چشم انداز اختر شناسي در آينده

پس از سال 1399/2020، تلکسوپ ها بسيار عظيم و با صرفه و تعميرشان نيز آسان خواهند بود- حتي آنهايي که در فضا هستند.
 

پيش بيني آينده کاري دشوار است. با اين حال، اخترشناسان شروع به گمانه زني هاي خوبي کرده اند؛ درباره اين که در دهه سال هاي 1399 تا 1409/2020 تا 2030، چه تحقيقات بديعي بايد در حوزه فناوري انجام بدهند.
انگيزه بزرگ براي اين «پيش گويي» پروژه پيش روي آسترو 2010 بررسي يک دهه اخترشناسي و اختر فيزيک – است. کميته اي از شوراي تحقيقات ملي ايالات متحده قرار است در نيمه اول سال 1389/2010 اين بررسي را انجام بدهد. اين گزارش، جامعه علمي را تشويق به تهيه فهرستي از مأموريت ها و تجهيزات علمي براي دهه آينده مي کند. البته کنگره آمريکا با بررسي اين گزارش تصميم مي گيرد که به کدام تلسکوپ يا مأموريت فضايي بودجه اخصاص بدهد. در وبگاه آکادمي هاي ملي ايالات متحده (به نشاني www.nationalacademies.org در بخش هاي پروژه هاي جاري (Current Projects) مي توانيد به همه اطلاعات درباره اين بررسي دهه اي دسترسي پيدا کنيد.
همچنين اين بررسي دهه اي پيش رو همچون نقشه راهي عمل خواهد کرد که با برنامه ريزي ناسا براي مأموريت هاي فضايي بزرگ تر و بلند پروازانه تر پس از سال 1399/2020 تأثير مستقيم خواهد داشت. هرچند تا آن زمان 10 سال باقي ست، اخترشناسان بايد مرزهاي کليدي علم را، که قرار است به دست بيايند، ارزيابي کنند و نيز مشخص کنند که به چه نوع تلکسوپ و ابزارهايي نياز دارند و اين ها چقدر هزينه دارد.
فهرست مرزهاي جديدي که اخترشناسان مايل به دستيابي به آنها هستند شامل اين موارد است: سفرهاي کاوش گرانه به دوردست هاي عالم، به ديگر ستاره ها؛ تعيين ماهيت انرژي تاريک؛ درک چگونگي شکل گيري و تحول نخستين سياه چاله ها؛ بررسي شکل گيري سيارات در قرص هاي اطراف ستاره ها؛ و جست و جوي حيات در سيارات فراخورشيدي زمين مانند که در ناحيه سکونت پذير اطراف ستاره هاي نزديک در گردش اند.
سال 1399/ 2020 و پس از آن، وقتي درباره ابرتلسکوپ ها فکر مي کنيم، خيلي دور به نظر مي رسد. اما برنامه ريزي براي تلسکوپ فضايي هابل تقريباً 20 سال پيش از زمان پرتاب آن در سال 1369/1990 انجام شده بود. همچنين اخترشناسان برنامه ريزي براي جانشين هابل، يعني تلکسوپ فضايي جيمز وب، را در اواسط دهه 1370/1990 آغاز کردند. در صورتي که اين تلکسوپ پيش از سال 1393/2014 پرتاب نخواهد شد.
آنچه در گوي بلورين پيش گويي آشکار مي شود اين است که پروژه هاي بلند پروازانه بايد بر قلمدوش برنامه هاي فضايي سرنشين دار محکم سوار باشند، تلسکوپ هاي بزرگ فضايي به موشک هايي نياز دارند که بتوانند ده ها تن بار را درون محفظه اي به اندازه يک تريلي حمل کنند. و از چنين پيش ران هايي نه تنها براي پرتاب تجهيزات عملي بلکه براي حمل فضانوردان و تجهيزاتي به ماه و شايد فراتر از آن هم استفاده مي شود. هرگز تلسکوپ فضايي هابل را نداشيتم اگر با برنامه پروازهاي شاتل و تعميرات فضايي به دست فضانوردان توأم نمي شد.

