تلسکوپ‌های فضایی چگونه ما را به «زمان گذشته» می‌برند؟

فرادید| اگر تا به حال از تماشای تصویری از فضا شگفت‌زده شده‌اید، به احتمال بسیار زیاد، آن تصویر توسط یک فضاپیما گرفته شده است. اگر در مورد سیارات منظومه شمسی خودمان صحبت کنیم، جایی که کاوشگرها از دهه ۱۹۶۰ تصاویر تماشایی از نمای نزدیک ارسال کرده‌اند، جای تعجب ندارد. اما در مورد تمام آن سحابی‌ها، خوشه‌های ستاره‌ای و کهکشان‌های بسیار دورتر، چطور؟

به گزارش فرادید، برای عکاسی نجومی خیره‌کننده، هیچ چیز نمی‌تواند تلسکوپ فضایی هابل ناسا یا جانشین عظیم جدید آن، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) را شکست دهد. آن‌ها را تلسکوپ فضایی می‌نامند نه فقط به این دلیل که فضا را رصد می‌کنند، بلکه به این دلیل که در فضا قرار دارند.

برای نمونه، جیمزوب (JWST) حدود ۱.۵ میلیون کیلومتر با زمین فاصله دارد، یعنی تقریباً چهار برابر فاصله ماه و به اندازه‌ای دور که سیگنال‌های رادیویی ارسال‌شده از زمین که با سرعت نور حرکت می‌کنند، حدود پنج ثانیه طول می‌کشد تا به آن برسند. به بیان دیگر، JWST حدود پنج ثانیه نوری از زمین فاصله دارد، اما بسیاری از کهکشان‌هایی که از آن‌ها عکس گرفته، صدها میلیون یا حتی میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند. روشن است که دلیل قرار گرفتن JWST و هابل قبل از آن در فضا، ربطی به گرفتن عکس‌های نمای نزدیک ندارد. آن‌ها به اجسامی که در حال مشاهده آن‌ها هستند نزدیکتر از تلسکوپ‌های اینجا روی زمین نیستند. پس چرا اخترشناسان برای کارگذاری تلسکوپ در فضا این همه زحمت و هزینه صرف می‌کنند؟ 

بالاتر از جوّ

یک دلیل، داشتن دید واضح‌تر است. بدیهی است ابر یا مه برای یک تلسکوپ فضایی مشکلی ایجاد نخواهد کرد، اما اثر جوّی دیگری هم وجود دارد که در زمین به قدری آشناست که ما آن را بدیهی می‌دانیم. منظورمان حالتی است که در آن ستاره‌ها چشمک می‌زنند، به جای اینکه به شکل نقاط ثابت نور ظاهر شوند. یعنی پرتوهای نور ستارگان دائماً به واسطه تلاطم‌های اتمسفر تکان می‌خورند و هر قدر هم که یک تلسکوپ خوب باشد، اگر روی سطح زمین قرار گیرد هرگز نمی‌تواند تصویر کاملاً واضحی بگیرد. ایده پرتاب تلسکوپ به فضا برای حل این مشکل نخستین بار توسط فیزیکدان آمریکایی لیمن اسپیتزر در سال ۱۹۴۶ پیشنهاد شد. 

کپلر-۱۶، سیاره‌ای در فاصله ۲۰۰ سال نوری از ما که به دور دو ستاره می‌چرخد. این سیاره سال ۲۰۱۱ با استفاده از داده‌های تلسکوپ فضایی کپلر پیدا شد

این البته مدت‌ها قبل از تبدیل شدن سفر فضایی به یک واقعیت عملی بود. تا اینکه سال ۱۹۹۰، پس از اعمال نفوذ زیاد ستاره‌شناسان، سرانجام ناسا هابل را به مدار زمین فرستاد. از نظر طراحی، این تلسکوپ با یک تلسکوپ زمینی با اندازه متوسط قابل‌مقایسه است، اما نقطه دید برتر آن در مدار، آن را بسیار قدرتمندتر از هر ابزاری در سطح زمین کرده است. 

