کاوش فراتر از جیمز وب؛ برای مطالعه زمین بعدی، به تلسکوپی با قدرت سایه‌اندازی بالا نیاز است
چگونه می‌توان تشخیص داد سیاره‌ای که تریلیون‌ها کیلومتر با ما فاصله دارد، جهانی زمین‌مانند است؟ برای فهمیدن پاسخ، به مدار سیاره و نور ستاره که از سطح و جو آن بازتابیده می‌شود، نگاه می‌کنیم و از این طریق درمی‌یابیم آیا سیاره اقیانوس، اکسیژن و ازن دارد یا نه. بااین‌حال، دیدن نور بازتابیده‌شده از سیاره کار بسیار سختی است. جان ماتر، اخترفیزیکدان ارشد در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا می‌گوید «نمی‌توانید صرفاً تلسکوپ را به سمت ستاره‌ای آن بیرون نشانه بگیرید و به‌دنبال سیاره‌هایش بگردید. ستاره غرق در تابش خیره‌کننده است.»
هر سیاره‌ای شبیه به زمین، تقریباً به‌طور قطع درحال گردش در نزدیکی ستاره میزبانش یافت می‌شود. در مقایسه با ستاره، طیف نور بازتابیده‌شده از سیاره به طرز باورنکردنی ضعیف (به‌طور دقیق ۱۰ میلیارد برابر کم‌نورتر از ستاره) است. آکی روبرژ، پژوهشگر اخترفیزیک در ناسا می‌گوید «شما در کنار جرمی به‌شدت درخشان، به‌دنبال چیزی هستید که به طرز دیوانه‌وار کم‌نور است.» جستجوی سیاره‌ای فراخورشیدی صرفاً با تلسکوپ، حتی نمونه‌ای واقعا بزرگ، به اندازه یافتن کرم شب‌تاب با نورافکنی که به صورتتان می‌تابد، بیهوده است.
اما ناسا برای حل مشکل، چند راهکار در دست دارد. اولین راه‌حل، تاج‌نگار با کنتراست بالا نامیده می‌شود؛ ابزاری پیچیده که نور داخل تلسکوپ را حذف می‌کند و در تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن که قرار است سال ۲۰۲۷ پرتاب شود، به‌کار خواهد رفت. سایه‌بان ستاره‌ای، فناوری جدیدتری است که به طریقی دیگر سایه ایجاد می‌کند. سایه‌بان‌های ستاره‌ای فضاپیماهای بدون سرنشینی هستند که برای مسدودسازی نور، در فاصله‌ای دور درمقابل تلسکوپ پرواز می‌کنند. این فناوری هرچند هنوز در فضا آزمایش نشده، در آزمون شبیه‌سازی مقیاس‌بندی‌شده روی زمین، توانایی‌های تصویربرداری شگفت‌انگیز ارائه داده است.
ناسا از دانشمندان خواسته است تا این فناوری‌های مسدودکننده نور ستارگان را بهبود دهند. مأموریت‌های آتی می‌توانند آنها را با تلسکوپ‌های زمینی بزرگ یا تلسکوپی که قرار است در دهه ۲۰۴۰ پرتاب شود، ادغام کنند. این تلسکوپ جانشین تلسکوپ فضایی هابل خواهد شد و مسئولیت کاوش و سپس بررسی تقریباً ۲۵ سیاره فراخورشیدی زمین‌مانند را برعهده خواهد گرفت.
دو ابزار مسدودکننده نور ستاره، فناوری‌های مشترک ارائه می‌دهند؛ اما برخی دانشمندان باور دارند که آنها می‌توانند با یکدیگر همکاری کنند. مت بولکار، سرپرست مهندسی سامانه‌های اپتیکال در تلسکوپ رومن و یکی از مأموریت‌های پیشنهادی برای جانشینی هابل می‌گوید بر سر انتخاب ابزار نهایی، بحث بسیار شدید درجریان است. به گفته بولکار، این بحث تا چندین سال آینده ادامه خواهد داشت.
