاری هرلی ترونسون، دانشمند ارشد NASA Goddard و رودرا موخرجی، متخصص روباتیک JPL، برنامه‌‌ای به نام FASST (تیم آینده‌ی سرویس‌دهی و مونتاژ در فضا) را راه‌اندازی کردند و نشست افتتاحیه‌ی این گروه در اوایل سال ۲۰۱۷ در کنفرانس اخترفیزیک تگزاس برگزار شد.

بررسی iSAT اولین فعالیت FASST با سرمایه‌گذاری ناسا است، اما آخرین هم نیست. از اعضای این تیم می‌توان به جان گرونسفلد، فضانورد سابق، سرپرست برنامه‌های علمی ناسا و تعمیرکار مدار در سه مأموریت سرویس‌دهی هابل اشاره کرد. به‌گفته‌ی گرانسفلد و همکاران او، آن‌ها در این پروژه تأکید کمتری بر پرچم‌دار بودن سازمان فضایی درزمینه‌ی مونتاژ تلسکوپ دارند و سعی می‌کنند بیشتر به شفاف‌سازی مزایا و معایب بالقوه‌ی این روش بپردازند. اما به‌گفته‌ی یکی از اعضای تیم ران پولیدمان و کارشناس بازنشسته‌ی توسعه‌ی فناوری فضایی در ناسا و نورتروپ، پاسخ به سؤال‌هایی مثل چرایی، چیستی، چگونگی، ریسک، هزینه و زمان مونتاژ داخل فضا هنوز مشخص نیست.

تنها چیزی که مشخص است، محدودیت زمانی این گروه برای تأثیر معنادار بر برنامه‌های آینده‌ی ناسا است. این تیم پژوهشی مرتب کنفرانس‌های متعددی را برگزار می‌کند و به‌دنبال راه‌حلی برای مونتاژ‌های فضایی یک تلسکوپ فرضی با آینه‌ای ۲۰ متری است. برای مثال آن‌ها سعی می‌کنند به این قبیل سؤال‌ها پاسخ دهند: این تلسکوپ از چه اجزایی ساخته شده است و دقیقا در چه موقعیتی باید نصب و فعال می‌شود؟ کدام موشک‌ها و فضاپیماها از آن پشتیبانی می‌کنند و چند پرتاب برای نصب و مونتاژ آن لازم است؟ قطعات تلسکوپ توسط فضانوردان یا روبات‌ها مونتاژ می‌شوند؟ و مهم‌تر از هرچیز، آیا مونتاژ داخل فضا یک روش بهینه برای ساخت تلسکوپ‌های کوچکتر است (که با یک موشک و در یک مرحله به فضا پرتاب می‌شدند)؟؛ پاسخ به این پرسش‌ها بهار سال آینده در گزارش تیم iSAT خواهد آمد.

نمایش شماتیک طرح اثبات مفهومی iSAT، یک تلسکوپ فرضی با آینه‌ای ۲۰ متری که برای مونتاژ و سرویس‌دهی روباتیک در فضا طراحی شده است. یک سایه‌بان خورشیدی خنک‌کننده‌ی تلسکوپ، پشت آینه‌ی اصلی کندومانند و زیر دهانه‌ی واسطه قرار گرفته است. این رصدخانه را می‌توان به‌صورت مرحله‌به‌مرحله ساخت و قابلیت‌های آن را به مرور افزایش داد.

این زمان‌بندی برای طرح نهایی پروژه‌ی Gateway ناسا هم ضروری است؛ از این ماهواره به‌عنوان پلتفرم ساخت‌وساز در اعماق فضا استفاده می‌شود. زمان‌بندی بررسی iSAT با بررسی اخترفیزیک Decadal Survey هم دارای همپوشانی است. Decadal طرح پژوهشی ۱۰ ساله است و انجمن پژوهشی ایالات‌ متحده، فهرستی اولویت‌دار را از پروژه‌های آینده‌ی ناسا و کنگره درنظر گرفته است. مهم‌ترین توصیه‌ی Decadal Survey تلسکوپ چند میلیارد دلاری فضایی برای دهه‌ی ۲۰۳۰ است، این پروژه‌ی پرچم‌دار بزرگ‌ترین مأموریت علمی سازمان فضایی خواهد شد.

اعضای STDT در تلاش هستند تا هزینه‌ی مأموریت خود را به حداقل برسانند. هنوز چگونگی کاهش هزینه‌ها در مأموریت‌های مونتاژ فضایی تعریف نشده است و این می‌تواند پیچیدگی طرح را افزایش دهد. هدف پژوهش‌ ما، محاسبه‌ی مزایای پروژه (در صورت وجود) است.

پولیدان یک ارزیابی بی‌پرده را پیشنهاد می‌دهد. او می‌گوید:

تعدادی از اعضای انجمن شخصا به من پیشنهاد دادند منتظر بمانیم و پژوهش iSAT را تا پس از Decadal Survay به تعویق بیندازیم. دلیل این پیشنهاد‌ها هم نبود تعریف دقیق از مونتاژ تلسکوپ‌ها در فضا و تأثیر آن بر کمیته‌ی Decadal و انتخاب مسیری پرهزینه یا خطرناک برای اخترفیزیک است.

داستان هشداردهنده‌ی وب

ساخت یک تلسکوپ جدید و بزرگ صرف‌نظر از اینکه روی زمین یا در فضا ساخته شود، برای بسیاری از اعضای جامعه‌ی اخترفیزیک ایالات‌متحده دشوار است. این اهداف ممکن است برای ناسا بیش‌ازحد بلندپروازانه باشند. از سویی، ظرف دو سال آینده، تلسکوپ فضایی جیمز وب به‌عنوان بزرگ‌ترین و قدرتمند‌ترین تلسکوپ فضایی که تاکنون به دست بشر ساخته شده است، به فضا پرتاب خواهد شد و به جست‌وجوی ردپای اولین ستاره‌ها و کهکشان‌ها در کیهان خواهد پرداخت.