محرک هاي فناوري
 

با وجود قدرت رصدي رصدخانه هايي مانند تلسکوپ هاي کک بر فراز قله موناکي هاوايي، تلسکوپ دو چشمي بزرگ بر فرار قله مونت گراهام در آريزونا، و آرايه تلسکوپ بسيار بزرگ در شيلي، اخترشناسان هنوز هم احساس کمبود فوتون مي کنند! پيشرفت هاي بزرگ در اخترشناسي نيازمند دهانه هاي تلکسوپي هرچه بزرگ تر است که منجر به حساسيت و توان تفکيک بيشتر مي شود.
در دهه آينده شاهد نسل جديدي از تلسکوپ هاي غول پيکر خواهيم بود. تلسکوپ بزرگ ماژلان (GMT) در لاس کامپاناس شيلي توان تفکيک آينه اي به قطر 24/5 متر را خواهد داشت. تلسکوپ سي متري (TMT) يا در کوير آتاکاماي شيلي يا برفراز قله موناکي هاوايي نصب خواهد شد. و برنامه اخترشناسان اين است که تلسکوپ بسيار بزرگ اروپا (EELT) به قطر آينه 42 متر نخستين نور خود را در سال 1397/2018 دريافت کند اين هيولاها را به ژرفاي عالم نفوذ مي کنند تا نور برخي از نخستين کهکشان ها را دريافت و تحليل کنند. به گفته مت ماونتين، مدير موسسه تلکسوپ فضايي در بالتيمور: «85 درصد تاريخ عالم را در همان نخستين يک ميليارد سال پس از انفجار بزرگ رخ داده است».
سامانه هاي اپتيک سازگار رايانه اي (که در اثر آشفتگي جو بر نور ستاره ها را تصحيح مي کنند) همچنان کارکرد تلسکوپ هاي زميني را بهبود مي بخشند. اين تلسکوپ هاي غول پيکر آينده با هزينه هايي کمتر از يک ميليارد دلار براي هرکدام، بسيار کم هزينه تر از رصدخانه هاي فضايي خواهند بود. همچنين تعمير و روز آمد کردن چنين ابزارهايي بسيار آسان تر است. همچنين آنها انبارهاي عظيمي از نور اجرام کم نور براي طيف سنجي محسوب مي شدند.
البته استيون بک ويت از دانشگاه کاليفرنيا بر اين باور است که با وجود پيشرفت هاي خيره کننده تلسکوپ هاي زميني، اخترشناسي فضايي همچنان «مزاياي چشمگير و قانع کننده اي» دارد. در فضا به تمام طيف الکترومغناطيس دسترسي داريم زيرا خبري از جذب جوي نيست، زمينه آسمان چند برابر تاريک تر است، و به سبب اپتيک بسيار دقيق تصاوير داراي وضوحي در حد پراش هستند (حد پراش حد نهايي توان تفکيک اپتيکي است). و البته اين اپتيک، دقت را در تمام گستره باز ميدان ديد خود حفظ مي کند. افزون بر اين، وضوح تصاوير طي دوره هاي زماني طولاني پايدار باقي مي ماند و مانند تلسکوپ هاي امروز بر اثر آشفتگي جوي و خطاهاي اپتيکي–مکانيکي مداوم تغيير نمي کند و اين ويژگي کارکردي براي سنجش درخشندگي اجرام کم نور و نيز رصد اجرامي در ميدان ديدهاي شلوغ (پر از اهداف رصدي) ضروري است.
بک ويت بر اين نکته تأييد دارد که: «تقريباً هر پيشرفت فناورانه اي که منجر به تغيير ماهيت اخترشناسي فضايي شده ابتدا در حوزه هايي ديگر توسعه يافته است». اخترشناسان همواره به فناوري هاي حاصل از بودجه هاي تحقيقات و توسعه اي بسيار بيشتر از بودجه ناسا وابسته اند: يعني نيروهاي مصلح ايالات متحده و شرکت هاي تجاري هوافضا. مثلاً تلسکوپ فضايي هابل تقريباً مدل مشابه ماهواره هاي نظامي نظارتي 11- KH بود که در دهه 1350/1970 توسعه يافتند.
اخترشناسان تنها دانشمندان مشتاق به قرار دادن ابزارهاي اپتيکي بزرگ در فضا نيستند. دانشمندان زمين شناس نيز در فکر آرايه هاي عظيم ميلي متري يا زير ميلي متري اند که در ارتفاع 786، 35کيلومتري در مدارهاي زمين ثابت قرار بگيرند و کار کنند (مدار زمين ثابت مداري است که ماهواره يا فضا پيما در آن مدار همواره بر فراز نقطه اي ثابت از زمين قرار دارد) شايد ماهواره هاي نظارتي نيز در آينده در همين مدارها قرار بگيرند تا بتوانند نواحي وسيع تري از زمين را تحت پوشش قرار دهند و نيز کمتر در ديدرس سلاح هاي ضد ماهواره باشند.
علم زمين شناسي و حوزه هاي مراقبت و نظارت، محرک هايي قوي براي تحقيقات و توسعه در زمينه ساختارهاي آينه اي بزرگ، سبک و قابل استقرار در فضا هستند. مهندسان در حال طراحي يک تلسکوپ تاشو 2 متري اند که درون محفظه 1/3 متري بار موشک پگاسوس جا بگيرد. طرح هاي پيچيده تر شامل قطعات آينه اي شش ضلعي است که مانند زير ليواني هاي روي ميز، درون محفظه دراز و باريک بار چيده مي شوند.
آرايه هاي چند تکه همچنين موجب پيشرفت هايي در سنجش و رفع اثر آشفتگي جوي و عملکرد بهتر اپتيک تطبيقي مي شوند. روش هاي يپشرفته توليد و مواد جديد منجر به ساخت آينه هاي فراسبکي مي شوند که نيازي به طي مراحل وقت گير و پر هزينه سايش و صيقل ندارند.
به دست آوردن، پردازش، و ذخيره کردن مقادير بسياري داده هاي نجومي تا سال 1399/2020 همچنان از قانون مور پيروي مي کند -که مي گويد توان پردازش رايانه ها هر 2 سال دو برابر مي شود. همچنين دوربين هاي بزرگ تر از هميشه نيز به ظرفيت گيگا پيسکل خواهند رسيد. فناوري ماهواره هاي شناسايي به مرحله پردازش تصاوير درون خود ماهواره مي رسند. اين پيشرفت موجب کاهش با صرفه ميزان داده هايي مي شود که از بي شمار آرايه آشکارساز به زمين ارسال مي شوند.