واضح‌ترین نتیجه، جریان تصاویر تمام‌رنگی باشکوهی بود که همه ما با آن‌ها آشنا هستیم، اما شاید شگفت‌آور این باشد که اینها ارتباط بسیار کمی با ماموریت اصلی هابل دارند. آن‌ها اساساً تبلیغاتی هستند با هدف ارائه شگفتی‌های نجوم به عموم مردم و الهام بخشیدن به نسل‌های جدیدی از دانش‌آموزان برای دنبال کردن مشاغل حوزه علوم فیزیکی. این فقط یک هدف فرعی از هدف اصلی هابل است، یعنی علم پیشرفته. در طول سه دهه، یافته‌های آن در بیش از ۲۰۰۰۰ مقاله علمی گزارش شده که بسیاری از آن‌ها بدون هیچ تصویر عکاسی هستند. برای اخترشناسان، اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقِ مثلاً شدت نور یا طیف‌های شیمیایی مهمترین چیز است و سخت‌افزار جمع‌آوری داده هابل واقعاً برای همین نیاز طراحی شده است. 

نوردهی‌های فوق طولانی و سفر به آغاز کیهان

جوّ علاوه بر تار کردن تصاویر نجومی، اثر مخرب دیگری هم دارد. پدیده «تابش آسمان» یا پراکندگی نور در جوّ، به این معنا که هرگز کاملاً تاریک نمی‌شود و توانایی تلسکوپ‌های زمینی برای دیدن اجرام بسیار کم‌نور را محدود می‌کند. با این حال، در فضا، پس‌زمینه کاملاً سیاه است و تشخیص کم‌نورترین اجرام با نوردهی به اندازه کافی میسر است. 

تلسکوپ فضایی هابل در مدار ۵۴۰ کیلومتری بالای زمین

در مورد هابل، طولانی‌ترین عکس‌های نوردهی آن که با اشاره مکرر به یک قسمت از آسمان گرفته شدند و نتیجه را در طول چند روز جمع می‌کنند، تصاویر «میدان عمیق» نامیده می‌شوند، چون این تلسکوپ‌ها بسیار عمیق‌تر از هر تلسکوپ زمینی در کیهان کاوش می‌کنند. از آنجا که نور با سرعت محدودی حرکت می‌کند، تصاویر میدان عمیق هم در حال جستجوی فواصل دورتر هستند. به بیان ساده، هر قدر یک شئ دورتر باشد، مدت زمان دورتری، سفر نور آن به سمت ما آغاز شده است. 

این موضوع سبب می‌شود هابل چیزی شبیه ماشین زمان کیهانی شود با عمیق‌ترین تصاویر میدان ژرف آن که ۹۷ درصد عمر ۱۳.۸ میلیارد ساله‌ی جهان را موشکافی می‌کنند تا به ما نشان دهند ۴۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ چگونه به نظر می‌رسید. و این تازه آغاز کار است، اخترشناسان امیدوارند JWST دورتر از اینها را ببیند، یعنی زمان تشکیل نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها. 

جستجوی سیارات فراخورشیدی

میان بسیاری از اهداف علمی که ستاره‌شناسان امروزی دنبال می‌کنند، برخی از آن‌ها ممکن است به همان اندازه برای عموم مردم جذاب باشند. جستجو درباره تولد کیهان، کاری که تصاویر میدان عمیق هابل انجام می‌دهند، یک نمونه است و جستجو برای حیات فرازمینی نمونه دیگری است. اگر در مورد زندگی در مرحله‌ای از پیچیدگی قابل‌قیاس با خودمان صحبت می‌کنیم، پس بعید است آن را اینجا در منظومه شمسی خودمان پیدا کنیم. ما باید به سیارات فراخورشیدی که به دور ستارگانی غیر از خورشید خودمان می‌چرخند نگاه کنیم. به نظر می‌رسد این حوزه دیگری است که در آن، تلسکوپ‌های فضایی نسبت به مدل‌های زمینی مزایای زیادی دارند. 

راه‌های مختلفی برای کشف سیارات فراخورشیدی جدید وجود دارد، اما یک راه خاص وجود دارد که می‌توان آن را در مقیاس صنعتی انجام داد، به شرط این که از یک تلسکوپ فضایی با طراحی ویژه استفاده کنید. این روش که «روش ترانزیت» نامیده می‌شود، از این واقعیت استفاده می‌کند که وقتی سیاره‌ای که به دور ستاره‌ای دوردست می‌چرخد، از منظر ما از روی آن ستاره عبور می‌کند، بخش کوچکی از نور ستاره مسدود می‌شود. اخترشناسان برای شناسایی سیاره، فقط باید مراقب آن کاهش بارز روشنایی باشند. تا اینجای کار خوب است، نظارت بر روشنایی یک ستاره در طول زمان («منحنی نور» آن) بخش کاملاً دیرینه‌ای از نجوم است. با این حال، به طور سنتی، از آن برای جستجوی نوسانات نسبتاً بزرگ و مکرر استفاده شده است، نه نوسان‌های کوچکی که یک سیاره فراخورشیدی در حال عبور ممکن است هر چند سال یک بار تولید کند. 