اسکات گاودی، ستاره‌شناس دانشگاه ایالتی اوهایو و یکی از مؤلفین گزارش استراتژی علمی سیاره‌ی خارجی می‌گوید مردم تحت تأثیر جیمز وب قرار دارند و اخبار آن را دنبال می‌کنند.

در تلسکوپ جیمز وب یک آینه‌‌ی تاشو به قطر ۶.۵ متر و یک محافظ خورشیدی بزرگ‌تر (این آینه بزرگ‌ترین آینه‌ی تلسکوپ فضایی است که تاکنون ساخته شده) تعبیه شده است. هزینه‌ی واقعی وب از بودجه‌ی ۱.۶ میلیارد دلاری در ۱۹۹۶، تقریبا به ۱۰ میلیارد دلار رسید و تاریخ پرتاب آن از سال ۲۰۰۷ تغییر کرد و تا سال ۲۰۲۱ به تعویق افتاد.

واسطه‌های تلسکوپ جیمز وب و اجزای لیزری، شامل آینه‌ی اصلی ورقه‌ طلا به قطر ۶.۵ متر، تست برودتی در مرکز فضایی جانسون ناسا در هیوستون، تاریخ ۱ دسامبر ۲۰۱۷

به‌گفته‌ی یکی از اخترفیزیکدان‌های برجسته:

نگرانم کمیته‌ی Decadal از هزینه‌ی پروژه بترسد؛ و اگر جامعه‌ی Decadal تمایلی به پیشنهاد یک مأموریت استراتژیک بزرگ ندارد، ممکن است رقابت را به رقبایی مثل چین واگذار کند. چین برای مأموریت‌های مونتاژ در فضا از جمله رصدهای مداری برنامه‌ریزی کرده است. انتقال مهندسان و دانشمندان به عرصه‌های بین‌المللی هم می‌تواند علوم فضایی ایالات‌ متحده را دچار رکود کند و به‌این‌ترتیب دیگر ایالات‌ متحده، پیشتاز فضایی جهان نباشد.

یک دلیل قانع‌کننده برای این پروژه

هنوز بر سر مونتاژ و سرویس‌دهی وب در فضا بحث وجود دارد. هر نقص و وقفه در توسعه‌ی پیش از پرتاب محافظ خورشیدی یا آینه‌ی این تلسکوپ می‌تواند آن را به یک زباله‌ی فضایی ۱۰ میلیارد دلاری تبدیل کند. به همین دلیل، ساخت و تست تلسکوپ در مدار می‌تواند این تهدید و تهدیدهای دیگر را کاهش داده یا حتی خنثی کند (اگرچه، این کار با هزینه‌ی بیشتری همراه است). سیگلر می‌گوید:

مونتاژ داخل فضا نیاز به تا شدن تلسکوپ را کاهش می‌دهد. البته خرابی تلسکوپ به‌معنی شکست کامل مأموریت نیست.

حتی اگر همه‌چیز درباره‌ی تلسکوپ وب، طبق برنامه پیش برود، این تلسکوپ با ذهنیت سرویس‌دهی طراحی نشده است (برخلاف تلسکوپ هابل یا تلسکوپ پرچم‌دار بعدی WFIRST). سوخت تلسکوپ جیمز وب تقریبا پس از گذشت یک دهه از پرتاب تمام می‌شود. به‌گفته‌ی گوردون روسلر، یکی از اعضای بررسی iSAT و سرپرست سابق برنامه‌ی RSGS دارپا:

تلسکوپ وب باید بیشتر دوام بیاورد. iSAT یک مأموریت ۵۰ ساله را برای این تلسکوپ درنظر گرفته است؛ در طی این دوره می‌توان برای بازدید از آن برنامه‌ریزی کرد، سوخت آن را تأمین کرد، بخش‌هایی از آن را جایگزین کرد و واسطه‌هایی با فناوری بهتر را روی آن نصب کرد.

به همین دلیل، با وجود تجهیزات برتر تلسکوپ وب برای رصدهای فضایی در دهه‌ی ۲۰۲۰ و فناوری‌های جدید به‌کاررفته در آن، بسیاری از اعضای تیم iSAT این پروژه را یک بن‌بست تکاملی می‌دانند که دوره‌ی آن به پایان رسیده است. هر نتیجه‌ای که از جیمز وب به دست آید، نه‌تنها به خروجی‌های بررسی iSAT و بررسی Decadal بلکه به شجاعت دانشمندان و سیاست‌گذاران برای پوشش روش‌های جدید و جسورانه‌ی تغییر الگو هم وابسته است.

به‌گفته‌ی کن سمباخ، رئیس مؤسسه‌ی علمی تلسکوپ فضایی:

جامعه‌ی علمی بسیاری از اوقات به بزرگ‌ترین دشمن خود تبدیل می‌شود. به عقیده‌ی بعضی دانشمندان، امکان ساخت یک تلسکوپ بزرگ‌تر و البته پرهزینه‌تر از وب وجود ندارد؛ اما وقتی که من با پژوهشگران جوان‌تر، کنگره و عموم مردم صحبت می‌کنم، همه می‌پرسند چرا نباید تفکر بزرگ‌تری داشته باشیم؟ مردم از اهداف بلندپروازانه حمایت می‌کنند؛ بنابراین یک دلیل خوب برای انجام این کار وجود دارد.