بر قلمدوش ديگر مأموريت ها
 

جيم کروکر از شرکت لاکهيد مارتين مي گويد: «کاوش هاي بشر در فضا و علوم فضايي کاملاً به هم وابسته اند». دانشمندان طي برنامه فضايي آپولو به ماه بود که به سازگاري فضاپيماهاي مأموريت هاي سرنشين دار براي انجام دادن مأموريت هاي چند منظوره پي بردند. ايستگاه فضايي اسکاي لب، با رصد خانه خورشيدي اش موسوم به آپولو، نخستين محصول جانبي علمي بود که از توانايي هاي پرتابي موشک ساترن 5 استفاده کرد.
موشک برنامه ريزي شده آرس5، موشک جديد و قوي و سنگين بري که از روزگار با شکوه مأموريت آپولو تا به حال نظيرش را نديده ايم، محفظه باري به قطر 10 متر دارد و مي تواند تا 65 تن بار را به فراتر از مدار ماه ببرد. اخترشناسان در فکر قرار دادن تلسکوپي به بزرگي تلسکوپ هاي کک در فاصله 1/5 ميليون کيلومتري زمين به سوي خورشيدند- نقطه دوم لاگرانژي يا L2 که از نظر گرانشي «پارکينگ» ثابتي براي رصدخانه هاي فضايي محسوب مي شود.
اگر ناسا همچنان بخواهد انسان را در دهه 1390/2020 به ماه بازگرداند، احتمالاً در آن جا زير ساخت هايي براي ساخت و تعمير تلسکوپ هاي فضايي بزرگ نيز بر پا خواهد کرد. تعميرات فضا پيماها را قوي تر مي کند و امکان عملکرد با خطر کمتر را فراهم مي آورد.
فضانوردان و حتي روبوت ها مي توانند ابزارها را روز آمد کنند و زير سامانه هاي الکترونيکي و سوخت موتورهاي پيشران را تعويض کنند. انجام دادن تعميرات ممکن است عمر مفيد يک تلسکوپ فضايي عظيم چند ميليارد دلاري را 20 سال يا بيشتر افزايش دهد هم اکنون اين را درباره هابل تجربه کرده ايم.
آزمايش هاي فضايي نظامي و تجاري يک قدم در اثبات اين موضوع جلو هستند. مثلاً سامانه مدار گرد سريع السير (OES) متعلق به سازمان پروژه هاي تحقيقاتي پيشرفته دفاعي آمريکا (DARPA) در تابستان 1386/2007 با استفاده از دو فضا پيماي روبوتي عمليات ملاقات، اتصال و سوخت گيري خودکار را با موفقيت کامل انجام داد.
تلسکوپ هاي فضايي سال هاي پس از 1399/ 2020 الزاماً پيچ و مهره ندارند که شل بشوند، بلکه احتمالاً ساختارهاي مدولارتر و دوستدار روبوت دارند. يکي از ايده ها اين است که يک «جعبه سياه» آزاد داشته باشيم که به سادگي به الکترونيکي تلسکوپ متصل شود و عملکرد منابع از کار افتاده برق دستگاه، تابلوهاي مدار، و ديگر اجزا را برعهده بگيرد. ساختار آماده نصب باعث مي شود که دانشمندان بتوانند ابزارها را از راه دور تعويض کنند.