تکنسین‌ها در حال بلند کردن آینه تلسکوپ فضایی جیمز وب با جرثقیل در مرکز پرواز فضایی گدارد در مریلند 

برای داشتن هر گونه امید موفقیت، باید هزاران منحنی نور را به طور همزمان و مداوم در یک دوره چندساله به دنبال کاهش روشناییِ چند قسمت به ازای میلیون رصد کنیم. این یک چالش مهندسی فوق‌العاده است که انجام آن در نهایت تنها با تلسکوپ‌های فضایی خاص میسر است. نخستین آن‌ها، کپلرِ ناسا، سال ۲۰۰۹ به فضا پرتاب شد و تا پایان عمر کاری خود در سال ۲۰۱۸، حداقل ۲۷۰۰ سیاره فراخورشیدی جدید (بیش از دوسوم تمام سیاره‌های شناخته‌شده آن زمان) کشف کرد.

فرای طیف مرئی

طول موج‌های نوری که چشمان ما می‌توانند ببینند، بخش کوچکی از طیف کامل امواج الکترومغناطیسی (EM) را در بر می‌گیرند، مشابه یک کلید تک در وسط صفحه‌کلید پیانو. تمام آن طول موج‌های «نامرئی» در دو طرف باند موج مرئی، اطلاعات بالقوه مورد علائق ستاره‌شناسان را حمل می‌کنند، اما بسیاری از آن‌ها نمی‌توانند از جوّ زمین عبور کنند (یکی از دلایل تکامل چشمان ما برای استفاده از چنین طیف باریکی). 

اسپیتزر در مقاله پیشگویانه خود در سال ۱۹۴۶ اشاره کرد که قرار دادن یک تلسکوپ در فضا، بخش‌هایی از طیف EM را که معمولاً توسط جوّ پوشانده می‌شوند، باز می‌کند. در واقع، برخی از نخستین تلسکوپ‌های فضایی، دهه‌ها قبل از هابل، روی باندهای طول موج کوتاه‌تری مانند اشعه ماوراء بنفش و اشعه ایکس متمرکز بودند. در طول موج‌های بلندتر، مادون قرمز به ویژه برای نفوذ به ابرهای گرد و غبار اطراف مناطق ستاره‌ساز و برای دیدن اجرام کم‌نور و خنک مانند سیارات فراخورشیدی مفید است و تصادفی نیست که پوشش JWST از نوار مرئی به خوبی تا این قسمت از طیف گسترش می‌یابد. 

حتی مشاهده طول موج‌هایی که به سطح زمین می‌رسند، مانند رادیو، گاهی‌اوقات از فضا راحت‌تر است. یک مثال خوب، پس‌زمینه مایکروویو کیهانی است، یعنی تابشی اولیه که حدود ۳۸۰۰۰۰ سال پس از انفجار بزرگ در جهان پخش شد. این تابش به قدری ضعیف است که تلسکوپ‌های زمینی برای شناسایی آن در برابر رقابت منابع تولیدشده توسط انسان با طول موج مشابه، مانند تلفن‌های همراه و وای‌فای، تلاش می‌کنند، اما تلسکوپ‌های فضایی مانند پلانک از آژانس فضایی اروپا (ESA)، آن را با جزئیات ترسیم کرده‌اند. 

آینده

از انفجار بزرگ تا سیارات فراخورشیدی، تلسکوپ‌های فضایی در ایجاد درک کنونی ما از کیهان نقش کلیدی داشته‌اند. اما در ازای هر کشفی که انجام می‌شود، پرسش‌های جدیدی نیز ایجاد می‌شود که باید به آن‌ها پاسخ داد، بنابراین بدیهی است که ستاره‌شناسان همیشه مصرانه برای تلسکوپ‌های فضایی بزرگ‌تر و بهتر تقاضا خواهند کرد. تازه واردان این حوزه شامل اقلیدس Esa می‌شود که سال گذشته راه‌اندازی شد و به تازگی ماموریت جاه‌طلبانه نقشه‌برداری از توزیع میلیاردها کهکشان را تا فاصله ۱۰ میلیارد سال نوری در تلاش برای کشف اسرار انرژی تاریک (انرژی در فضای خالی که سبب شتاب گرفتن جهان در حال انبساط می‌شود) و ماده تاریک (که حدود ۸۵ درصد جرم جهان را تشکیل می‌دهد) را آغاز کرده است.

مترجم: زهرا ذوالقدر