نوری که از ستاره و سیاره کوچک کم‌نور کنار آن ساطع می‌شود، به صورت موجی حرکت می‌کند. این امواج که با تلسکوپی قدرتمند به‌طور مستقیم به آنها نگاه می‌شود، یک لکه عظیم و خیره‌کننده از نور ستاره هستند. تلسکوپ به ازای هر فوتون از نور سیاره، ۱۰ میلیارد فوتون نور ستاره را می‌بیند. به منظور دیدن سیاره واقع در نزدیکی ستاره، باید بدون ازدست دادن فوتون‌های اندک نور خود سیاره، نور آن ستاره را با ضریب ۱۰ میلیارد کاهش دهید. به این کار حذف یا کنتراست ۱۰-۱۰ می‌گویند. در ۱۰-۱۰، تلسکوپ مسدودکننده نور ستاره می‌تواند نور اغلب سیاره‌های فراخورشیدی زمین‌مانند را حتی در فاصله ۱۶۰ تریلیون کیلومتری تشخیص دهد.
تصویر هنری تلسکوپ هاب‌اکس
تاج‌نگارها که درون تلسکوپ قرار دارند، با استفاده از مجموعه‌ای از پوشش‌های ویژه و یک جفت آینه تغییرشکل‌پذیر، تابش شدید نور خورشید دوردست را مسدود می‌کنند. اول، آینه‌ها پرتو نور را «پاکسازی» می‌کنند. سپس، پوشش‌ها (که به گفته بولکار، «نقطه‌ای کوچک را درست روی تصویر ستاره قرار می‌دهند،») نور ستاره را پس می‌زنند و ابزاری در پشت تلسکوپ، تصویر را جمع‌آوری می‌کند. در حالت ایده‌آل، نور ستاره مسدود می‌شود؛ اما نور تابیده از سیاره فراخورشیدی چرخان باقی می‌ماند.
در آزمایشگاه، تاج‌نگارهای با کنتراست بالا به کنتراست ۱۰-۱۰ نزدیک شده‌اند؛ اما همچنان به بهبود نیاز دارند. در فضا، آنها نیازمند تلسکوپی فوق‌العاده پایدار هستند. تاج‌نگارهای با کنتراست پایین‌تر از دهه‌ها پیش درحال کار در فضا بوده‌اند. هابل تاج‌نگاری با کنتراست پایین دارد و تاج‌نگار تلسکوپ فضایی جیمز وب که در حال عزیمت به سمت نقطه لاگرانژی ۲ است، تا حدی به لطف سایه‌بان یکپارچه اختصاصی‌اش، به حذف تقریباً ۵-۱۰ دست خواهد یافت. نمونه‌های آتی نظیر تاج‌نگاری که در تلسکوپ رومن به‌کار خواهد رفت، برای شناسایی سیاره‌های فراخورشیدی در کنتراست تقریباً ۸-۱۰ طراحی شده‌اند.
سایه‌بان ستاره‌ای گزینه‌ای کمتر اثبات شده است؛ اما پتانسیل بسیار بالایی دارد. پل برن، زمین‌شناس سیاره‌ای در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی به وب‌سایت وایرد گفت «سایه‌بان‌های ستاره‌ای می‌توانند مسیری کاملاً جدید برای مطالعه سیاره‌های فراخورشیدی باز کنند. توانایی تصویربرداری مستقیم از سیاره فراخورشیدی و شاید حتی به‌دست آوردن اطلاعات درباره سطح آن (روشنایی، شواهد از اقیانوس‌ها و غیره)، برای تبدیل ذرات نور یا خطوط کوتاه و موج‌دار روی نمودار به جهان‌های واقعی، به نوبه خود بسیار سودمند خواهد بود.»