برنامه اي متعادل براي بودجه فضايي
 

به گفته جان موريس مدير بخش اختر فيزيک ناسا: «برنامه هاي فضايي آينده بايد گسترش وتنوع يابند. اين ماهيت اخترشناسي که هرچه به دورتر بنگريد اجرام کم نورتر مي شوند، به اين معناست که ساخت رصدخانه هاي بزرگ سخت تر و زمان پيشرفت طولاني تر مي شود».
مورس تخمين مي زند که برنامه فضايي اختر فيزيکي ناسا مي تواند در هر دهه يک رصدخانه سطح عالي براي اهداف عمومي با هزينه 2 تا 4 ميليارد دلار را تقبل کند (مانند تلکسوپ فضايي جيمز وب). در همين بازه زماني، دو تا چهار مأموريت سطح متوسط با اهداف علمي بسيار مشخص تر (مانند مأموريت انرژي تاريک پيوسته -JDEM- که قرار است رفتار انرژي تاريک را طي زمان کيهاني بسنجند) و سه تا پنج مأموريت کوچک تر در سطح اکتشافي (مانند مأموريت کپلر که به دنبال سيارات فراخورشيدي گذر کننده از مقابل ستاره مي گردد) نيز ممکن اند.
جامعه علمي نيز مشغول کلنجار رفتن براي متعادل کردن آرزوهايش براي مأموريت علمي- فضايي با واقعيت بودجه1/5 ميليارد دلاري بخش اختر فيزيکي ناسا در يک سال است. تا همين الان هم مأموريت هاي بسيار بلندپروزانه در صف مأموريت هاي آينده در حوزه اخترفيزيک اند: مانند رصدخانه بين المللي پرتوايکس (IXO)، جانشين قدرتمند رصدخانه پرتو ايکس چاندرا؛ و آنتن فضايي تداخل سنج ليزر (LISA) که در حوزه هاي کاملاً جديد در اختر فيزيک، يعني آشکارسازي، امواج گرانش، کار مي کند.
مورس، با توجه به اشتياق ها براي مأموريت ها و نيز محدوديت هاي مالي، مي گويد که براي تعيين دقيق بودجه پيشرفت هاي فني هر مأموريت بايد بيش از پيش تلاش شود هرچه نادانسته هاي فني بيشتر باشد احتمال پذيرفته شدن مأموريت کمتر است.
برخي از رصدخانه هاي فضايي که مي توانند براي کسب بودجه با هم رقابت کنند. عبارتند از: تلکسوپ فضايي بزرگ دهانه با فناوري پيشرفته (ATLAST) به قطر آينه 8 تا 16 متر براي رصد در نور مرئي، فرابنفش، و فرو سرخ که توان تفکيکش 5 برابر هابل است؛ نسل ايکس (Generation-X) که عالم نخستين را با 1000 برابر توان گردآوري و 5 برابر توان تفکيک رصدخانه پرتو ايکس چاندرا کاوش مي کند؛ و رصدخانه فروسرخ دور تک دهانه (يا سفير SAFIR ) که تلسکوپي 10 متري با 100 برابر حساسيت تلسکوپ فضايي اسپيتزر است.
حتي در برنامه هاي بلندپروازانه تر لازم است که تلکسوپ هاي کوچک به فضا پرتاب شوند و با استفاده از مزاياي محيط فضا به هم بپيوندند تا تلسکوپ هاي بزرگتر و با توان تفکيک بيشتر بسازند. اين منجر به ساخت آرايه هاي تلسکوپي با دهانه و توان تفکيکي عظمي اما با توان کم در گردآوري نور مي شود که خط مبناي آنها چندين کيلومتر امتداد دارد. وبستر کش، از دانشگاه کلرادو، مي گويد: «اخترشناسان در آينده ناگزير به ساخت آرايه هاي رصدخانه اي با چند فضا پيما هستند؛ اين آرايه ها در خلق مفاهيم بنيادي تازه در علم نوين يگانه خواهند بود».
مثلاً، تصوير بردار ستاره اي (SI) مجموعه اي از آينه هاي رها در فضاست که از سطح ستاره ها با تفکيکي بيش از 200 برابر تفکيک هابل نقشه برداري مي کند مأموريت تصويربردار پرتو ايکس ميلي ثانيه قوسي (MAXIM) افق رويداد بسيار کوچک سياه چاله ها را آشکار مي کند. يکي از بزرگ ترين آرايه ها رصدگر انفجار بزرگ (BBO) خواهد بود؛ مجموعه اي بسيار گسترده و دور از هم از آشکارسازهاي امواج گرانشي شبيه ليزا. ثبت امواج گرانشي با بلندترين طول موج از دوره تورمي انبساط عالم مانند شنيدن «صدايي مافوق صوت» از ابتداي عالم است؛ دوره تورم زماني است کمي بعد از انفجار بزرگ که، براساس برخي نظريه ها عالم آغاز به انبساطي فزاينده کرد.