سال ۱۹۶۲، لایمن اسپیتزر، اخترفیزیکدان مشهور آمریکایی روشی را توصیف کرد که در آن، یک «دیسک پنهان بزرگ» می‌تواند در فاصله دور درمقابل تلسکوپ قرار گیرد تا تابش ستاره را کاهش دهد و دیدن سیاره‌های نزدیک را آسان‌تر کند. امروزه، پیشرفت‌های فناورانه به اخترفیزیکدانان امکان داده‌اند تا سایه‌بانی را با قطر تقریبی ۲۵ تا ۷۵ متر تجسم کنند که از فاصله حدودا ۸۰ هزار کیلومتری درمقابل تلسکوپ پرواز خواهد کرد و مانند اوریگامی به شکل آفتابگردانی دایره‌ای درخواهد آمد. سایه‌بان دایره‌ای مرکزی دارد که گلبرگ‌ها آن را احاطه کرده‌اند. اسپیتزر چنین گلبرگ‌هایی را با عنوان خوشه‌های تیزی توصیف کرد که می‌توان از آنها برای تیره‌تر کردن سایه پشت سایه‌بان بهره گرفت.
تلسکوپ درست در لبه سایه آفتابگردان قرار می‌گیرد؛ جایی که گلبرگ‌ها خم می‌شوند و معدود فوتون‌های نور عبوری را دچار پدیده پراش (تفرق) می‌کنند. انحراف و پراش امواج نور مانند مسدودکردن آب درحال حرکت عمل می‌کند. منان آریا، متخصص در گروه سازه‌های کاربردی پیشرفته در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا می‌گوید «قرار دادن مانعی دیوارمانند را در وسط رودخانه تصور کنید. [در این حالت]، قرار نیست آب تا بی‌نهایت جدا شود و نقطه خشک طویلی را در بستر رود ایجاد کند؛ بلکه آب با خم شدن در اطراف آن مانع، امواج را به وجود خواهد آورد. برخی از این امواج در پایین‌دست مانعی که در رودخانه قرار داده‌ایم، امواج بزرگ‌تر را شکل خواهند داد. سایه‌بان ستاره‌ای دیواری با شکل کاملاً مناسب در رودخانه است که در پایین‌دست دور، تکه‌ای کوچک از زمین خشک ایجاد می‌کند.»
سایه‌بان ستاره‌ای ده‌ها هزار کیلومتر جلوتر از فضاپیمای اصلی‌اش پرواز می‌کند و با قرارگیری مستقیم بین ستاره و تلسکوپ، سایه یا نقطه خشکی در جریان نور تشکیل می‌دهد که تقریباً تمام نور تابیده از آن ستاره را مسدود می‌کند؛ اما نور ضعیف بازتابیده از سیاره‌های فراخورشیدی چرخان به دور آن را می‌گیرد. تلسکوپ به‌طور مستقیم در این نقطه که تقریباً یک متر پهن‌تر از آن است، مستقر می‌شود. در این موقعیت، نور ستاره به شکل لکه دیده نخواهد شد؛ بلکه دوناتی از سیاهی (سایه سایه‌بان ستاره‌ای) در احاطه نور ضعیف (ناشی از غبار فراخورشیدی پیرامون ستاره) و یک یا چند نقطه روشن درحال چرخش به دور ستاره (سیاره‌های فراخورشیدی در کنتراست ۱۰-۱۰) به چشم تلسکوپ خواهد آمد.
به منظور اثبات اینکه سایه‌بان ستاره‌ای این سطح از کنتراست را ارائه می‌دهد، تیمی به سرپرستی آنتونی هارنس، پژوهشگر پسادکترا در دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا دانشگاه پرینستون، با ابداع نسخه‌ای در مقیاس یک اینچ درون لوله‌ای ۸۰ متری در یک راهرو، طرح مفهومی زمینی ساختند. لوله با مسدودسازی نور محیط، تاریکی فضا را شبیه‌سازی کرد. پژوهشگران در انتهای یک سر لوله، لیزری بزرگ و در طرف دیگر، مجموعه‌ای ساده از لنزها را به‌عنوان تلسکوپ قرار دادند. آنها سپس مدلی یک اینچی از سایه‌بانی ستاره‌ای از جنس ویفر سیلیکونی را بین دو جسم گذاشتند. خوانش نور لیزر که با عبور از سایه‌بان ستاره‌ای به دوربین تلسکوپ‌مانند در انتهای لوله رسید، نشان داد که مدل ساخته‌شده کار می‌کند و کنتراست ۱۰-۱۰ را به وجود می‌آورد.