الهام بخشيدن به نسلي جديد
 

اما اين تفکرات بديع و زيبا در واقعيت با محدوديت مالي و اجرايي مواجه مي شوند. استيون کن، از موسسه تحقيقات اختر فيزيک و کيهان شناسي ذرات کاولي در دانشگاه استنفورد مي گويد: «اين که فقط بگوييم «تلسکوپ هاي بزرگ فضا را براي اکتشاف باز مي کنند» براي به دست آوردن ميلياردها دلار بودجه، در اين شرايط بد اقتصادي مضحک است. «يافتن پاسخ براي پرسش هاي» خاص شايد بهتر باشد به شرط اين که پرسش ها هم به قدر کافي ژرف و به قدر کافي در دسترس عموم باشند».
بي شک جست و جوي حيات بر سيارات ديگر بر ديگر پرسش ها برتري دارد. به گفته کن: «يافتن پاسخ اين پرسش پيامدهاي فلسفي ژرفي خواهد داشت که بر ديدگاه ما درباره جايگاه مان در عالم اثر خواهد داشت».
سيارات فراخورشيدي موضوع روز دهه 2020 ميلادي خواهند بود تمرکز اخترشناسي در قرن هفدهم ميلادي بر پنج سياره شناخته شده در منظومه شمسي بود؛ در قرن هجدهم بر اجرام ژرف آسماني به نام «سحابي»؛ در قرن نوزدهم بر ستاره ها؛ و در قرن بيستم بر کهکشان ها و تحولات کيهاني. براساس تحقيقات اخير، به يقين مي توان گفت که در نيمه نخست قرن 21 رودرروي سيارات سکونت پذير قرار خواهيم گرفت.
در چند سال آينده، فضاپيماي کپلر ناسا، که اکنون مشغول بررسي بسيار دقيق 100 هزار ستاره در صورت فلکي دجاجه است، تخميني آماري از تعداد سيارات زمين مانند در کهکشان به ما خواهند داد. اگر درصد به دست آمده از رصدهاي کپلر بالا باشد، آن گاه تلسکوپ هاي دهه آينده به جست و جوي سيارات زمين مانند تا فاصله چند ده سال نوري از زمين خواهند پرداخت.
اما بايد تا سال 1407/2028 صبر کنيم تا تلسکوپ فضايي 16 متري بررسي هزار سياره زمين مانند تا فاصله 30 سال نوري از زمين را آغاز کند. توان گردآوري نور اين تلسکوپ آن را قادر به انجام رصدهاي نور سنجي و قطبش سنجي مي کند که به آشکارسازي اقيانوس ها، يخ و ابرها کمک مي کنند. همچنين با طيف سنجي هاي دقيق به دنبال فراواني هاي غير معمول گازهاي جوي مانند اکسيژن و متان مي گردد که شايد نشان دهنده وجود حيات باشند.
آيا اختر شناسان امروز «دور انديشي سال 2020» را دارند که بدانند در دهه هاي آينده چه چيزي در انتظار علم است؟ يا اين که اکتشافات، پيشرفت هاي عظيم فناورانه، و رويدادهاي ژئوپلتيک سرانجام اخترشناسان را به سوي آينده اي حتي پيش بيني ناپذيرتر سوق خواهد داد؟
از زمان برنامه ريزي براي پرتاب هابل در دهه 1350/1970 تا امروز مرزهاي جديد بسياري به روي بشر گشوده شده است: مثل انرژي تاريک و عالم شتاب دار؛ چشمه هاي فوران پرتو گاما؛ سياه چاله هاي ابر پرجرم؛ سيارات فراخورشيد؛ تحولات کيهاني؛ و جمعيت سيارک ها در کمربند کايپر. به قول ويلبررايت، پيشگام پرواز، که يک قرن پيش چنين نوشته است: «واقعاً لازم نيست به آينده دور چشم بدوزيم؛ همين حالا هم به حد کافي دور را مي بينيم که بدانيم شگفت انگيز است. فقط بياييد بجنبيم و راه را باز کنيم.»
منبع: نجوم، شماره 197.