سایه‌بان ستاره‌ای ازآنجا که نور سیاره را بسیار کم از دست می‌دهد، می‌تواند به این سطح از کنتراست دست یابد. هارنس به وایرد گفت «در تاج‌نگار، نور ستاره و نور سیاره هردو وارد تلسکوپ می‌شوند و سپس وظیفه تاج‌نگار، جدا کردن این دو نور است. این فرایند جداسازی نور ستاره از نور سیاره به ازدست رفتن مقداری از نور سیاره منجر می‌شود. ازدست دادن نور سیاره اتفاق بدی است؛ زیرا سیاره‌ها به‌شدت کم‌نور هستند و باید تک‌تک فوتون‌هایی را که می‌توانیم، جمع‌آوری کنیم تا سیگنالی به اندازه کافی بزرگ برای شناسایی سیاره و تولید طیف رنگی آن ایجاد کنیم.»
سایه‌بان ستاره‌ای برخلاف تاج‌نگار، پیش از ورود نور به تلسکوپ، دو نور را از یکدیگر جدا می‌کند. نور ستاره تقریباً توسط سایه‌بان ستاره‌ای مسدود می‌شود: اما نور سیاره فراخورشیدی عبور می‌کند. همین توانایی موجب می‌شود که سایه‌بان ستاره‌ای بتواند در توصیف طیفی سیاره عملکردی بهتر داشته باشد؛ زیرا تولید رنگ‌های مرئی مستلزم پخش نور توسط طول موج آن است و در مقایسه با صرفاً تشخیص وجود سیاره، به نور بیشتری نیاز دارد.
فیل ویلمز، مدیر گروه فعالیت ساخت فناوری سایه‌بان ستاره‌ای اس ۵ در برنامه اکتشافات سیاره فراخورشیدی ناسا می‌گوید «سایه‌بان‌های ستاره‌ای درحال‌حاضر در ارائه کنتراست، فقط کمی بهتر از تاج‌نگارها هستند. به دلیل سادگی سایه‌بان‌های ستاره‌ای، ما می‌توانیم به کنتراست ۱۰-۱۰ دست یابیم و می‌توانیم این کار را به‌طور هم‌زمان برای مجموعه کاملی از طول موج‌های متفاوت انجام دهیم. انجام این وظیفه برای تاج‌نگار قدری چالش‌برانگیز است؛ زیرا آنها باید ضمن فعالیت درون تلسکوپ، بسیار پیچیده‌تر باشند. به‌طور خلاصه، صرفاً نمایش اینکه می‌توانید به کنتراست ۱۰-۱۰ دست یابید، نشان می‌دهد که فناوری سایه‌بان ستاره‌ای باید به‌عنوان یک تکنیک جدی گرفته شود.»
مقام‌های ناسا هم‌اکنون در سطح آمادگی فناوری ۵ بودجه فناوری سایه‌بان ستاره‌ای را تأمین می‌کنند که به معنای ساخت نسخه‌های کوچک‌شده و قطعات کامل روی زمین به‌منظور نمایش کارکرد آنها است. در سطح بعدی باید نسخه‌های تمام‌اندازه و پروازی سایه‌بان‌های ستاره‌ای در محیط‌های شبیه به فضا آزمایش شوند. ناسا مایل است پیش از آنکه مأموریتی وارد مرحله شکل‌گیری شود، فناوری خود را دست‌کم در سطح ۶ داشته باشد.
بخشی از علاقه ناسا به فناوری حذف نور ستاره، از نیاز به جایگزینی تلسکوپ قدیمی هابل ناشی می‌شود. نتایج گزارش اخیر ده‌سالانه نجوم نیز که مسیر پژوهش‌های اخترفیزیک آمریکا را هدایت می‌کند، جستجوی سیاره‌های فراخورشیدی زمین‌مانند را در اولویت قرار داده و برای انجام این مأموریت، پرتاب فضاپیمایی تقریباً ۱۱ میلیارد دلاری را در دهه ۲۰۴۰ خواستار شده است. گزارش یادشده به‌طور ویژه می‌خواهد این فضاپیما در همان طول موج‌های هابل رصد و دست‌کم تلسکوپی ۶ متری و ابزار تاج‌نگار با کنتراست بالا را برای بررسی دست‌کم ۱۰۰ ستاره و سیاره‌هایشان حمل کند. تلسکوپ سپس به امید کشف نشانه‌های زیستی، تکنیک‌های تصویربرداری عمیق‌تر را روی ۲۵ مورد از هیجان‌انگیزترین سیاره‌های فراخورشیدی استفاده خواهد کرد.
گزارش ده‌سالانه نجوم همچنین از دو مأموریت پیشنهادی به‌عنوان نقاط شروع برای چنین فضاپیمایی یاد می‌کند: LUVOIR (نقشه‌بردار بزرگ فرابنفش، نوری و فروسرخ) و HabEx (رصدخانه سیاره فراخورشیدی سکونت‌پذیر). از بین این دو، طرح پیشنهادی پروژه لووار، از این نظر که صرفاً با تاج‌نگار و تلسکوپ بزرگ ۸ متری طراحی شده، بیش از همه به مشخصات مورد نیاز گزارش ده‌سالانه نزدیک است. (دیافراگم بزرگ‌تر این تلسکوپ به سایه‌بان ستاره‌ای عظیمی نیاز دارد که ساخت آن درحال‌حاضر امکان‌پذیر نیست.) روبرژ، از دانشمندان طرح پیشنهادی لووار می‌گوید «درست است که اگر توانایی ساخت سایه‌بانی ستاره‌ای سازگار با لووار را داشتیم، می‌توانستیم احتمالاً طیف رنگی باکیفیت‌تری از سیاره‌ها به‌دست آوریم؛ اما بدین نتیجه رسیدیم که تاج‌نگار کاملاً ضروری است و صرفاً با اتکا به آن طیف رنگی مناسبی تهیه می‌کنیم.»
تصویر هنری تلسکوپ لووار
تیم هاب‌اکس تلسکوپی چهار متری را به همراه تاج‌نگار و سایه‌بانی ستاره‌ای با قطر ۵۲ متر پیشنهاد داده است. برتراند منسون، دانشمند ارشد آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا و رئیس مشترک هاب‌اکس، داشتن هر دو ابزار را مناسب می‌داند. سایه‌بان ستاره‌ای فراتر از ارائه کنتراست ۱۰-۱۰، می‌تواند از پهنای باند وسیعی از طیف نور تصویربرداری و طول موج‌های آب، اکسیژن و ازن را در یک تصویر واحد بررسی کند. درمقابل، تاج‌نگار لووار برای به‌دست آوردن کل طیف نور و یافتن سرنخ‌هایی از این ویژگی‌ها به گرفتن چندین عکس نیاز خواهد داشت. سایه‌بان ستاره‌ای همچنین ممکن است تصویربرداری از سیاره‌های فراخورشیدی واقع در فاصله کمتر از ستاره میزبانشان را امکان‌پذیر و به کشف سیاره‌هایی کمک کند که در مدارهای کوتاه‌تر به دور ستارگانش پنهان شده‌اند.
بااین‌حال، سایه‌بان ستاره‌ای که باید جدا از تلسکوپ پرواز کند، برخلاف تاج‌نگار بسیار چالش‌برانگیز است. نیاز به منبع انرژی جداگانه، استفاده از فضاپیما را تا تقریباً ۱۰۰ رصد یا بیشتر محدود می‌کند و سپس باید آن را از رده خارج یا سوخت‌گیری دوباره کرد. همچنین ترکیب تلسکوپ و سایه‌بان مستلزم آن است که دو فضاپیما برای تعامل با یکدیگر، پروازی دقیق و هماهنگ داشته باشند.
سپس البته، مسئله باز شدن در فضا مانند اوریگامی به میان می‌آید. آریا و دیگران درحال کار روی این موضوع بوده و چندین سایه‌بان آزمایشی بزرگ‌اندازه از جنس پلیمر کپتون و یک قاب بازشدنی فیبر کربن ساخته‌اند. سایه‌بان کپتونی از چندین لایه ساخته شده است؛ درنتیجه سوراخ‌های ایجادشده در سایه‌بان دراثر برخورد ریزشهاب‌سنگ‌ها، سایه آن را به خطر نخواهد انداخت. انجام این کار راحت نیست. گلبرگ‌های سایه‌بان ستاره‌ای باید بسیار تیز باشند تا کم‌ترین نور خورشید را به درون تلسکوپ بازتاب دهند. هرگونه اختلال می‌تواند بر تصویربرداری از سیاره فراخورشیدی اثر بگذارد. آریا می‌گوید «ما در حال ساخت یک سازه نوری دقیق هستیم که باید به‌صورت رباتیک تا و باز شود. این امر چالش‌های بسیاری به همراه دارد. ما گام به گام به این مشکلات نزدیک می‌شویم و همچنان فهرستی از کارها وجود دارد که برای اثبات این فناوری باید انجام شوند.»
شاید ازآنجاکه پروژه بسیار دشوار است، برخی اخترفیزیکدانان باور دارند که تاج‌نگار به اضافه سایه‌بان ستاره‌ای می‌تواند بهترین ترکیب مؤثر باشد. منسون داشتن یک سامانه هیبریدی را دارای مزیت می‌داند. تاج‌نگار با نشانه‌گیری به سمت ستارگان مختلف، می‌تواند شمار وسیعی از سیاره‌های بالقوه سکونت‌پذیر را تصویربرداری کند. سپس سایه‌بان ستاره‌ای می‌تواند نگاهی با وضوح بالا را به همراه پهنای باند وسیع و ظرفیت پذیرش نور هر سیاره ارائه دهد که برای توصیف عمیق سکونت‌پذیری آنها عالی است. تیم‌های هاب‌اکس و لووار از نزدیک با یکدیگر همکاری کرده‌اند و تیم‌های آتی احتمالاً اعضای آنها را جذب خواهند کرد.
سایه‌بان‌های ستاره‌ای احتمالاً کاربردهایی فراتر از مأموریت‌های اعماق فضا نیز خواهند داشت. ناسا برای بررسی امکان استفاده از سایه‌بان ستاره‌ای مداری به‌منظور شناسایی سیاره‌های فراخورشیدی از روی زمین، به تیم جان ماتر بودجه داده است. اورکاس یا ستاره مصنوعی تنظیم‌شدنی مداری (ORCAS)، نخستین رصدخانه هیبریدی زمینی فضایی خواهد بود که با استفاده از پرتوافکن لیزری در فضا به کانون‌یابی تلسکوپ زمینی کمک خواهد کرد و بدین ترتیب، اعوجاج ناشی از نگاه کردن به جو را حذف می‌کند. گام بعدی در طرح پیشنهادی، سایه‌بانی ستاره‌ای با نام «پوشاننده دور» با اندازه ۱۰۰ متر در مدار نزدیک زمین است. سایه‌بان از آنجا سایه‌اش را روی تلسکوپ خواهد انداخت. ماتر به وایرد گفت «سایه‌بان ستاره‌ای مداری بسیار مشکل‌تر است؛ اما می‌تواند سامانه نهایی رصد سیاره فراخورشیدی باشد. با استفاده از آن می‌توانیم در یک دقیقه نورگیری، زمینی را درحال گردش به دور ستاره‌ای نزدیک ببینیم و در یک ساعت، می‌توانیم بفهمیم آیا سیاره مثل زمین ما، آب و اکسیژن دارد یا نه.»
برای تصمیم‌گیری درباره اینکه کدام یک از پروژه‌های یادشده به پیش خواهند رفت، هنوز سال‌ها زمان باقی مانده است. بااین‌حال، تلسکوپ فضایی جیمز وب که اوایل ماه جاری پرتاب شد، به‌زودی تصاویری را به زمین خواهد فرستاد که به کمک سایه‌بانی کم‌کنتراست‌تر ثبت شده‌اند. جیمز وب در میانه سال ۲۰۲۲ به‌طور کامل عملیاتی خواهد شد و انتظار می‌رود تا وقتی سایه‌اندازان به مراتب قدرتمندتر از راه نرسیده‌اند، پرچم‌دار اصلی در جستجوی سیاره‌های فراخورشیدی باشد.